인공적으로 만든 윈소 테크네튬

[freedom]

H3 class=ending_tit_new>

원자번호 43번 원소인 테크네튬의 이름을 풀이하면 ‘인공 금속 원소’가 된다. 이 원소에 대해서는 원소의 주기율을 제안한 멘델레예프(Dmitri Men deleev, 1834~1907)가 1871년에 에카-망가니즈(eka-manganese)로 그 존재와 성질을 예측하였다. 그후 수십년 간 여러 사람들이 이 원소를 발견했다고 주장했으나 사실이 아닌 것으로 판명되다가, 1937년에 이르러서야 42번 원소인 몰리브데넘(Mo) 표적에 가속된 중양성자(중수소의 원자핵)를 쪼인 것에서 처음 발견되었다. 이는 인공적으로 만든 최초의 원소이며, 원자번호 60 이하의 원소 중에서는 안정한 동위원소가 없는 유일한 원소이다. 자연에서는 우라늄 광석에 아주 극미량 존재하는데, 이는 이 원소가 우라늄 핵분열 생성물의 하나이기 때문이다. 테크네튬은 폐 핵연료의 재처리에서 얻거나, 인공적 핵반응으로 합성하여 얻는다. 테크네튬은 강철의 양극성 부식 억제제로 사용될 수도 있으며, 반감기가 짧은 준안정한 동위원소 테크네튬-99m(^99mTc)은 아주 다양한 영역의 의료 진단과 의∙생물학 연구에서 방사성 추적자로 사용된다. 테크네튬의 성질, 동위원소, 생산 방법과 이용 등에 대해 보다 자세히 알아보자.

원자번호 43번, 테크네튬

테크네튬(Technetium)은 원자번호 43번의 원소로, 원소기호는 Tc이다. 주기율표에서는 망가니즈(Mn), 레늄(Re)과 함께 7족(7B족)에 속하는 은회색의 전이금속이다. 1871년에 멘델레예프가 에카-망가니즈로 그 존재와 여러 성질들을 예언하였다. 1937년에 몰리브데넘(Mo) 표적에 사이클로트론으로 가속된 중양성자(deutron: 중수소의 원자핵으로 한 개의 양성자와 한 개의 중성자로 이루어짐)를 쪼인 것에서 처음 발견되었고, 그리스어로 인공을 뜻하는 테크네토스(technetos)를 따서 명명되었다. 원자번호 82까지의 원소 중 안정한(방사성 붕괴를 하지 않는) 동위원소를 갖지 않는 2가지 원소 중의 하나로, 다른 하나는 원자번호 61번의 프로메튬(Pm)이다. 여러 동위원소들이 만들어지는데, ⁹⁷Tc(반감기 260만년), ⁹⁸Tc(420만년), ⁹⁹Tc(반감기 21.11만년)들은 비교적 안정한 동위원소들이다. 테크네튬은 겉보기에는 백금(Pt)과 비슷하며, 순수한 금속은 제2형 초전도체 성질을 보이고 나이오븀(Nb) 다음으로 자기장 투과 깊이가 길다. 화학적 성질은 레늄(Re)과 비슷하며, 덩어리 상태로는 잘 산화되지 않으나, 분말 상태에서는 쉽게 산화물이 된다. 산화성 조건에서는 보통 과테크네튬산 음이온(TcO₄^-)으로 있다. 질산, 왕수, 진한 황산에는 녹으나, 플루오르화수소산과 염산에는 녹지 않는다.

원자 번호 43번, 테크네튬.

테크네튬의 원소 정보.

테크네튬은 안정한 동위원소가 없어 지구상에 그 존재량이 극히 적다. 우라늄 광석에서 자발적 핵분열의 생성물로 얻어지는데, 우라늄 1kg당 약 1ng (10억 분의 1g, 10^-9g)의 테크네튬이 들어있는 것으로 추정된다. S-, M-, N-형 적색 거성들에서 테크네튬 스펙트럼 흡수선이 관찰되는데, 이는 별에서 무거운 원소들이 생성될 수 있다는 이론을 뒷받침한다. 테크네튬 흡수선이 발견된 별들을 테크네튬 별(technetium star)이라 부르기도 한다. 테크네튬은 주로 질량수가 99인 테크네튬-99(⁹⁹Tc)로 얻어지는데, 이는 우라늄-235(²³⁵U)과 플루토늄-239(²³⁹Pu)의 핵분열 생성물의 약 6% 를 차지하며, 폐 핵연료를 재처리하여 얻는다.

