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탄탈늄(Tantalum)

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 603회 작성일 21-04-02 13:14

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원자번호 73번 원소인 탄탈럼(tantalum)은 1802년에 발견된 은회색의 금속으로, 공기 중에서 잘 산화되지 않고 산에 의해서도 잘 침식되지 않는다. 무르지만 녹는점이 높고, 합금을 만들면 아주 단단해진다. ‘탄탈럼’이라는 이름은 이 원소가 처음 발견된 물질인 산화물이 산을 흡수하지 않는다는(산과 반응하지 않는다는) 점에서, 그리스 신화에서 지옥의 물속에 서있으면서도 목이 말라 물을 마시려고 하면 수위가 내려가서 물을 마시지 못하는 탄탈루스(tantalus, 제우스의 아들로 여러 가지 도발적인 행위를 저지른 죄로 지옥에서 벌을 받음)를 연상하여 지어졌다. 광석에 41번 원소인 나이오븀(Niobium, Nb: 컬럼븀으로도 불려졌음)과 함께 들어있는데, 이들 두 원소는 성질이 아주 비슷해서 서로를 분리하고 구분하기가 어려워 오랫동안 같은 원소로 여겨졌다. 나이오븀에 비해 생산량이 적고 가격은 비싸다. 전자 기기에 필수적인 커패시터 재료로 주로 사용되며, 내산화성과 내산성이 좋아 화학 실험 기구 및 화학공업 장치 재료 등으로 쓰이고, 또 인체 적합성이 좋아 인공 뼈 재료 등으로도 사용된다. 탄탈럼의 역사, 물리 및 화학적 성질, 생산, 용도 등에 대해 좀 더 자세히 알아보자.
 
 
원자번호 73번, 탄탈럼
탄탈럼(tantalum)1)은 원자번호 73번의 원소로, 원소기호는 Ta이다. 바나듐(V), 나이오븀(Nb)과 함께 주기율표에서 5족(5B족)에 속하는 전이금속이다. 원자 및 이온의 크기와 화학적 성질들이 나이오븀과 아주 비슷하다. 광택이 나는 은회색을 띠고 밀도가 높으며, 순수한 금속은 무르고 연성이 좋다. 그러나 불순물이 들어가면 단단해지고 부서지기 쉬워진다. 녹는점이 3020oC로 모든 원소 중에서 5번째로 높으며, 열과 전기를 잘 통한다. 산화물 보호피막이 만들어져 내부식성이 아주 크고 대부분의 화학물질에 의해서도 잘 부식되지 않는다. 특히 산에 의해 침식되지 않는데, 150oC이하에서는 왕수(王水, aqua regia)에도 녹지 않는다. 그러나 높은 온도에서는 진한 농도의 강산에 녹는다. 고온이 아니면 산소나 다른 반응성이 큰 원소들과도 반응하지 않는다. 화합물에서 주된 산화상태는 +5이다.
 
전자부품에 쓰이는 원자번호 73번, 탄탈럼
전자부품에 쓰이는 원자번호 73번, 탄탈럼
탄탈럼의 원소 정보
탄탈럼의 원소 정보
 
 
탄탈럼은 지각 무게의 약 1.7ppm(0.00017%)를 차지하는, 대략 50번째로 풍부한 원소이다. 텅스텐(W)보다 약간 흔하고, 비소(As)보다 약간 덜 흔하며, 대부분의 희토류 원소들보다 희귀하다. 탄탈라이트(tantalite), 컬럼바이트(columbite), 콜탄(coltan) 등의 광석에 나이오븀(Nb)과 함께 들어있는데, 이들 광석의 일반적 화학식은 (Fe,Mn)(Ta,Nb)2O6이며, 보통 Ta가 Nb보다 많은 것을 탄탈라이트라 부르고, Nb가 Ta보다 많은 것을 컬럼바이트라 부른다. 콜탄은 이들의 혼합 광석이다. 사마스카이트(samarskite), 퍼거소나이트(fergusonite) 등의 희토류 광석에도 약간씩 들어있기도 한다. 탄탈럼은 주로 탄탈라이트와 콜탄에서 얻는데, 호주가 최대 생산국이며, 모잠비크와 르완다를 비롯한 아프리카 여러 나라에서도 생산된다. 특히 중앙 아프리카에 많은 양의 콜탄이 매장되어있는데, 이것이 약 540만 명을 죽게한 콩고 내전의 자금 줄이 되기도 하였다. 주석 광석에도 소량의 탄탈럼이 들어 있는데, 태국과 말레이시아 등에서는 주석 야금에서 생기는 찌꺼기(slag)에서 탄탈럼을 추출하기도 한다. 2013년의 전세계 탄탈럼 수요는 약 2900톤으로 추정된다.
 
