란타넘족 원소(희토류 원소)
란타넘족은 란타넘(57)부터 루테튬(71)까지의 15개 금속 원소입니다. 이들은 6주기에 속하지만 주기율표 본체 아래의 별도 행에 표시되며, 악티늄족과 함께 내부 전이 금속 또는 f-블록 원소라고 부릅니다. 스칸듐과 이트륨까지 합치면 란타넘족은 17개 희토류 원소를 이룹니다.
4f 부껍질 채우기
란타넘족에서는 전자가 4f 부껍질에 차례로 채워집니다. 4f 부껍질은 5s와 5p 전자보다 안쪽, 원자 깊숙한 곳에 있습니다. 많은 란타넘족 원소는 네오디뮴([Xe] 4f⁴ 6s²)처럼 [Xe] 4fⁿ 6s² 배치를 가집니다. 란타넘([Xe] 5d¹ 6s²)은 아직 4f 전자가 없고, 루테튬([Xe] 4f¹⁴ 5d¹ 6s²)은 4f 부껍질이 가득 차 있습니다.
15개를 모두 주기율표 본체에 넣으면 폭이 32칸이 되기 때문에 따로 떼어 인쇄합니다. 이트륨 아래의 3족에 란타넘이 속하는지 루테튬이 속하는지는 화학자들 사이에서 여전히 논쟁 중이며, 이 사이트에서는 둘 다 란타넘족 행에 표시합니다.
성질과 반응
란타넘족은 부드럽고 은백색을 띠며 공기 중에서 광택을 잃는 금속입니다. 찬물과는 천천히, 뜨거운 물과는 더 빠르게 반응하여 수소를 내놓습니다: 2La + 6H₂O → 2La(OH)₃ + 3H₂. 깊숙이 묻힌 4f 전자는 결합에 거의 참여하지 않기 때문에 거의 모든 란타넘족 원소가 3+ 이온을 만들고 화학적 성질이 매우 비슷합니다. 다만 세륨은 +4도 될 수 있고, 유로퓸과 이터븀은 +2가 될 수 있습니다.
쌍을 이루지 않은 4f 전자 덕분에 많은 란타넘족 이온은 강한 자성과 선명하고 순수한 색의 빛을 냅니다. 프로메튬은 안정한 동위 원소가 없는 유일한 란타넘족 원소이며, 자연에는 거의 존재하지 않습니다.
란타넘 수축
란타넘에서 루테튬으로 갈수록 3+ 이온의 크기는 꾸준히 줄어듭니다. 양성자가 하나씩 늘어날 때마다 전자를 더 세게 끌어당기는 반면, 4f 전자들은 서로를 잘 가려 주지 못하기 때문입니다. 화학자들은 이 작은 크기 차이를 이용해 란타넘족 원소를 분리합니다. 이 수축은 하프늄을 비롯한 6주기 전이 금속이 바로 위 주기의 금속과 크기가 거의 같은 이유도 설명해 줍니다.
희귀하지만 쓸모 있는 원소
이름과 달리 대부분의 희토류는 특별히 희귀하지 않습니다. 세륨은 지구 지각에 구리만큼 흔합니다. 이들은 모나자이트나 바스트네사이트 같은 광물에 섞여 있으며 분리하기가 어렵습니다.
네오디뮴-철-붕소 자석은 현재 가장 강력한 영구 자석으로, 전기 자동차 모터, 풍력 터빈, 헤드폰, 하드 드라이브에 쓰입니다. 유로퓸과 터븀은 화면과 조명에서 붉은빛과 초록빛을 내고, 어븀은 광섬유 케이블에서 신호를 증폭하며, 가돌리늄은 MRI 촬영의 조영제이고, 산화 세륨은 유리를 연마합니다. 란타넘은 카메라 렌즈와 니켈-수소 축전지에 들어갑니다.
이 족의 원소
| 57 | 란타넘 | La | 138.91 | [Xe] 5d1 6s2 | +3 | 고체 |
| 58 | 세륨 | Ce | 140.12 | [Xe] 4f1 5d1 6s2 | +3, +4 | 고체 |
| 59 | 프라세오디뮴 | Pr | 140.91 | [Xe] 4f3 6s2 | +3 | 고체 |
| 60 | 네오디뮴 | Nd | 144.24 | [Xe] 4f4 6s2 | +3 | 고체 |
| 61 | 프로메튬 | Pm | 145 | [Xe] 4f5 6s2 | +3 | 고체 |
| 62 | 사마륨 | Sm | 150.36 | [Xe] 4f6 6s2 | +2, +3 | 고체 |
| 63 | 유로퓸 | Eu | 151.96 | [Xe] 4f7 6s2 | +2, +3 | 고체 |
| 64 | 가돌리늄 | Gd | 157.25 | [Xe] 4f7 5d1 6s2 | +3 | 고체 |
| 65 | 터븀 | Tb | 158.93 | [Xe] 4f9 6s2 | +3 | 고체 |
| 66 | 디스프로슘 | Dy | 162.5 | [Xe] 4f10 6s2 | +3 | 고체 |
| 67 | 홀뮴 | Ho | 164.93 | [Xe] 4f11 6s2 | +3 | 고체 |
| 68 | 어븀 | Er | 167.26 | [Xe] 4f12 6s2 | +3 | 고체 |
| 69 | 툴륨 | Tm | 168.93 | [Xe] 4f13 6s2 | +3 | 고체 |
| 70 | 이터븀 | Yb | 173.05 | [Xe] 4f14 6s2 | +2, +3 | 고체 |
| 71 | 루테튬 | Lu | 174.97 | [Xe] 4f14 5d1 6s2 | +3 | 고체 |