란타넘족과 악티늄족은 왜 주기율표 아래에 있을까요?

원래 있어야 할 자리

6주기의 원자 번호를 따라가 봅시다. 세슘(55), 바륨(56) 다음에 하프늄(72)으로 건너뜁니다. 란타넘(57)부터 루테튬(71)까지 15개의 원소가 그 틈을 채웁니다. 7주기도 라듐(88)과 러더포듐(104) 사이에 같은 틈이 있으며, 악티늄(89)부터 로렌슘(103)까지 15개의 원소가 이를 채웁니다.

많은 표에서는 3족의 해당 자리에 57–71 또는 89–103이라고 적은 표시 칸을 둡니다. 두 행을 제자리로 밀어 넣으면 6주기와 7주기에는 각각 원소가 32개 들어가고, 표는 18열이 아니라 32열이 됩니다. 이렇게 넓은 배치를 장주기형 또는 32열 주기율표라고 합니다.

f 블록

란타넘족과 악티늄족은 f 블록을 이룹니다. 이 행들을 따라가면 전자는 주로 가장 바깥쪽 껍질보다 두 껍질 안쪽의 f 부껍질에 채워집니다. 란타넘족은 4f, 악티늄족은 5f입니다. f 부껍질에는 전자가 14개 들어가므로 f 블록의 너비는 14열입니다.

각 행에는 f 블록의 14열보다 하나 많은 15개의 원소가 나열됩니다. 란타넘과 루테튬이 모두 란타넘족으로 간주되고 악티늄과 로렌슘이 모두 악티늄족으로 간주되지만, 각 쌍에서 하나만 실제로 3족에 속하기 때문입니다. 어느 쪽이 3족에 속해야 하는지는 화학자들 사이에서 여전히 논쟁 중입니다.

추가되는 전자가 원자 매우 깊숙한 곳에 있기 때문에 한 행을 따라가도 가장 바깥쪽 전자는 거의 변하지 않습니다. 모든 란타넘족 원소는 6s²로 끝나며, 예를 들어 네오디뮴은 [Xe] 4f⁴ 6s²입니다. 그래서 란타넘족 원소들은 화학적으로 서로 매우 비슷하고 분리하기도 매우 어렵습니다.

란타넘족

란타넘족은 스칸듐, 이트륨과 함께 희토류 원소라고 불리는 경우가 많습니다. 이름과 달리 대부분은 지각에서 특별히 드물지 않고, 단지 널리 흩어져 있어 서로 분리하기 어려울 뿐입니다.

대부분 무르고 은백색인 금속이며 보통 +3 이온을 만듭니다. 현대 기술에 꼭 필요한 것이 많습니다. 네오디뮴은 모터, 헤드폰, 풍력 터빈에 쓰이는 강한 영구 자석에, 사마륨은 내열성이 좋은 사마륨–코발트 자석에, 유로퓸은 화면과 램프의 형광체에, 가돌리늄은 MRI 검사의 조영제에 쓰입니다. 이 계열을 따라가며 원자는 조금씩 작아지는데, 이 사이트의 데이터로 란타넘은 240 pm에서 루테튬은 221 pm이며, 이 효과를 란타넘족 수축이라고 합니다.

악티늄족

악티늄족은 모두 방사성입니다. 자연에 많은 양이 존재하는 것은 토륨과 우라늄뿐입니다. 악티늄과 프로트악티늄은 우라늄과 토륨 광석에 극미량 존재하고, 넵투늄과 플루토늄도 극미량 존재하지만, 우라늄 이후의 원소는 거의 모두 원자로나 입자 가속기에서 만들어집니다.

우라늄과 플루토늄은 원자력의 연료이며, 아메리슘-241은 많은 가정용 연기 감지기에 쓰입니다. 악티늄족은 란타넘족보다 다양한 전하를 나타냅니다. 예를 들어 우라늄은 +3, +4, +5, +6이 될 수 있습니다. 노벨륨과 로렌슘 같은 가장 무거운 악티늄족 원소는 아주 적은 양만 만들어진 적이 있습니다.

표에서 읽는 방법

란타넘족이나 악티늄족 원소를 찾아볼 때는 아래 행에 인쇄되어 있더라도 주기가 6 또는 7이라는 점을 기억하세요. 네오디뮴(60)은 6주기이고, 우라늄(92)은 7주기입니다. 많은 표에서는 f 블록의 열이 번호가 매겨진 18개 족에 속하지 않기 때문에 이 원소들의 족 번호를 비워 둡니다.

범위를 빠르게 기억하는 방법이 있습니다. 란타넘족 행은 바륨(56) 바로 다음에서, 악티늄족 행은 라듐(88) 바로 다음에서 시작합니다. 이 둘은 각 열의 맨 아래에 있는 2족 금속입니다.