탄탈럼은 약 70%가 전자 부품 제조에 쓰이는데, 대부분이 전해 커패시터(capacitor)2)에 사용되고 일부는 고전력 저항체에 사용된다. 탄탈럼 커패시터는 가격은 비싸나 크기와 무게가 작고 온도 안정성이 높아 휴대전화, PC, 자동차 및 항공기 등의 전자 장치에 많이 사용된다. 또한 탄탈럼은 합금을 만드는데 사용되는데, 이들 합금은 강하고 녹는 점이 높아 항공 산업에서 발전기 터빈 등에 사용되고, 내부식성이 탁월하여 화학공업용 장치와 실험 도구에 사용되며, 생체 적합성이 우수하여 수술도구, 인공 뼈와 치아 임플란트용 나사 등을 만드는데 사용된다. 또 탄화탄탈럼은 굳기가 다이아몬드보다 커서 절삭 도구와 다이스 등의 제작에 사용된다. 한편, 산화물은 굴절율이 커서 카메라 렌즈 유리를 만드는데 사용된다.
 
 
탄탈럼의 발견과 역사
탄탈럼은 1802년에 스웨덴 화학자 에케베리(Anders Gustaf Ekeberg: 1767~1813)에 의해 핀란드산 탄탈라이트와 스웨덴산 이트로탄탈라이트(yttrotantalite)에서 산화물 형태로 분리·발견되었다. 그는 이 산화물이 산과 반응(산을 흡수)하지 않으므로, 지옥의 물속에 들어있으면서도 물을 마시지 못하는 그리스 신화의 탄탈루스(Tantalus)를 연상하여 이를 이루는 금속 원소를 탄탈럼(tantalum)이라 명명하였다.
 
탄탈럼은 한동안 나이오븀과 혼동되었는데 이를 간단히 기술하면 다음과 같다. 탄탈럼이 발견되기 1년 전인 1801년에 영국 화학자 해체트(Charles Hatchett: 1765~1847)는 미국에서 채취된 한 광석에서 새로운 원소의 산화물을 발견하였는데, 그는 이 새로운 원소를 당시 미국(America)의 또 다른 이름이었던 컬럼비아(Columbia)를 따서 컬럼븀(columbium: 현재 이름은 나이오븀)으로, 그리고 광석을 컬럼바이트(columbite)로 명명하였다. 그러나 1809년에 영국 화학자 울러스턴(William Hyde Wollaston: 1766~1828)이 컬럼바이트에서 얻은 산화물(밀도 5.918 g/cm3)과 탄탈라이트에서 얻은 산화물(7.935 g/cm3)을 비교하고는, 밀도에서 차이는 있지만 이들의 화학적 성질이 거의 같은 점을 들어 이들이 동일 물질이라고 결론 짓는 오류를 범하고 원소 이름은 탄탈럼으로 유지하기로 하였다. 울러스턴은 당시 매우 잘 알려진 화학자였기 때문에, 과학계는 그의 주장을 옳다고 믿었다.
 