⁹⁹Tc의 핵이성체인 테크네튬-99m(^99mTc)은 핵의학에서 다양한 의료 진단과 의∙생물학 연구에 아주 중요하게 사용된다. ^99mTc로 표지한 여러 방사성 의약품들을 써서 암 조직을 비롯한 여러 생체 조직이나 기관의 신티그램(scintigram)을 얻어 의료 진단을 하거나 생물학적 기능을 조사한다. 신티그램은 방사성 동위원소로 표지된 화합물을 체내에 소량 투여한 후 이것의 체내 분포 상태를 방사선 측정을 통해 영상으로 나타낸 것으로, 표지 화합물의 결합 부위와 유출 여부들을 파악할 수 있다. 이와 같은 방사성 동위원소를 사용한 핵의학 진단법을 신티그래피(Scintigraphy)라 한다.

테크네튬은 또한 내부식성이 아주 강한 합금을 만드는 데 사용되며, 팔라듐(Pd), 레늄(Re)과 마찬가지로 화학 촉매로 사용될 수 있다. 그리고 TcO₄^2-는 강철의 양극성 부식 억제제로 탁월한 효능을 보인다. 그러나 방사성이 문제가 되기 때문에 이들을 실제로 이용하는 것에는 항상 제한이 따른다.

방출 및 흡수 스펙트럼. 적색거성에서 오는 빛의 스펙트럼을 통해 별에 테크네튬이 존재한다는 사실이 확인되었다.
이 발견은 별에서 무거운 원소들이 생성될 수 있는 것으로 해석되었다.

테크네튬의 발견과 역사

1871년 멘델레예프는 에카-망가니즈로 테크네튬의 존재와 여러 성질들을 예언하였다.

1869년에 화학 원소들의 주기율을 제안한 멘델레예프는 42번째 원소인 몰리브데넘(Mo)과 44번째 원소인 루테늄(Ru) 사이에 당시까지 아직 발견되지 않은 원소가 들어갈 빈 자리를 남겨 두었다. 그는 이 빈 자리가 주기율표에서 망가니즈(Mn) 바로 아래에 있으므로, 이 원소를 에카-망기니즈(eka-manganese)라 잠정적으로 부르고 이의 여러 성질들을 예언하였다. 이후 여러 화학자들이 에카-망가니즈를 발견하고 자신이 원소 이름을 짓는 영광을 차지하고자 노력하였다. 맨 먼저 러시아의 케른(Serge Kern)이 1877년에 에카-망가니즈의 발견을 주장하고, 이의 이름을 영국 화학자 데이비(Humphry Davy, 1778~1829)를 기리기 위해 데이비엄(Davyum)이라 명명한다고 보고하였는데, 이는 실제로는 이리듐과 로듐의 혼합물임이 밝혀졌다. 1896년에는 바리에르(Prosper Barriere)가 모나자이트 광석에서 에카-망가니즈를 발견했다고 주장하고 이를 루슘(lucium)이라 명명한다고 하였는데, 이는 불순한 이트륨(Y)으로 판명되었다. 1908년에는 일본의 오가와 마사타카(Masataka Ogawa, 小川正孝)가 토륨(Th) 광물의 일종인 토리아나이트(thorianite)에 43번 원소가 들어있다는 X-선 스펙트럼의 증거를 제시하면서 원소 이름을 자신의 나라명인 일본을 따서 니폰늄(nipponium)이라 하였는데, 이는 인정받지 못하였다. 최근에 오가와의 X-선 스펙트럼에는 당시까지 발견되지 않았던 원자번호 75번인 레늄(Re)의 것이 들어있는 것으로 판독되었다.

