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세슘
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세슘(Cesium)은 알칼리 금속에 속하는 화학 원소로 원소 기호는 Cs, 원자 번호는 55이다. 무르고 밝은 금색의 알칼리 금속으로 실온 부근에서 액체 상태로 있는 세 금속 중 하나이다(나머지는 갈륨(Ga),그리고 수은(Hg)) 세슘의 동위원소 중 세슘 133은 원자 시계를 만드는 데 많이 쓰이며, 핵분열 시에 발생하는, 30년에 달하는 반감기를 가진 방사성 동위원소인 세슘-137은 의료용 방사선으로 사용되나, 인체 내의 칼륨을 대체하는 성질이 있어 위험성이 높다.
목차
개요
세슘은 원자 번호 55번인 금속 원소로, 주기율표에서 알칼리 금속 중 아래쪽에 위치하며, 은백색을 보이며 소듐, 포타슘 등의 다른 알칼리 금속과 마찬가지로 무른 성질을 보여준다. 또한, 반응성이 매우 큰 금속으로 쉽게 산화되어 +1 이온 상태를 갖는다. 금속 상태의 세슘은 물과 격렬히 반응하며 수소 기체를 발생시킨다. 세슘은 지각 내 존재 비가 100만분의 3 수준으로 매우 희귀한 금속에 속한다. 세슘을 포함하는 광물은 폴루사이트(pollucite)로, 주로 캐나다에 매장되어있다. 세슘은 약 30종의 다양한 동위원소를 갖는데, 대부분이 질량수 133의 세슘-133으로 존재하고, 중성자를 2개 더 가지고 있는 세슘-135와 중성자를 4개 더 가지고 있는 세슘-137이 극미량 존재하는 동위원소이다. 우리 생활에서 세슘은 원자시계의 핵심 성분으로 ‘1초’의 기준을 제공하며, 그 외에 석유 및 천연가스의 시추에 사용되고, 다양한 화학 반응에 사용된다. 또한, 동위원소인 세슘-137의 경우 방사선 치료 등의 목적에 사용할 수 있지만, 동시에 핵무기의 사용이나 원자력 발전소 사고에서 생성되는 방사성 물질로써 그 위험성이 큰 원소이다.
세슘의 발견, 분리, IUPAC 원소 이름과 기호
세슘은 1860년에 독일 과학자 분젠(Robert Bunsen, 1811-1899)과 키르히호프(Gustav Robert Kirchhoff, 1824-1887)의 불꽃 스펙트럼 실험을 통해 처음 발견되었다. 1859년에 분광기를 발명한 분젠과 키르히호프는 광천수에 들어있는 미량의 원소들을 조사했는데, 분광기 덕분에 루비듐, 세슘 등이 발견된 것이다. 1800년에 볼타 전지가 발명되면서 전기분해 방법으로 소듐, 포타슘 등 여러 원소가 발견된 것과 유사하게 도구의 발명이 중요한 사실의 발견으로 이어지는 것을 볼 수 있다. 분젠과 키르히호프의 선 스펙트럼에서 스펙트럼선은 파장이 455.1nm 또는 459.3nm의 두 개의 진한 청색 선이 나타나기 때문에, 그리스어로 청색을 뜻하는 'caesius'를 활용하여 세슘(cesium 또는 caesium)으로 명명하였다. 최초의 세슘 화합물로 염화 세슘(CsCl)이 역시 분젠과 키르히호프에 의하여 얻어졌고, 금속 세슘은 1882년에 최초로 얻어졌다. 원소 기호는 'Cs'이다.
존재
자연계에 널리 분포하는데 양이 극히 적다. 알칼리 금속과 함께 산출된다.
광물
성질
불꽃 반응에서 청자색을 보이므로 쉽게 구분할 수 있다. 액체 암모니아수에 쉽게 녹는다.
물리적 특징
전성과 연성이 대단히 풍부한 금속이다. 아주 쉽게 잘린다. 은백색의 금속 광택을 가진다. 녹는점이 몹시 낮아 세슘 금속이 들어있는 앰플을 손으로 감싸면 녹아내리는 것을 관찰할 수 있다. 끓는점 역시 낮아 실험실에서 순수한 세슘을 얻기 위해 쉽게 증류할 수 있다. 증류할 때에는 진공에서 아르곤 대기 조건을 형성한 후 가열한다. 증류되어 세슘이 넘어간 뒤 외부 대기와 접촉하면 큰 사고가 일어날 수 있으므로 외부 대기와 접촉을 완전히 차단하기 위해 유리관을 녹여 봉쇄하여 증류를 마무리한다.