탄탈럼과 컬럼븀(나이오븀)을 분명하게 구분한 사람은 독일 화학자 로제(Heinrich Rose 1795~1864)이다. 그는 1846년에 컬럼바이트 광석과 탄탈라이트 광석 모두에 두 가지 종류의 금속 원소가 들어있으며, 그 중 하나는 에케베리의 탄탈럼이고 다른 하나는 해체트의 컬럼븀임을 확실하게 보였으며, 컬럼븀을 탄탈루스의 딸의 이름 니오베(Niobe)를 따서 나이오븀(niobium)이라고 새로 명명하였다. 이후 탄탈럼과 나이오븀의 차이점들이 여러 과학자들에 의해 밝혀졌다. 한편 일부 과학자들은 탄탈럼과 나이오븀 혼합물을 새로운 원소로 오인하여 이를 일메늄(ilmenium)이라 부르고 이에 대한 논문을 발표하는 것을 1871년까지 계속하였다.

그리스 신화의 탄탈루스. 17세기 이탈리아 화가 지오아치오 아세레토의 그림.
그리스 신화의 탄탈루스. 17세기 이탈리아 화가 지오아치오 아세레토의 그림.
 
비록 불순한 상태이기는 하나 금속 탄탈럼은 1864년에 스위스 화학자 드 마리낙(Jean Charles Galissard de Marignac, 1817~1894)이 염화탄탈럼(TaCl5)을 수소 기체 하에서 가열하여 처음으로 얻었으며, 연성이 있는 비교적 순수한 금속 탄탈럼은 1903년에 독일 화학자 폰 볼턴(Werner von Bolton: 1868~1912)이 K2[NbF7]를 소듐(Na)으로 환원시켜 처음으로 얻었다. 탄탈럼은 20세기 초반에 백열등 필라멘트 재료로 사용되었으나, 1910년 이후에는 녹는점이 보다 높은 텅스텐(W)으로 대체되었다. 금속 나이오븀도 같은 사람들에 의해 같은 방법으로 얻어졌으며, 이 역시 백열등 필라멘트로 사용되었다.
 
탄탈럼 금속<출처: (cc) Jurii at Wikimedia.org >
탄탈럼 금속<출처: (cc) Jurii at Wikimedia.org>
 
 
물리적 성질
탄탈럼은 광택이 나는 은회색을 띠며, 순수한 경우는 무르고 연성이 좋으나 불순물이 들어가면 단단해지고 부서지기 쉬워진다. α와 β의 두 가지 결정상으로 존재하는데, α상은 체심입방(bcc) 구조를 하고 비교적 연성이 있고 무르며, β상은 정방형(tetragonal) 구조를 하고 단단하며 부서지기 쉽다. 실온에서 β상은 준안정한 상으로, 750~775oC로 가열하면 α상으로 전환된다. 덩어리 형태는 보통 α상이며, 박막으로 만들어진 것은 보통 β상이다. α상은 전기와 열을 잘 통하는데, β상은 α상에 비해 전기 비저항이 10배 이상 높다. 녹는점은 3020oC로, 모든 원소 중에서 탄소(C), 텅스텐(W), 레늄(Re), 오스뮴(Os) 다음으로 높다. 끓는점은 5560oC이다. 나이오븀에 비해, 원자와 이온 반경은 거의 같으나, 원자량은 거의 2배가 되므로 밀도(20oC에서 16.65g/cm3)도 나이오븀의 거의 2배이다.
 
동위원소
탄탈럼은 천연 상태에서 181Ta(99.988%)와 180mTa(0.012%)의 두 가지 동위원소로 존재한다. 181Ta는 안정하다. 180mTa는 유일한 천연 핵 이성질체로, 이의 바닥 상태 180Ta의 반감기는 8.125시간이다. 180mTa는 반감기가 1.2x1015년 이상인 방사성 동위원소로 β- 붕괴를 하고 180W가 되거나, 전자포획을 해서 180Hf가 되기도 하고, α붕괴를 하고 176Lu이 되는 등 여러 경로로 방사성 붕괴를 하는 것으로 여겨진다. 질량수가 155~190사이에 있는 35가지의 인공 방사성 동위원소들이 알려져 있는데, 이들 중 반감기가 긴 것들은 179Ta(반감기 1.82년), 182Ta(반감기 114.43일), 183Ta(반감기 5.1일), 177Ta(반감기 56.56시간)이고, 나머지들은 반감기가 11시간 이내이다. 181Ta보다 가벼운 동위원소들은 주로 전자포획 또는 β+ 붕괴를 하고 하프늄(Hf) 동위원소가 되며, 181Ta보다 무거운 동위원소들은 주로 β- 붕괴를 하고 텅스텐(W) 동위원소가 된다. 질량수가 157~163인 동위원소들은 일부가 α붕괴를 하고 루테튬(Lu) 동위원소가 되기도 하며, 180Ta는 86%가 전자포획을 하고 14%는 β- 붕괴를 한다. 36가지의 인공 핵 이성체들이 확인되었는데, 반감기가 가장 긴 것은 178m1Ta(반감기 2.36시간)이다.
 