1925년에는 독일의 노다크(Walter Noddack, 1893~1960)와 동료들이 원자번호 43번과 75번의 원소들을 발견했다고 주장하고, 43번 원소는 노다크 선조의 고향인 동부 독일의 마수리아(Masuria) 지역 이름을 따서 마수륨(masurium)으로, 그리고 75번 원소는 서부 독일의 라인(Rhine) 지역의 이름을 따서 레늄(Rhenium, 원소기호 Re)으로 한다고 보고하였다. 레늄 발견은 인정되었으나, 마수륨(테크네튬) 발견에 대해서는 다른 사람들이 그 결과를 재현할 수 없어 인정되지 않았다. 그 당시 노다크 등이 실제로 43번 원소를 발견하였는지의 여부에 대해서는 아직도 논란이 되고 있다.

테크네튬은 이탈리아 시칠리아에 있는 팔레르모(Palermo) 대학의 연구원 페리에(Carlo Perrier, 1886~1948)와 세그레(Emilio Segre, 1905~1989)가 1937년에 처음 발견한 것으로 인정받고 있다. 이들은 미국 버클리 대학(University of California, Berkeley)의 사이클로트론으로 몇 달간 중수소핵(중양성자)을 쪼인 몰리브데넘 시료에서 테크네튬-97(⁹⁷Tc)을 발견하였다. 여기에 사용된 몰리브데넘 시료는 1년 전 여름에 세그레가 버클리 대학을 방문하였을 때 로렌스(Ernest Lawrence, 1901-1958: 사이클로트론 발명과 이의 응용을 발전시킨 공로로 1939년 노벨 물리학상을 수상하였는데, 103번 원소 로렌슘(Lr)은 그의 이름을 딴 것이다) 교수가 준 것이었다. 팔레르모 대학 당국은 팔레르모의 라틴명 ‘Panormus’를 따서 원소 이름을 파노르뮴(panormium)으로 할 것을 강요하였으나, 이들은 이 원소가 인공적으로 생성된 첫 번째 원소임을 강조하여 그리스어로 인공을 뜻하는 ‘technetos를 따서 테크네튬(technetium)으로 명명하였다. 세그레는 버클리 대학으로 돌아가서 시보그(Glenn T. Seaborg, 1912~1999: 10개의 초우라늄 원소들을 발견한 공로로 1951년에 노벨 화학상을 수상하였는데, 106번 원소 시보귬(Sg)은 그의 이름을 딴 것이다)와 함께 준 안정한 동위원소 ^99mTc를 분리하였는데, 이 동위원소는 현재 연간 수천만 건의 의료 진단에 사용되고 있다.

테크네튬이 실제로 얻어짐에 따라, 이의 스펙트럼 특성도 확인되었으며, 이를 바탕으로 1952년에는 S-형 적색거성에서 오는 빛에서 이 원소의 존재 흔적이 발견되었다. 테크네튬은 수명이 짧으므로, 이 발견은 별에서 핵 반응으로 무거운 원소들이 생성될 수 있다는 이론을 강화시키는 것이 되었다. 1962년에는 벨기에령 콩고(현 콩고 민주 공화국)산 피치블랜드(우라늄 광석의 일종)에서 극소량(우라늄 1kg 당 0.2ng: 0.2x10^-9g)의 테크네튬-99(⁹⁹Tc)이 분리∙확인되었는데, 이는 ²³⁸U의 자체 핵분열에 의해 생성된 것이다. 이후 오클로 천연 핵분열 원자로에서 상당량의 ⁹⁹Tc 가 생성된 후 루테늄-99(⁹⁹Ru)로 붕괴되었다는 증거가 얻어졌다.

물리적 성질 테크네튬은 은회색의 방사성 금속 원소로 겉보기는 백금(Pt)과 비슷하다. 녹는점은 2157oC이고 밀도는 11.5g/cm3이다. 보통 회색 분말 또는 스폰지 형태로 얻어지며, 결정은 육방조밀격자(hcp) 구조를 갖는다. 원자 스펙트럼은 363.3, 403,1, 426.2, 429.7, 485,3nm 파장에서 특성적인 방출선들을 보인다. 상자기성을 보이며, 바나듐(V), 나이오븀(Nb)과 함께 제2종 초전도체 성질을 보이는 3가지 원소 중의 하나이다. 자기장 투과 깊이는 나이오븀 다음으로 길다. 순수한 금속 결정의 초전도체 임계온도는 7.46K이며, 미량의 불순물이 들어있는 순도 99.9% 분말은 11.2K까지 임계온도가 올라간다.

