0. 목차
- 희토류 원소
- '희토류 원소'의 성질
- '희토류 원소'가 산출되는 광상
- 대부분의 희토류 원소는 '중국'에서 생산 중
1. 희토류 원소
'희토류(Rare Earth)'는 주기율표의 '3족' 가운데 17종의 '금속 원소'를 통틀어 말하는 것이다. '스칸듐(Sc)', '이트륨(Y)'과 '란타넘족(Lanthanide)'에 있는 원소가 모두 포함된다. '희토류(Rare Earth)'에서 Rare는 희소하다는 의미이다. 하지만 현재에는 희토류 원소'의 지각 속 존재량이 반드시 적은 것만은 아니라는 사실이 알려져 있다. 그러면 '희토류(Rare Earth)'에서 earth는 어떤 의미일까? earth는 일반적으로 '지구'나 '대지'라는 의미로 쓰이지만, 땅이나 암석의 주성분인 '산화물(O2-를 포함하는 물질)'을 의미하는 화학 용어이기도 한다. 예로부터 과학자들은 '마그네슘(Mg)'이나 '칼슘(Ca)' 등 토양 속의 산화물을 earth라고 불렀다.
그래서 1794년에 핀란드의 화학자 '요한 가돌린(Johan Gadolin, 1760~1852)'이 스웨덴의 이테르비 지방의 '희소 광물' 속에서 미지의 산화물을 발견했을 때, 전례 없이 이것을 rare earh라고 명명했다. (이 미지의 희소 광물은 나중에 '가돌린석'으로 명명됨) '요한 가돌린'은 이 광물을 분석해 신원소 '이트륨(Y)'을 발견했다. 그러나 그 후 단일 원소라고 생각되었던 '이트륨'을 분석한 결과, '터븀(Tb)',과 '어븀(Er)'이 발견되었으며, 또 '어븀'에서 '이터븀(Yb)'이 발견되었다. 그리고 1907년까지 16종의 원소가 포함되어 있음이 밝혀졌다. 그리고 1947년에는, 희토류 최후의 원소인 '프로메튬(Pm)'이 발견되었다. 프로메튬은 천연 상태에서는 안정되게 존재하지 않고, 방사선을 내어 붕괴하기 쉽다. 현재 알려져 있는 17종의 원소는 1794년의 '이트륨(Y)' 발견에서 150년이나 되는 세월을 거쳐서 발견된 것이다.
1-1. '희토류 원소군'은 특정 광석 속에 한꺼번에 존재한다.
희토류 원소'는 화학적인 성질이 비슷하며, 흡사 하나의 원소처럼 하나의 광물 속에서 발견된다. 그리고 그것을 분리하려면 고도의 기술이 필요하다. '희토류 원소군'은 비슷한 화학적 성질을 가진 '산화물(O2-를 포함하는 물질)'이나 '인산염(PO43-)'의 광물로, 특정 광석 속에 한꺼번에 존재한다. [단, '스칸듐(Sc)'과 인공 방사성 원소인 '프로메튬(Pm)'은 제외함] 잘 포함되는 광물이 다르기 때문에, 일반적으로 원자가 작은 희토류 원소인 '스칸듐(Sc)'~'(유로퓸(Eu)'은 '경희토류(Light Rare Earth Element)'라고 불리고, 그 밖의 것은 '중희토류(Heavy Rare Earth Element)'라고 불린다.
'경희토류'를 많이 함유한 광물은 세계적으로 널리 분포하고 있어서, 자원량은 비교적 풍부하다. 그중에서도 '란타넘(La, 57번 원소)'나 '세륨(Ce, 58번 원소)'은 널리 사용되고 있는 '아연(Zn)'보다도 많이 존재한다. 한편, '중희토류'를 많이 함유한 '이온 흡착형 광상'은 현재 중국 남부에서만 개발되고 있다.
1-2. '희토류 원소'는 다양한 첨단 기술 제품에 이용된다.