 
화학적 성질
탄탈럼의 바닥상태 전자배치. <출처: (CC)Pumbaa at Wikipedia.org >
탄탈럼의 바닥상태 전자배치. <출처: (CC)Pumbaa at Wikipedia.org>

탄탈럼은 같은 족의 나이오븀과 원자 및 이온의 크기가 거의 같고 화학적 성질들도 아주 비슷하다. 내부식성이 가장 뛰어난 금속의 하나인데, 이는 표면에 내부식성이 아주 큰 산화물 보호피막이 만들어지기 때문이다. 가열하지 않는 조건에서는 발연 황산, 플루오르화수소산(HF, 불산), HF/질산 혼합물과만 약간 반응할 뿐, 다른 대부분의 화학 물질과는 반응하지 않는다. 150oC이하에서는 금, 백금 등도 녹이는 왕수(王水, aqua regia: 진한 염산과 질산의 3:1혼합물)에도 녹지 않는다. 그러나 높은 온도에서는 진한 농도의 강산이나 알칼리에 의해 침식되며, 대부분의 비금속 원소들과 반응하여 흔히 틈새형(interstitial) 비화학량론적(화합물에서 원소들 간의 비가 간단한 정수비가 아닌) 화합물을 생성한다. 바닥상태 전자배치는 [Xe]4f145d36s2이며, 화합물에서 주된 산화상태는 +5이나. +4, +3, +2, -1가 상태의 화합물들도 알려져 있다. 산화물로는 +5가의 Ta2O5와 +4가의 TaO2가 있으며, 할로겐화물로는 +5, +4, +3가 상태의 TaX5, TaX4, TaX3들이 알려져 있다.
 
 
탄탈럼의 생산
탄탈럼은 주로 탄탈라이트와 콜탄에서 추출된다. 이들 광석은 탄탈럼과 나이오븀이 함께 들어있는 산화물 광석으로, 이들에서 탄탈럼을 분리∙생산하는 데는 여러 단계의 과정이 필요하다. 채취한 광석을 가루로 만들고 부유 및 강한 자력 선광 과정을 거쳐 농축한 후, 화학적 처리 과정을 통해 다른 광물 성분을 제거하면 오산화탄탈럼(Ta2O5)과 오산화나이오븀(Nb2O5) 의 혼합물이 얻어진다. 이 혼합물을 90oC 이상에서 플루오르화수소산(HF)과 황산의 혼합물로 처리하여 플루오르화 착물들로 전환시킨다.
 
Ta2O5+ 14 HF 2 H2[TaF7] + 5 H2O
Nb2O5+ 10 HF 2 H2[NbOF5] + 3 H2O
 
1866년에 드 마리낙은 플루오르화 착물인 K2TaF7(물에 거의 녹지 않음)와 K2NbOF5(물에 녹음)의 물에 대한 용해도 차이를 이용하여 탄탈럼과 나이오븀을 분리하였으며, 이 방법은 이후에도 오랫동안 사용되어 왔다. 그러나 최근에는 선택적 용매 추출 방법이 보다 흔히 사용된다. 예를 들자면, H2[TaF7]는 묽은 HF용액에서 메틸 아이소뷰틸 케톤(methyl isobutyl ketone)으로 추출되며, 수용액 층의 산성도를 높이면 H2[NbOF5]도 유기 용매 층으로 추출된다. 추출된 H2[TaF7] 용액에 KF를 첨가하여 K2[TaF7]로 침전시키거나, 암모니아를 첨가하여 Ta2O5로 침전시켜 탄탈럼 화합물을 회수하며, 나이오븀도 유사한 방법으로 회수한다.
 