금속 테크네튬 조각.

동위원소
30가지가 넘는 테크네튬 동위원소들이 보고되었는데, 모두 방사성을 낸다. 이중 비교적 안정하여 반감기가 매우 긴 동위원소들은 질량수가 97~99인 ⁹⁸Tc(반감기 420만 년), ⁹⁷Tc(반감기 260만 년), ⁹⁹Tc(반감기 21.11만 년)이다. 질량수가 93~96인 동위원소들은 반감기가 몇 시간에서 몇 일 범위에 있으며, 나머지 대부분의 동위원소들은 반감기가 1시간 이내이다. 가장 흔한 동위원소는 ⁹⁹Tc로, 우라늄-235과 플루토늄-239의 핵분열의 주된 생성물이다. ⁹⁹Tc는 반감기가 길며 거의 전적으로 β^- 붕괴를 하고 ⁹⁹Ru가 되므로, 표준 β^- 선원으로 β^- 선 검출기를 보정하는 데 사용된다. ⁹⁸Tc보다 가벼운 동위원소들은 주로 전자포획을 하고 몰리브데넘(Mo) 동위원소가 되며, 무거운 동위원소들은 주로 β^- 붕괴를 하고 루테늄(Ru) 동위원소가 된다. 다만 ¹⁰⁰Tc는 전자포획과 β^- 붕괴를 모두 한다.

여러 준안정한 상태의 핵 이성체들이 있는데, 반감기 긴 것들로는 ^97mTc(반감기 90.1일), ^95mTc(반감기 61일), ^99mTc(반감기 6.01 시간)이 있다. 테크네튬-99m(^99mTc)은 γ-선만을 내고 ⁹⁹Tc가 되는데, 이때 나오는 γ-선의 에너지는 140keV로 진단용 x-선 장치에서 나오는 x-선의 에너지와 거의 같다. 이런 특성 때문에 ^99mTc는 의료 진단용 방사성 추적자로 널리 사용된다. ^99mTc는 반감기가 66시간인 몰리브데넘-99(⁹⁹Mo)의 β^-붕괴로 생성된다.

화학적 성질

테크네튬의 바닥상태 전자배치. <출처: (CC)Pumbaa at Wikipedia.org>

테크네튬은 인공적으로 생산된 원소이므로 원자량은 생산된 동위원소에 따라 다르다. 원자의 바닥상태 전자배치는 [Kr]4d55s2이며, 7개의 전자를 잃고 비활성 기체인 크립톤(Kr)과 같은 전자배치를 할 수 있다. 따라서 화합물에서 +7의 산화상태가 가장 높으며, 흔한 산화상태는 +7, +5, +4이다. 화학적 성질은 망가니즈(Mn)보다는 반응성이 적고, 레늄(Re)과 더욱 비슷하다. 덩어리 상태로는 잘 산화되지 않으며, 습한 공기에서는 표면이 천천히 검게 된다. 분말과 스폰지 상태에서는 반응성이 더 크다. 테크네튬은 산소와 함께 가열하면 휘발성이 큰 산화 테크네튬(VII)(Tc2O7)이 된다. 가열하면 플루오린(F2)과는 TcF5와 TcF6을 생성하고, 황(S)과는 TcS2를 만든다. 산화성이 있는 질산(HNO3), 왕수(王水, aqua regia), 진한 황산(H2SO4) 등의 산이나 브로민(Br2) 수용액에 녹아 과테크네튬산(HTcO4)이 되나, 염산(HCl)이나 풀루오르화수소산(HF)에는 녹지 않는다. 왕수는 진한 질산과 염산의 1:3 혼합물로 금과 백금도 녹인다.

Tc₂O₇을 알칼리에 녹이면 과테크네튬산 이온(TcO₄^-)이 되는데, 이는 과망가니즈 이온(MnO₄^-)과 유사하나, 산화력은 월등히 약하다.

