캘리포늄

'''캘리포늄'''(←) 또는 '''칼리포르늄'''(←)은 화학 원소로 기호는 '''Cf'''(←), 원자 번호는 98이다. 캘리포늄은 1950년 캘리포니아 대학교 버클리에서 퀴륨(Cm)에 알파 입자를 충돌시켜 처음으로 합성하였다. 악티늄족에 속하며 6번째로 합성된 초우라늄 원소이다. 또한 육안으로 보일 만큼 원소 샘플이 모아진 원소 중에서 두번째로 원자량이 큰 원소이다(아인슈타이늄 다음으로). 이름은 캘리포니아 주 와 캘리포니아 대학교에서 유래하였다.
캘리포늄은 보통의 압력에서 900 °C를 경계로 두가지의 결정 구조를 지니며 고압에서 또 다른 세번째 구조를 이룬다. 캘리포늄은 상온에서 느리게 광택을 잃는다. 화합물에서는 주로 캘리포늄(III)의 산화수를 가진다. 20개의 발견된 동위원소 중에서 캘리포늄-251이 898년의 반감기로 가장 안정하다. 이런 짧은 반감기는 이 원소가 지각에서 그리 눈에 띄일 만한 양이 발견되지 않는다는 것을 의미한다. 캘리포늄-252는 반감기가 2.645년으로 이용되고 만들어지는 가장 일반적인 동위원소이다.
캘리포늄은 초우라늄 원소 중 실질적으로 이용되는 몇 안되는 원소들 중 하나이다. 대부분 캘리포늄의 농도는 캘리포늄 동위원소들의 중성자를 방출하는 성질을 이용한다. 예를 들면 캘리포늄은 원자로를 작동시킬 때와 중성자 회절, 중성자 분광학으로 물질을 연구할 때 도움이 되는 원소이다. 또한 캘리포늄은 더 무거운 초중원소들을 합성하는 데도 도움이 되는데 원자번호 118번 오가네손(Og)은 캘리포늄-249 원자를 칼슘-48과 충돌시켜서 합성되었다. 캘리포늄은 핵연료 스캐너, 암의 치료, 항공기나 무기 등의 부품의 부식, 금이 간 부분이나 갇힌 습기를 찾아내는 데 쓰이는 중성자 X-선 촬영, 금속 탐지기 등에도 사용된다. 캘리포늄을 이용하는 사람들은 방사성 물질에 대한 영향과 캘리포늄이 뼈 조직에 축적되어서 적혈구 형성을 방해할 수 있는 위험한 능력을 고려해야 한다.
=== 물리적 성질 ===
캘리포늄은 은백색의 악티늄족 금속이며 870~930°C의 녹는점과 1745 K의 추정된 끓는점을 가지고 있다. 순수금속은 가단성이 있고 면도칼로 쉽게 잘린다. 캘리포늄 금속은 300 °C의 진공 상태에서 증발하기 시작한다. 51 K 밑에서는 준강자성 아니면 강자성을 띤다. 48~66 K에서는 반강자성을 띠고(중간 상태이다) 160 K 이상에서는 상자성을 띤다. 란타넘족 원소들과 합금을 생성하기도 하지만 그리 많이 알려져 있지는 않다. 이 원소는 1 표준 대기압 밑에서는 두가지 결정 구조를 갖는데 하나는 이중 육방정계 구조를 갖는 알파 결정 구조와 면심입방격자 구조를 가지는 베타 결정 구조이다. 알파 결정 구조는 600 °C~800 °C이하에서 15.10 g/cm3의 밀도를 가지고 베타 결정 구조는 600 °C~800 °C 이상에서 8.74 g/cm3의 밀도로 존재한다. 48 GPa 위에서는 베타 결정 구조가 사방정계 구조로 변하는데 이건 원자의 5f 전자의 비편재화로 인해 전자들이 결합에 참여할 수 있게 되기 때문이다. 부피탄성계수(체적탄성계수)는 물체에 압력이 가해졌을 때 부피의 변화에 저항하는 강성을 나타낸 것이다. 캘리포늄의 부피탄성계수는 45~55 GPa이다. 이는 3가의 란타넘족 원소들과 비슷하지만 알루미늄(Al) 같은 3가의 더 비슷한 금속들보다는 부피탄성계수가 낮다.(알루미늄의 부피탄성계수는 70 GPa)
=== 화학적 성질 및 화합물 ===
원자가가 +2인 캘리포늄 화합물: 브로민화 캘리포늄(ll) CfBr2 노란색 화합물, 아이오딘화 캘리포늄(ll) CfI2 어두운 보라색 화합물