H2[TaF7] + 2 KF K2[TaF7](침전) + 2HF
2 H2[TaF7] + 14 NH4OH Ta2O5(침전) + 14 NH4F + 9 H2O
 
탄탈럼 금속 자체는 정제된 K2[TaF7]를 고온에서 용융시키고 금속 소듐(Na)으로 환원시켜 얻거나, Ta2O5를 탄소 또는 알루미늄으로 환원시켜 얻는다. 또한 Ta2O5를 TaCl5로 변환시킨 후 수소 또는 알칼리 토금속으로 환원시켜 얻기도 한다.
 
K2[TaF7] + 5 Na Ta + 5 NaF + 2 KF
 
이때 얻어지는 탄탈럼 금속은 모두 분말 상태이며, 이 금속 분말을 진공 아크 또는 전자빔 용해로 다시 정제한 후 주괴(ingot)나 다른 여러 금속 생산물로 가공한다.
 
미국 지질조사국 자료에 따르면 2009년 전세계 탄탈럼 생산량은 약 3590톤(약 540톤의 재생 탄탈럼 포함)이고 수요는 약 2490톤으로 추정된다. 연간 4%의 성장률을 감안하면, 2013년의 수요는 약 2900톤일 것으로 추정된다. 호주가 전세계 신규 생산량의 약 25%를 공급하고, 모잠비크, 르완다 등의 아프리카 여러 나라들이 다음으로 많은 양을 공급한다. 2012년 가격은 미화로 kg당 400~500$이었다. 광석 매장량은 약 32만 톤으로, 남미에 약 40%, 호주에 약 20%, 아프리카에 약 16%가 있으며, 중국, 동남아, 러시아, 중동 등에도 제법 많은 양이 매장되어 있는 것으로 추정된다.
 
탄탈라이트 광석. 탄탈럼은 탄탈라이트 등의 광석에 나이오븀과 함께 들어있다. <출처: USGS >
탄탈라이트 광석. 탄탈럼은 탄탈라이트 등의 광석에 나이오븀과 함께 들어있다. <출처: USGS>
 
 
탄탈럼의 응용
탄탈럼의 약 70%는 탄탈럼 커패시터 등의 전자 부품 제조에 사용되며, 약 20%는 내열성 내부식성 합금에 사용되고, 나머지는 화합물로 만들어져 각종 재료로 사용된다.
 
전자 부품
탄탈럼의 약 60% 이상은 커패시터 제조에 사용된다. 탄탈럼 커패시터는 일종의 전해 커패시터(electrolytic capacitor, 전해 콘덴서)로, 탄탈럼 가루를 압축 성형한 것을 하나의 전극으로 사용하며, 이의 표면을 산화시켜 얻은 얇은 산화탄탈럼 피막을 유전체(dielectric, 부도체)로 이용하고, 전해액 또는 전도성 고체(예로 흑연이 첨가된 이산화망가니즈, MnO2)를 또 하나의 전극으로 사용한다. 알루미늄 전해 커패시터에 비해 가격이 비싸나, 보다 얇은 층의 유전체 막이 형성되므로 크기와 무게가 작으며, 온도 안정성이 뛰어난 장점이 있다. 휴대전화, 컴퓨터, 자동차 및 항공기 전자 장치, 군사 장비 등에 요긴하게 사용된다. 또한 탄탈럼과 질화탄탈럼(TaN)은 집적 회로 제작에서 박막 저항체와 확산 장벽으로 이용되며, 고출력 저항체 재료로도 사용된다.
 