TcO₄^- + 8H⁺ + 5e^- Tc²⁺(aq) + 4H₂O E^o = 0.500 V
MnO₄^- + 8H⁺ + 5e^- Mn²⁺(aq) + 4H₂O E^o = 1.507 V

테크네튬의 생산

테크네튬은 주로 핵 발전소의 폐 핵연료봉을 재처리하여 얻는데, 이때 얻어지는 것은 거의 전적으로 ⁹⁹Tc이다. ⁹⁹Tc는 U-235와 Pu-239의 핵분열 생성물의 약 6%를 차지한다. 폐 핵연료봉에는 반감기가 짧고 강한 방사성을 내는 다른 동위원소들이 들어 있으므로, 이들이 거의 모두 붕괴하여 없어지도록 수년을 방치한 후에 재처리한다. 플루토늄-우라늄 추출(Plutonium-Uranium Extraction, PUREX) 공정 후 남은 액체에는 테크네튬이 TcO₄^- 형태로 들어있는데, 이를 용매 추출과 이온교환 방법으로 추출∙정제한다. 금속 테크네튬은 NH₄TcO₄ 또는 Tc₂S₇을 고온에서 수소(H₂)로 환원시켜 얻는다.

1994년까지 핵 반응로에서 생성된 테크네튬은 약 78톤으로 추정되는데, 이후에도 많은 양이 원자력 발전 등에서 생성되었을 것으로 여겨진다. 여기서 생성된 테크네튬의 일부분만이 핵 연료의 재처리로 추출되어 사용된다. 1960년 이전에는 테크네튬은 소량이 생산되어 가격은 1g당 미화 2800$까지 달했으나, 지금은 원자력 발전의 증대로 생산량이 많아지고 또 추출 방법도 개선되어 1g당 60$수준으로 공급된다.

몰리브데넘-99와 테크네튬-99의 생산

의료 진단에 쓰이는 테크네튬은 99Tc의 핵 이성체인 테크네튬-99m(99mTc)이다. 99mTc는 반감기가 6.01일에 불과한데, 반감기가 66시간인 몰리브데넘-99(99Mo)의 β-붕괴로 생성된다. 99Mo는 핵 반응로에서 우라늄과 플루토늄의 핵분열 생성물의 하나이기는 하나, 폐 핵연료를 재처리하기 위해 방치하는 동안에 거의 모두가 99mTc 를 거쳐 99Tc로 전환되므로 핵 연료 재처리로는 얻을 수 없다. 의학용 99Mo는 원자로에서 고농축(90% 이상)된 235U 표적에 강한 중성자선을 쪼인 후 빠른 추출과정을 통해 주로 얻는데, 이런 용도의 원자로는 세계적으로 10기가 가동 중에 있다. 소량의 99Mo는 천연 동위원소인 98Mo을 중성자 활성화시켜 만들 수 있다. 99mTc은 의료용 사이클로트론에서 100Mo에 높은 에너지의 양성자를 쪼여 즉석에서 만들 수도 있으나, 병원 등에서 사용하는 99mTc는 테크테늄-99m 발생기(technetium-99m generator)를 사용하여 얻는다. 테크네튬-99m 발생기는 몰리(moly)-카우(cow) 또는 Mo-99 cow라고도 부른다. 이 장치는 반감기가 6시간에 불과한 99mTc대신에, 반감기가 66시간인 99Mo을 안전하게 저장하고 운반하여 필요한 곳에서 편리하고 신속하게 99mTc를 분리∙정제하여 사용할 수 있도록 고안한 것이다. 원자로에서 만들어 정제한 99Mo를 알루미나 칼럼에 흡착시켜 몇 분 정도의 간단한 조작으로 이에서 생성된 99mTc를 분리해내는 장치이다. 보통 부동화된 99MoO42-를 사용하며, 이에서 생성된 99mTcO4-는 소금물로 용출된다. 99Mo의 반감기가 66시간이고 반감기가 6시간에 불과한 99mTc는 빠르게 99Tc로 변환되므로, 용출되는 99mTc 양은 시간이 지날수록 줄어들고, 따라서 매주 새로운 99Mo로 바꾸어 주어야 한다.

최초의 테크네튬-99m 발생기. 관 속의 알루미나에 흡착된 99MoO42-에서 생성된 99mTcO4- 를 소금물로 용출시켜 분리하여 핵의학적 의료 진단에 사용한다.