금속으로서 '희토류 원소'나 그 화합물의 물리적인 특성은 원소에 따라 다양하다. 이들 금속은 현재 다양한 첨단 기술 제품에 이용되고 있다. 하지만 희토류 원소의 채굴이나 정련에는 '지하수 오염'이나 '막대한 에너지 소비' 등 여러 가지 환경에 대한 부담을 주는 안 좋은 측면도 있다. 또 '공급 불안'의 위험을 줄이기 위해서도, 재활용 기술이나 다른 물질로 바꾸는 대체 기술 개발이 요구되고 있다.
2. '희토류 원소'의 성질
'란타넘족 원소'는 모두 '희토류 원소'이다. 그런데 15개의 '란타넘족 원소'는 주기율표의 바깥쪽에 그려지는 일이 많다. '란타넘족 원소'가 주기율의 바깥쪽에 자리 잡고 있는 이유는 기묘한 내부 구조 때문이다.
2-1. '란타넘족 원소'의 가장 바깥쪽의 전자의 수는 2개로 모두 같다.
원자 번호가 하나 늘어날 때마다 전자가 하나씩 늘어나는데, 이때 전자는 원자핵에서 가까운 '전자껍질'부터 차례로 자리 잡는 것이 기본적인 규칙이다. 하지만 이 규칙에서 어긋나는 원소들도 있다. 내부의 전자껍질에 '빈자리'가 있는데, 먼저 바깥쪽의 전자껍질에 전자가 들어가며, 그 후 하나 안쪽의 전자껍질에 전자가 들어가는 원소들이 있다. 이런 원소들을 '전이 원소(Transition Elements)'라고 한다.
그런데 '란타넘족(Lanthanides)' 원소는 '전이 원소'보다도 더 특이하다. 란타넘족 원소는 하나 안쪽의 전자껍질이 아니라, 둘 안쪽의 전자껍질에 전자가 들어간다. 그래서 란타넘족 원소는 각각 내부의 전자 수는 다르지만, 화학 반응에 많이 관계하는 '가장 바깥쪽의 전자의 수'는 2개로 모두 같다. 그래서 화학적인 성질이 매우 비슷하다. 그러면 '란타늄족 원소'가 가진 성질이란 무엇일까? 그 성질이란 '자석이 되기 쉽다', '빛을 낸다' 등이다.
- 자석이 되기 쉽다: 네오디뮴(Nd)'이나 '디스프로슘(Dy)'이 강한 자석의 재료가 될 수 있는 이유는 내부의 전자껍질에 빈자리가 있기 때문이다. 빈자리가 있으면 전자구름이 변형된다. 이 전자구름에 의해 철 원자의 방향 변화가 저지되어, 원자의 방향이 잘 흩어지지 않는 것이다.
- 빛을 낸다: 둘 안쪽의 전자껍질에 있는 전자가 외부에서 강한 에너지를 받으면, 같은 전자껍질에 있는 빈자리로 튀어 날아간다. 그 후, 원래의 위치에 되돌아올 때, 빛을 방출한다. '빛을 방출하는 성질'을 응용해, 란타넘족 원소를 컬러 TV나 형광등의 발색 재료로 사용하고 있다.
3. '희토류 원소'가 산출되는 광상
그러면 '희토류 원소'는 어떤 장소에서 산출될까? 희토류 원소가 산출되는 광상은 주로 두 가지이다. 하나는 '마그마성 광상(Ore deposit of Magnetic Origin)'이고, 다른 하나는 '이온 흡착형 광상(Ionadsorption Deposit)'이다.
3-1. 마그마로부터 생긴 광상
전 세계에서 생산되는 '희토류 원소'의 약 60%는 '마그마성 광상'에서 산출된다. '마그마성 광상'이란 지하 깊은 곳의 마그마의 웅덩이인 '마그마 챔버(Magma Chamber)'가 식고 굳어서 지표에 나타난 것이다. '마그마 챔버'는 '판(Plate)'이 태어나는 지구대 등에서 생긴다. 마그마에 포함된 '희토류 원소'는 '철(Fe)'과 '마그네슘(Mg)' 등에 비해 느리게 굳기 때문에, 마그마 웅덩이의 위쪽에 고이기 쉽다. 이것이 수억 년 걸려 융기와 침식이 진행되어, 지표에 노출된 것이다.