화학적 성질
안정하게 존재하는 알칼리 금속 중 가장 반응성이 크고 많은 비금속 원소와 폭발적인 반응을 일으킨다. 건조한 공기 속에서도 그 즉시 격하게 산화하며 때때로 불이 붙기도 한다. 습한 공기 속에서 산화 반응은 더욱 강렬하며 대부분 불이 붙는다. 아르곤 대기 하에 보관하는 것이 일반적인데, 파라핀유나 등유 조차도 세슘의 산화를 효과적으로 막지 못하기 때문이다. 본디 은백색의 금속 광택을 가지나 많은 세슘 금속 샘플은 금색 광택을 띠는데 미량의 산소가 존재하면 세슘 금속의 산화물들에 의하여 금색으로 보이기 때문이다. 리튬과 합금을 만들 수 있다.
세슘은 실온보다 약간 높은 28.5 °C의 녹는점을 가지며, 다른 알칼리 금속과 합금을 이룰 경우 더 낮은 녹는점을 가질 수 있다. 포타슘(47%)-세슘(41%)-소듐(12%) 합금의 경우 녹는점이 -78 °C이다.
물
물과 그 즉시 폭발적으로 반응한다. 폭발 지연시간은 거의 없다. 물과 닿는 그 즉시 반응열에 의해 녹아내리며 폭발하며 불타는 세슘 방울들이 비산한다. 거의 모든 경우에서 세슘은 격렬하게 반응하므로 취급에 대단한 주의를 기울여야 한다.
세슘-137의 생성과 위험성
원자력 발전 혹은 핵무기의 사용으로 만들어지는 방사성 핵분열 생성물 중 장기간에 걸쳐 위험을 끼치는 것이 세슘-137(반감기 30년)과 스트론튬-90(반감기 28.9년)이다. 이들은 각각 핵분열 생성물의 6.3%와 4.5%를 자치하는데, 세슘-137의 경우 방사성 붕괴를 거쳐 바륨 원자핵으로 바뀌며, 중간체인 바륨-137m (반감기 2.55분)이 감마 붕괴를 하며 감마선을 발생시킨다. 이 감마선은 피부를 통과하고 X-선보다 인체에 해롭기 때문에 그 피해가 크다. 직접 세슘-137의 방사선에 노출이 광범위하게 되면 화상을 입게 되고, 감마선 노출을 통해 암이 유발될 수 있다. 세슘-137은 자연계에 거의 존재하지 않고, 원자력 발전 또는 핵무기의 사용에서 거의 전량 발생하므로, 방사능 유출 사고의 지표로 활용되고 있으며 2011년 발생한 일본 후쿠시마 원자력 발전소의 사고에서도 이 세슘-137이 문제가 되고 있다.
세슘의 이용
세슘은 폼산 세슘(cesium formate, HCOOCs) 형태로 주로 사용하는데, 포름산 세슘은 약 2.4 g/mL의 밀도를 갖기 때문에 높은 온도와 압력을 유지해야 하는 석유 및 천연가스 시추 시설에 사용된다. 또한, 세슘 염들은 다양한 석유화학 및 촉매 화학에 반응물 및 첨가물로 사용된다. 또한, 세슘 합금은 빛 에너지를 전기 에너지로 전환하는 장치 및 광학기기의 부품에서 활용된다.
동위원소인 세슘-137의 경우 그 위험성이 매우 크지만, 세슘-137이 붕괴하며 발생시키는 감마선을 잘 통제된 조건에서 활용할 경우 방사선 치료 혹은 식품의 멸균에 활용할 수 있으며, 물질 내 수분 등을 측정하는 정밀한 장치에서 세슘-137을 추적자로서 활용하고 있다.
세슘원자시계
1967년 국제도량형국(BIPM, The Bureau International des Poids et Mesures)은 시간의 기준인 1초의 정의를 '바닥 상태의 세슘-133 원자가 두 개의 초미세 준위 사이를 전이할 때 발생하는 전자기파 복사의 9,192,631,770주기 동안 걸리는 시간'으로 정의하였다. 세계 각국은 세슘 원자 시계를 확보하여 위의 정의에 따라 1초의 기준을 확보하고 있으며, 현재 기술 수준으로 3000만 년에 약 1초 정도의 오차가 발생할 정도의 정확성을 보인다. 우리나라는 1980년 대전 대덕연구단지에 위치한 한국표준과학연구원(KRISS)에 세슘 원자 시계를 설치하여 운영하며 한국 표준 시간을 제공하고 있다.
참고자료
같이 보기
