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73Ta 탄탈럼 / 탄탈 Tantalum |
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| 분류 | 전이 원소 | 상태 | 고체 |
| 원자량 | 180.94788 | 밀도 | 16.69 g/cm3 |
| 녹는점 | 3017 °C | 끓는점 | 5458 °C |
| 용융열 | 36.57 kJ/mol | 증발열 | 753 kJ/mol |
| 원자가 | 5 | 이온화에너지 | 761, 1500 kJ/mol |
| 전기음성도 | 1.5 | 전자친화도 | 31 kJ/mol |
| 발견 | A. G. Ekeberg (1802) | ||
| CAS 등록번호 | 7440-25-7 | ||
| 이전 원소 | 하프늄(Hf) | 다음 원소 | 텅스텐(W) |
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1. 개요
주기율표 5족에 속하는 전이 원소로서, 1802년 스웨덴의 에케베리가 발견한 강회색의 단단한 금속이다. 전성(展性)과 연성(延性)이 풍부하고, 철과의 합금은 인장강도가 크며, 내산성이 좋아 화학공업용 내산제(耐酸劑)의 재료로 쓰인다.1802년 스웨덴의 에케베리가 핀란드의 키미트 및 스웨덴의 이테르비에서 발견된 새로운 광석 속에서 발견하여, 산화물이 과잉의 산에 의해서도 침식되지 않는 데서[1], 지옥에서 언제나 배고프고 목마른[2] 형벌을 받고 있는 그리스신화의 탄탈로스[3]를 연상하여 탄탈럼이라고 명명하였다. 강회색의 단단한 금속으로, 전성(展性) 및 연성(延性)이 풍부하고, 철과의 합금은 인장강도가 크다. 공기 중에서 잘 산화되지 않으며, 플루오린화수소산 외의 산에는 녹지 않는다. 융해알칼리에는 녹는다. 항상 나이오븀과 공존한다. 주요 산지는 오스트레일리아 서부, 브라질 동부, 콩고민주공화국[4] 등이다. 분쟁지역인 콩고 등에서 주로 산출되고 또 그 매장량 비중이 크고 또 탄탈럼 컨덴서는 산업계에 광범위하게 이용되기 때문에 대표적인 분쟁광물이다.
탄탈럼은 늘 나이오븀과 같이 존재하므로 이들이 함유된 광물은 나이오븀을 미국에서 부르던 이름인 '콜롬븀'과 탄탈럼의 첫부분을 합하여 '콜탄'이라 불린다.
2. 설명
광석을 알칼리융해하여 탄탈럼산염으로서 추출하고, 산으로 분해하여 탄탈럼산으로 만드는데, 항상 나이오븀이 혼입하므로 플루오린착염(錯鹽)으로서 분별결정에 의해 나이오븀과 분리시키고, 전기분해하여 환원시켜서 금속을 얻는다.경도나 녹는 온도나 비중이나 바로 이웃인 텅스텐과 비슷하게 매우 단단하고 고온에서도 잘 견디고 부식에도 강한 무거운 금속이어서 철갑탄의 관통자 탄자나 초경도 공구 등 텅스텐과 비슷하게 쓸 수 있지만 텅스텐보다 비싸기 때문에 대부분 텅스텐을 쓴다.
내산성이 좋기 때문에 화학공업용 내산제(耐酸劑)의 재료로서 사용되고[5], 녹는점이 2996℃으로 텅스텐만큼 높은지라 탄탈럼- 텅스텐 합금은 적열(赤熱)해도 탄성을 잃지 않으며, 탄화탄탈럼은 굳기가 커서 다이스 등 공구에 사용된다. 진공관·레이더용 전자관 등의 재료로도 사용된다. 특히 고온에 강해 진공관 전극으로도 쓰지만 진공관에 잔류하는 산소나 질소와 결합해서 고도의 진공을 유지하는 getter로도 쓰인다.
전해 캐패시터[6]로도 쓰인다. 탄탈을 소결시키면 미세한 분말에 아주 얇은 산화탄탈 막을 형성하는데 절연성능이 좋고 유전율이 높은 고유전체이므로 부피에 비해 매우 우수한 콘덴서를 만들 수 있다. 탄탈을 이용한 캐패시터는 일반적인 캐패시터의 약 1/60의 크기로 똑같은 성능을 낼 수 있다. 휴대폰을 위시한 소형 첨단 전자기기(MP3 플레이어, 태블릿 등)[7]에 SMD형 탄탈 캐패시터는 필수불가결한 것으로, 소형 첨단 전자기기에 보급에 탄탈은 커다란 이바지를 한 것이다. 하지만 소형 첨단 전자기기의 급속한 보급으로 탄탈의 값이 치솟았기 때문에 지금은 저렴한 나이오븀 캐패시터에 대한 연구가 행해지고 있다.