금속과 합금
탄탈럼은 녹는점이 높고 강하면서 연성이 있는 합금을 얻는데 사용된다. 탄탈럼이 첨가된 고강도의 내열성 초합금은 항공 산업에서의 발전기 터빈, 원자로, 미사일 부품 등에 사용된다. 또 탄탈럼과 탄탈럼 합금은 화학 물질에 대한 내부식성이 탁월하여 화학공업용 장치와 실험 도구에 사용되는데, 예로 염산, 황산, 질산 등을 다루는 화학 장치와 용기 재료로 사용되며, 란타넘족 원소의 할로겐화물을 환원시켜 란타넘 금속을 얻는데 쓰이는 도가니 등 화학 실험 도구의 제작에도 사용된다. 또한 생체 적합성이 매우 우수하고 인체에 영향을 주지 않기 때문에 수술 도구, 인공 뼈와 치아 임플란트용 나사 등에 널리 사용된다. 탄탈럼은 또한 녹는점이 높고 산화가 잘 되지 않으므로 진공관의 전극과 그리드 등의 재료로 사용되었고, 고온 진공로 내벽을 비롯한 내열 및 내부식성 부품 재료 등으로 사용된다. 또 비중이 크고 단단하여 성형 폭탄 제조에도 사용되며, 고급 시계에도 가끔 사용된다.
 
이들 외에도 여러 탄탈럼 화합물들이 다양한 용도로 요긴하게 사용되는데, 이들에 대해서는 아래 화합물 항에서 소개한다.
 
탄탈럼 탄의 검토
탄탈럼은 한 때 핵폭탄을 감싸는(salting) 물질로 사용하고자 이론적으로 검토된 것으로 알려져 있다. 이는 핵폭탄을 탄탈럼으로 감싸면 핵폭탄에서 생성되는 중성자가 이를 감싸고 있는 181Ta와 반응하게 되고, 이때 높은 에너지의 감마선을 내며 반감기가 114.4일인 182Ta가 생성되기 때문에 큰 에너지의 방사선 낙진이 넓은 지역에서 몇 달 동안에 걸쳐 나오도록 한다는 개념이다. 그러나 이론적으로만 검토되었을 뿐 실제로 만들어지거나 사용되지는 않았으며, 실전에 사용한 경우는 더욱 없다. 보다 잘 알려진 코발트(Co)로 감싸는 코발트 탄의 경우에도 이론적으로만 검토되었다고 알려져 있다.
 
탄탈럼 커패시터. 탄탈럼의 주된 용도는 탄탈럼 커패시터를 만드는 것인데, 이는 휴대폰, 컴퓨터, 자동차 및 항공기 전자 장치 등에 사용된다. <출처: (cc) Elcap, Jens Both. Original uploader was Elcap at de.wikipedia >
탄탈럼 커패시터. 탄탈럼의 주된 용도는 탄탈럼 커패시터를 만드는 것인데, 이는 휴대폰, 컴퓨터, 자동차 및 항공기 전자 장치 등에 사용된다. <출처: (cc) Elcap, Jens Both. Original uploader was Elcap at de.wikipedia>
 
 
탄탈럼 화합물
탄탈럼은 주로 +5가 상태의 화합물을 만드나, +4, +3, +2, -1가 상태의 화합물들도 알려져 있다. 산화물, 할로겐화물 등이 중요하고 흔히 사용되며, 기타 여러 이성분 화합물들도 유용하게 사용된다.
 
산화물
탄탈럼의 산화물에는 오산화탄탈럼(Ta2O5, 산화탄탈럼(V))과 이산화탄탈럼(TaO2)이 있다. Ta2O5는 흔히 산화탄탈럼으로 불리며, 탄탈럼 광석에서 탄탈럼을 생산할 때 얻어지는 주요 중간체이다. 흰색의 고체로, 굴절률(2.275)이 높으며 1470oC이상에서는 분해한다. 물에 녹지 않으며, 대부분의 산에도 녹지 않으나, 뜨거운 진한 HF에는 녹는다. 염기성 수산화물 용액에 녹아 탄탈산염(예로 LiTaO3, YTaO4)이 된다. LiTaO3는 통신 시스템에서 표면 탄성파 필터로 사용되고, YTaO4는 영상 진단 장치에서 X-선을 증폭시키는데 사용된다. Ta2O5는 카메라 렌즈용 고굴절 유리를 만드는데 사용되며, 금속 탄탈럼을 전기분해시켜 생성된 Ta2O5박막은 탄탈럼 전해 커패시터의 유전체로 작용한다. 그리고 근자외선에서 적외선에 걸친 빛을 거의 흡수하는 코팅 재료로도 사용된다. 한편, 또 다른 산화물인TaO2는 Ta2O5를 칼슘이나 알루미늄과 같은 금속 환원제 등으로 환원시키면 생성되나, 특성과 용도는 잘 알려져 있지 않다.
 