원자가가 +3인 캘리포늄 화합물: 산화 캘리포늄(lll) CfO3 황록색 화합물, 플루오린화 캘리포늄(lll) CfF3 밝은 초록색 화합물, 염화 캘리포늄(lll) CfCl3 에메랄드 녹색, 브로민화 캘리포늄(lll) CfBr3 노르스름한 초록색, 아이오딘화 캘리포늄(lll) CfI3 레몬색 화합물, 캘리포늄 붕산염 CfB6O8(OH)5 연한 초록색 화합물
원자가가 +4인 캘리포늄 화합물: 산화 캘리포늄(lV) CfO2 짙은 갈색 화합물, 플루오린화 캘리포늄(lV) CfF4 초록색 화합물
캘리포늄은 +2, +3, +4의 산화수를 가질 수 있다. 화학적 성질들은 다른 원자가가 3인 악티늄족 원소들과 주기율표상에서 캘리포늄 바로 위에 위치하는 란타넘족 원소인 디스프로슘(Dy)과 비슷하다고 생각된다. 캘리포늄은 공기중에서 느리게 광택을 잃고 습기가 많으면 광택을 잃는 속도가 빨라진다. 캘리포늄은 가열되었을 때 수소(H), 질소(N), 칼코젠(16족 원소들)과 반응한다. 마른 수소와 수분을 함유한 무기산과의 반응은 매우 빠르게 진행된다. 캘리포늄은 +3 양이온 형태일 때만 수용성이다. 수용액에서 Cf3+이온을 산화시키거나 환원시키려는 시도는 모두 실패했다. 이 원소는 수용성인 염화물, 질화물, 과염화물, 그리고 황산염을 생성하고 플루오린화물, 옥살산염, 수소화물은 앙금이다. 캘리포늄은 전자쌍을 공유하는 성질을 가진 가장 무거운 악티늄족 원소로 이러한 성질은 CfB6O8(OH)5에서 보인다.
=== 동위원소 ===
캘리포늄은 20개의 방사성 동위원소가 알려져 있으며 가장 안정한 방사성 동위원소는 캘리포늄-251로 898년의 반감기를 가진다. 그 다음으로 안정한 동위원소들은 캘리포늄-249(반감기 351년), 캘리포늄-250(반감기 13.08년), 캘리포늄-252(반감기 2.645년)이다. 이들을 나머지 동위원소들은 반감기가 1년 미만이며, 대부분 20분을 넘지 않는다. 캘리포늄의 동위원소들은 237에서 256까지의 질량수를 가진다.
캘리포늄-249는 버클륨-249의 베타 붕괴로 생성되고 다른 대부분의 캘리포늄 동위원소들은 원자로에서 버클륨 동위원소에 중성자가 흡수되며 생성된다. 캘리포늄-251이 가장 안정한 동위원소임에도 불구하고 이 동위원소의 생산량은 전체의 10 % 밖에 되지 않는데 이는 이 동위원소가 중성자를 잘 흡수(중성자 포획)하고 다른 입자들과 상호작용을 잘 하는 성질에 있다.
캘리포늄-252는 아주 강한 중성자 발생원으로 따라서 방사성이 아주 강하며 위험하다. 96.9 %의 캘리포늄-252는 알파 붕괴를 통해 퀴륨-248을 생성하고 나머지 3.1 %는 자발 핵분열을 한다. 1 마이크로그램(μg)의 캘리포늄은 자발 핵분열을 통해 초당 230만개의 중성자(n)를 방출한다. 대부분의 다른 캘리포늄 동위원소들은 알파 붕괴를 통해 퀴륨(Cm, 원자번호 96번)의 동위원소로 붕괴된다.
캘리포늄의 존재 흔적은 이 원소를 이용하는 설비 근처에서 발견된다. 이 원소는 물에 불용성이지만 일반 흙에 잘 들러붙는다. 대기권 핵실험 낙진에서도 소량이 발견된다. 질량수 249, 252, 253, 254를 가지는 캘리포늄 동위원소들이 핵폭발 뒤에 남은 방사성 먼지에서 발견되었다. 초신성에서 254Cf와 같이 약 60일의 반감기를 가지는 방사성 동위원소의 흔적이 발견되면서 캘리포늄이 초신성 폭발에서 생성될 수 있다는 주장이 있었나 캘리포늄의 스펙트럼이 초신성에서 아직까지 발견된 바 없고 약 60일의 반감기를 가지는 그 동위원소는 니켈-56인 것으로 밝혀졌다. 캘리포늄을 포함한 아메리슘(Am)부터 페르뮴(Fm)까지의 초우라늄 원소들은 오클로 천연원자로(Oklo natural nuclear fission reactor)에서 자연적으로 생성되었지만, 이 원소들은 짧은 반감기로 인해 오래 남지는 못한다.
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분류:악티늄족
분류:인공 원소
분류:화학 원소
분류:장소 이름이 포함된 화학 원소
분류:강자성 물질