이런 전자재료로서 우수한 성질을 가지고 있지만 공급이 크게 달리고 광물인 콜탄이 콩고공화국 같은 분쟁지역에서 많이 나기 때문에 대표적인 분쟁광물이다. 2000년대에 들어, 1년새 탄탈의 값이 약 10배나 뛰었는데, 이것은 핸드폰의 급속한 보급에 기인한다.
2019년 총 채굴량은 1800톤이었으며, 콩고 공화국에서 710톤, 르완다에서 600톤, 나이지리아에서 150톤, 중국에서 120톤이 채굴되었다.
동위원소 180mTa는 유일한 안정[8] 핵 이성질체인 동시에 가장 희귀한 안정 동위원소이다. 반면 바닥 상태의 180Ta는 불안정하다.(반감기 6시간)
3. 기타
폴란드군의 돌격소총 FB 탄탈은 이 광물의 이름에서 따왔다. 자세한 것은 항목 참조.
[1]
광석에서 탄탈이 발견되기까지 오랜 시간, 화학자들이 탄탈로스처럼 개고생을 했기 때문이라고도 한다. 나이오븀과 성질이 극히 비슷하기 때문에 분리해내기 힘들기 때문.
[2]
늪 속에 목까지 잠겨 있게 하고 머리 위에는 익은 과일이 열려 있는 나뭇가지가 늘어져 있으나, 손을 뻗쳐 과일을 따려고 하면 나뭇가지는 위로 올라가고, 물을 마시려고 하면 물이 입 아래로 내려가, 영원한 굶주림과 갈증으로 고통을 받고 있다고 한다.
[3]
그리스 신화의 주신 제우스의 아들로, 부유한 왕이었으나 신들의 음식 암브로시아를 훔쳐 인간에게 먹여서 벌을 받게 되었다. 일설에는 신들의 지혜를 시험해 보려고 자기의 아들 펠롭스를 죽여 신들의 식탁에 바쳤기 때문이라고도 한다. 탄탈로스의 딸이 바로 자식 자랑했다 자식이 다 죽어버린 니오베(나이오븀의 어원) 항상 딸과 공존하는 아버지?!
[4]
왜 강조가 되었는지 자세한 내용은 해당항목 참조
[5]
얼마나 좋은가 하면 100℃이하에서는 왕수에도 꿈쩍하지 않는다
[6]
흔히 콘덴서 라고 부르는것 맞다.
[7]
소형 첨단 전자기기로 서술한 이유는 TV, 컴퓨터, 냉장고, 탁상용 카세트 등 비교적 덩치가 큰 전자기기는 SMD형 전해 콘덴서가 필수는 아니기에 일반적인 알루미늄 전해 콘덴서가 쓰이는 제품이기 때문이다. 다만 이들 대형 가전제품도 2000년대 이후에는 기능 첨단화로 회로집적도가 높아지면서 탄탈 콘덴서를 혼용하는 추세이긴 하다. 휴대용 라디오도 소니, 파나소닉의 일부 포켓탑 기종을 제외하고는 일반 알루미늄 전해 콘덴서를 쓴다.
[8]
엄밀히는 관측상 안정(observationally stable)하나, 이론상의(실제로 붕괴가 관측된 적도 없다(!)) 최소 반감기가 1015년으로서 우주의 나이보다도 훨씬 길기 때문에, 사실상 안정한 원소로 취급된다. 붕괴하면 나올 것으로 예측되는 동위체들도 자기 자신의 바닥 상태(이성질핵 전이로 형성) 빼면 죄다 사실상 안정한 원소인지라... (알파 붕괴로 176Lu(반감기 약 377억년, 베타 마이너스 붕괴로 176Hf나 전자 포획으로 176Yb로 붕괴), 전자 포획으로 180Hf(안정, 이론상 알파 붕괴로 176Yb로 붕괴 가능성 존재), 베타 마이너스 붕괴로 180W(반감기 약 180경년, 176Hf로 알파 붕괴))
이 원소도 마찬가지.