할로겐화물
탄탈럼은 산화상태가 +5, +4, +3인 할로겐화물 TaX5, TaX4(TaF4제외), TaX3(TaI3제외) 들이 알려져 있다. 오할로겐화물(TaX5)들은 가열된 Ta금속과 할로겐 원소 사이의 직접 반응으로 만들 수 있다. 이들은 모두 휘발성이 비교적 크고 물에 의해 가수분해된다. TaF5는 녹는점이 97oC(끓는점은 229oC)인 흰색 고체로 사합체로 존재한다. TaCl5는 고압에서 Ta2O5를 CCl4와 반응시켜 얻을 수도 있는데, 녹는점이 216oC(끓는점은239oC)인 흰색 고체로 이합체로 존재한다. 물에 의해 가수분해되어 TaOCl3가 되며, 고온에서 Ta와 반응하여 TaCl4를 생성한다. 알코올, 에테르, CCl4등의 유기용매에 녹으며, 여러 루이스 염기들과 첨가 화합물을 만들고, 프리델-크라프트(Friedel-Craft) 형 반응의 촉매로 작용할 수 있다. TaCl5는 또한 여러 탄탈럼 화합물을 만드는 출발물질로, 그리고 화학 증착(chemical vapor deposition, CVD) 방법으로 Ta 또는 Ta2O5박막을 만드는 전구물질로도 사용된다. TaBr5는 녹는점이 265oC(끓는점은 349oC)인 노란색 고체로 이합체로 존재하며, TaI5는 녹는점이 496oC(끓는점은 543oC)인 갈색 고체이다. 사할로겐화물(TaX4)은 TaX5를 환원시켜 얻으며, 사슬 구조를 하고, 쉽게 가수분해된다. 삼할로겐화물(TaX3)은 TaX5를 수소 환원 또는 열 분해시켜 얻는다.
 
기타 화합물
여러 유기-금속 탄탈럼 화합물들이 합성되었는데, 이들은 주로 탄탈럼 또는 Ta2O5박막 형성의 전구물질로 사용된다. 예로 탄탈럼 에톡사이드(Ta(OEt)5)는 TaCl5에서 얻는데, 다양한 방법으로 Ta2O5박막을 만드는 전구물질로 널리 사용된다. 이의 반응식들을 보이면 다음과 같다.
 
5 EtOH + TaCl5+ 5 NH3 Ta(OEt)5+ 5 NH4Cl (Et = C2H5)
2 Ta(OEt)5+ 30 O2 Ta2O5+ 20 CO2+ 25 H2O
 
탄화탄탈럼(TaCx)은 진공 또는 비활성 기체 하에서 탄탈럼과 흑연 가루를 함께 가열하거나, Ta2O5를 탄소로 환원시켜 얻는데, 녹는점(3880oC)이 이성분 화합물 중에서는 가장 높다. 단단한(그러나 부서지기 쉬운) 내화물로, 임계온도가 10.35K인 초전도체이다. 다이아몬드보다 단단하여 절삭공구와 다이스(dies)에 널리 사용되는데, 가끔 탄화텅스텐(WC)에 첨가해서 사용되기도 한다. 질화탄탈럼(TaN)은 녹는점이 3090oC인 또 다른 탄탈럼 화합물 내화물이다. 구리와 화합물을 형성하지 않아 구리 등의 금속에 내열성 산화물 부도체를 접착시키는데 쓰이며, 집적회로 제작에서 실리콘 위에 박막으로 입혀 박막 저항체를 형성하는데도 쓰이고, 기타 전자 부품 제조에도 사용된다. 이황화탄탈럼(TaS2)은 녹는점이 3000oC이며, 고체 윤활제로 흑연처럼 사용할 수 있다.
 
