원소로 보는 화학사 Vol. 028. ‘원자번호 21번 스칸듐(Sc)을 소개합니다’

지난번 ‘원소로 보는 화학사’에서는 비활성 기체 중 아주 희귀하고 가장 반응성이 큰 화학원소인 제논에 대해 소개해드렸습니다. 대기의 존재량이 0.00001%에 불과해 ‘낯선’, ‘외계의’라는 뜻의 그리스어로 붙여진 원소명이었죠. 제논은 매우 밝은 빛을 내기 때문에 램프와 레이저에 사용된다고 소개해드렸는데요. 이어서 오늘 소개해 드릴 원소 스칸듐(Sc)도 태양처럼 밝은 빛을 내는 원소로 알려져 있습니다.

원자번호 21번 ‘스칸듐’을 소개합니다!

사진출처: (CC)Alchemist-hp at Wikipedia.org

오늘날 스칸듐은 토르트바이타이트 광물 등에서 추출하며, 우라늄과 텅스텐을 정제하는 과정에서 나오는 부산물을 모아 만들기도 합니다. 그러나 스칸듐은 광물로부터 뽑아내 금속 상태로 만들기도 어렵고 그 생산량도 매우 적습니다. 물론, 우크라이나, 중국, 러시아에 몇몇 광산이 있긴 하지만 전체 연간 생산량이 10~15t에 불과합니다. 그러다 보니 값이 굉장히 비싼데요. 같은 무게의 금보다 무려 3~5배가량 비싸다고 합니다. 이렇게 스칸듐은 그 존재량 자체가 적기 때문에 용도에 한계가 따르는 원소 중 하나입니다.

‘스칸듐’이 발견되기까지의 과정, 그리고 원소명의 유래

희토류의 첫 번째 원소인 스칸듐은 스웨덴 화학자 라르스 프레드리크 닐손(Lars Fredrik Nilson, 1840.5.27 ~ 1899.5.14)이 복잡한 혼합산화물인 가돌리나이트에서 추출했습니다. 하지만 그 당시 스칸듐의 정체를 바로 알지는 못했고, 이후 닐손의 동료인 스웨덴 화학자 클레베(Per Theodor Cleve, 1840.2.10. ~ 1905.6.18.)가 스칸듐이 기존의 원소 스펙트럼과 일치하지 않는다는 것을 알아채고 그것이 새로운 원소라는 사실을 깨닫게 되면서 스칸듐의 정체가 밝혀지게 되었습니다.

그 이후 화학적 성질을 더욱 깊이 연구하여 이 원소가 러시아 화학자 드미트리 멘델레예프(Dmitri Mendeleev, 1834.2.8 ~ 1907.2.2)가 예언했던 에카-붕소라는 것을 알게 된 것인데요. 멘델레예프는 1869년에 최초의 주기율표를 출판하면서 아직 발견되지 않은 원소들이 들어갈 자리라고 예측된 여러 개의 빈칸을 남겨두었습니다.

‘스칸듐’이라는 원소명은 광석이 스칸디나비아 반도에 있는 노르웨이에서만 발굴된다고 하여 스칸디나비아의 라틴어명인 ‘Scandia’에서 유래된 것으로 알려져 있습니다.

‘스칸듐’은 어디에 사용될까요?

고광도 조명

앞서 소개해드린 것처럼 스칸듐은 존재량이 적고 비싸기 때문에 용도가 한정되어 있습니다. 스칸듐은 태양처럼 밝은 조명을 만드는 데 쓰이는 원소로, 스칸듐의 용도 중 하나는 휘도가 높고 전력을 아낄 수 있는 메탈할라이드램프에 스칸듐의 할로겐화물을 사용하는 것입니다.

요오드화스칸듐을 수은등의 광원에 첨가하면 밝기가 강해지기 때문에 강한 빛을 내야 하는 야구장과 같은 야외경기장 등의 야간조명에 많이 사용합니다. 또한, 전시물이나 영화촬영용, 식물재배용 조명에도 사용합니다. 특히, 야구장이나 경기장에 있는 조명은 어두운 밤인데도 불구하고 경기를 하는데 아무런 문제가 없을 정도로 신기하리만큼 밝습니다.

그 밖의 다양한 용도

스칸듐이 공식적으로 발견되기 전 멘델레예프의 주기율에 의해 ‘에카-붕소’라는 개념으로 불린 이유는 붕소와 비슷한 특성을 가졌을 것이라 예상했기 때문입니다. 실제로 스칸듐은 붕소족 원소와 잘 맞습니다. 붕소족 금속인 알루미늄에 스칸듐을 합금하면 알루미늄이 더 강해지고 탄력이 생기며, 심지어 더 가벼워집니다. 이런 스칸듐-알루미늄 합금은 우주선, 전투기, 총기, 경주용 자전거 등 다양한 곳에 사용됩니다. 이 외에도 스칸듐은 발아촉진제로도 쓰이는데요. 종자를 황산스칸듐의 희석액으로 처리하면 밀가루, 콩류, 옥수수 등의 발아율이 높아집니다.

오늘은 태양처럼 밝은 빛을 내는 원소로 잘 알려져 있는 스칸듐(Sc)에 대해 소개해드렸습니다. 스칸듐은 그 존재가 예언된 지 10년 만에 발견된 원소이고, 존재량이 적어 용도에 한계가 있다는 사실을 새롭게 알게 되셨죠? 다음 ‘원소로 보는 화학사’에서는 광택이 좋고 녹슬지 않는 철, 크롬(Cr)에 숨겨진 재미있는 화학이야기를 들려드릴게요! 많이 기대해주세요~

<내용 출처> 누구나 쉽게 배우는 원소 (그림으로 배우는 118종 원소 이야기) / 원소의 세계사 (주기율표에 숨겨진 기상천외하고 유쾌한 비밀들) /원소가 뭐길래 (일상 속 흥미진진한 화학 이야기) / Big Questions 118 원소 (사진으로 공감하는 원소의 모든 것)