단, '마그마성 광상'에서의 채굴은, 다루기가 어려운 '우라늄(U, 원자번호 92)'이나 '토륨(Th, 원자번호 90)' 등의 방사성 원소도 적으나마 포함되어 채굴된다는 결점을 가지고 있다. 그래서 이곳에서 채굴된 광석은 부순 다음 '황산(H2SO4)'이나 '염산(HCl)'에 녹인 후, 광석에 포함된 방사성 원소를 처리하는 방식으로 제련을 해야 한다.
이 유형의 광상에서 산출되는 '희토류 원소'는 원소의 비율이 많은 순서대로 '세륨(Ce, 원자번호 58)', '란타넘(La, 원자번호 57)', '네오디뮴(Nd, 원자번호 60)' 등이 있다. 아래의 표에 작성된 데이터는 '중국 비얀오보 광상'에서 산출된 희토류 원소 비율의 예이다. '디스프로슘(Dy, 원자번호 66)'은 거의 포함되어 있지 않다.
| 채굴되는 희토류 원소 | 비율 |
| 세륨(CeO2) | 50.0% |
| 란타넘(La2O3) | 25.0% |
| 네오디뮴(Nd2O3) | 16.7% |
| 프라세오디뮴(Pr6O11) | 5.1% |
| 사마륨(Sm2O3) | 1.2% |
| 가돌리늄(Gd2O3) | 0.7% |
| 유로퓸(Eu2O3) | 0.2% |
| 이트륨(Y2O3) | 0.2% |
3-2. 이온 흡착형 광상
'이온 흡착형 광상(Ionadsorption Deposit)'은 희토류 원소를 비교적 많이 포함한 '화강암(Granite)'이 수백만 년에 걸쳐 풍화되어 점토층이 된 광상이다. '이온 흡착형 광상'은 방사성 원소를 포함하지 않으며, 점토 입자의 표면에는 '희토류 원소'가 달라붙어 있다. 따라서 큰 수고를 들이지 않고, 약산성 액체를 점토층에 뿌리는 것만으로도 '희토류 원소'를 채취할 수 있다. '방사성 원소'는 풍화 과정에서 비와 함께 흘러간 것으로 생각된다.
4. 대부분의 희토류 원소는 '중국'에서 생산 중
현재 '희토류 원소'의 대부분은 '중국'에서 생산하고 있다. 그러나 '희토류 원소'의 광상 자체는 세계 각지에 분포하며, 희토류 원소 자원이나 광상이 크게 한곳에 쏠려 있는 것은 아니다. 세계적으로 보면 확인되어 있는 '희토류 원소 광상'의 매장량 자체는 풍부하다. 또 미발견 자원도 막대할 것으로 생각된다. 그러나 비용면을 고려하면, 아직 개발하기 어렵다는 측면이 있다. 현재 중국 이외의 나라에서 '광상 개발'과 '새로운 광상의 조사'가 활발하게 이루어지고 있다.
'이온 흡착형 광상'은 현재 '장시 성(江西省)', '광둥 성(广东省)', '후난 성(湖南省)', '광시 자치구' 등 중국 남부에 한정되어 있다. 그러나 화강암이나 기상 조건을 조사한 결과, 동남아시아에도 '이온 흡착형 광상'이 존재한다는 사실이 밝혀졌다. 한편, '마그마로부터 생긴 광상'은 아프리카, 유라시아, 북아메리카, 남아메리카, 오스트레일리아 등 주요 대륙에 분포한다. 특히 아프리카 대륙에 특히 많으며, 보고되어 있는 마그마 유래 광상의 약 절반이 분포한다.