탄탈럼은 인체에 영향이 없고 생체 적합성이 뛰어나 인공 뼈와 치아 임플란트 나사 등으로 사용된다. <출처: (cc) jbessade at Wikimedia.org >
탄탈럼은 인체에 영향이 없고 생체 적합성이 뛰어나 인공 뼈와 치아 임플란트 나사 등으로 사용된다. <출처: (cc) jbessade at Wikimedia.org>
 
 
생물학적 역할과 독성
탄탈럼의 생물학적 역할은 알려진 바가 없으며, 독성도 없는 것으로 알려져 있다. 쥐에 산화 탄탈럼을 먹여도 체내에서 흡수되지 않고 아무런 영향을 미치지 않은 것으로 보고 되었다. 그러나 182Ta를 주사한 경우는 뼈와 신장에 농축되는 것이 관찰되었다. 탄탈럼과 탄탈럼 화합물이 피부 발진을 일으키는 경우가 몇 건 보고되었다.
 
 
 
  1. txt_number1_b.gif 수치로 보는 탄탈럼
    탄탈럼의 표준원자량은 180.9479g/mol이다. 원자의 바닥 상태 전자배치는 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p64f145d36s2([Xe]4f145d36s2)이며, 화합물에서는 주로 +5의 산화상태를 갖는다. 지각 무게의 약 1.7ppm(0.00017%)를 차지하는, 대략 50번째로 풍부한 원소이다. 1기압에서 녹는점은 모든 원소 중에서 5번째로 높은 약 3020oC이고, 끓는점은 5560oC이며, 20oC에서의 밀도는 16.65g/cm3이다. α와 β의 두 가지 결정상으로 존재하는데, α가 보다 안정하다. α의 20oC 전기 비저항은 131nΩ·m이고 β의 전기 비저항은 1700~2100nΩ·m이다. 첫 번째와 두 번째 이온화 에너지는 각각 761kJ/mol와 1500kJ/mol이며, 폴링의 전기음성도는 1.5이다. 원자 반경은 146pm이고, 6배위된 Ta5+의 이온 반경은 64pm인데, 이는 나이오븀의 원자 및 이온반경과 거의 같다. 천연 상태에서는 안정한 핵 종인 181Ta로 99.988% 존재하고, 나머지는 방사선 동위원소의 핵 이성체인 180mTa로 존재한다.
  2. txt_number2_b.gif 커패시터(capacitor)
    콘덴서(condenser) 또는 축전기로도 불리는 전기·전자 부품의 하나이다. 보통 두 개의 도체 사이에 얇은 유전체(부도체)를 끼어 넣은 구조를 하며, 이 때의 축전용량(capacitance) C는 C=εA/d (ε은 유전체의 유전상수, A는 도체의 면적, d는 유전체의 두께)가 된다. 도체 사이에 전압 V을 걸면 표면에 전하 Q가 축적되는데, Q=CV의 관계가 있다. 전자 회로에서 에너지를 저장하거나, 직류를 차단하고 교류를 통과시키는 필터 등의 역할을 한다. 전해 커패시터(electrolytic capacitor)는 금속박에 전기화학적으로 산화물 피막을 만들고, 금속 박을 양극(anode), 산화물 피막을 유전체, 그리고 전해액을 음극(cathode)으로 한 것으로, 금속박은 알루미늄 또는 탄탈럼을 주로 사용한다.
 
 
글 박준우 / 이화여대 명예교수(화학)
서울대학교 화학과를 졸업하고 템플대학교에서 박사학위를 받았다. 오랫동안 이화여대에서 화학을 연구하고 가르쳤다. 저서로 [인간과 사회와 함께한 과학기술 발전의 발자취]와 [아나스타스가 들려주는 녹색화학 이야기] 등이 있고, 역서로 [젊은 과학도에 드리는 조언] 등이 있다.
발행일  2013.02


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