^99mTc의 모 동위원소인 ⁹⁹Mo의 전세계 공급량의 약 2/3는 캐나다 초크리버(Chalk River) 연구소의 국가연구용 범용원자로(National Research Universal Reactor)와 네덜란드의 고중성자속 원자로(High Flux Reactor)에서 생산되어왔다. 그러나 이들 원자로가 노후되어 ⁹⁹Mo(따라서 ^99mTc)의 공급 부족과 차질이 예상되고 있다. 이에 따라 ¹⁰⁰Mo에 양성자를 충돌시켜 ^99mTc를 얻는 경로에 대한 관심이 높아지고 있다.

테크네튬의 용도

테크네튬은 내부식성이 매우 커서 산소 및 화학물질과 잘 반응하지 않는 강철 합금을 만드는 데 사용되는데, 강철에 50ppm(0.0050%)만 첨가해도 이와 같은 성질이 얻어진다. 또한 과테크네튬산 이온(TcO₄^-)은 매우 효과적인 철의 양극성 부식 억제제(액체나 기체에 첨가해서 금속의 산화성 부식 반응을 지연시키는 물질)로 작용하는데, 이는 철 표면에 TcO₂ 부동화 피막을 형성하기 때문으로 여겨진다. 물에 매우 낮은 농도(5x10^-5M)로만 첨가해도, 여기에 담긴 철과 탄소강을 부식으로부터 보호할 수 있는데, 이는 많이 사용되는 부식 억제제인 크로뮴산 이온(CrO₄^2-)에 비해 1/10의 농도이다. 그러나 테크네튬이 방사선을 내기 때문에 테크네튬 합금 강철은 아주 제한적으로 사용되고 있으며, TcO₄^-의 부식 억제제로의 이용도 제한되고 있다. 보일러의 부식 억제제로 TcO₄^-를 사용한 경우는 아직 없다.

테크네튬은 백금(Pt), 팔라듐(Pd)처럼 촉매로 사용될 수 있다. 특히 아이소프로필 알코올을 아세톤으로 탈수소화시키는 반응에서 백금이나 팔라듐보다 더욱 좋은 촉매 작용을 보이는 것으로 알려져 있다. 그러나 이 역시 방사능 성질 때문에 실제로 사용되는 일은 거의 없다.

⁹⁹Tc는 감마선 발생없이 거의 100% 베타(β^-) 붕괴를 하며, 반감기가 길기 때문에 안정한 β^--선원으로 사용되며 β^--선 검출기의 보정에도 사용된다. 또한 ⁹⁹Tc의 붕괴에서 나오는 β^-선의 에너지를 이용하는 광전기적 핵 전지도 제안되었다.

^99mTc는 수명이 짧으면서 체외로 빠르게 배출되고, 또 여러 화합물에 용이하게 표지될 수 있으므로 의료 진단, 의∙생물학 연구에서 방사성 추적자로 널리 쓰인다. ^99mTc로 표지된 수십 종의 방사성 의약품들이 개발되었는데, 이들을 체내에 주입하여 뇌, 갑상선, 폐, 간, 방광, 신장, 심근, 뼈, 혈액, 각종 암 조직의 신티그램(Scintigram) 이미지를 얻고 이를 바탕으로 의료 진단을 하거나 생물학적 기능을 연구한다. ^99mTc를 이용해 매년 약 2000만 건의 핵의학적 진단이 이루어지며, 방사선을 이용한 진단 영상 촬영의 약 85%가 ^99mTc를 써서 행해지고 있다. 예로, ^99mTc가 도입된 단일 클론 항체(monoclonal antibody: 암 세포들에 결합할 수 있는 면역계 단백질)는 찾아내기 어려운 암의 발견에, 주석(Sn) 화합물에 결합된 ^99mTc는 장 출혈 위치를 찾아내는 데, ^99mTc 가 결합된 피로인산(pyrophosphate)염은 심근 경색후의 심장 근육 손상을 진단하는 데, 그리고 ^99mTc가 들어간 황 콜로이드는 비장(지라, spleen) 구조의 이미지를 얻는 데 사용된다. 한편, 반감기가 61일인 ^95mTc는 지구환경과 생물계에서 Tc의 이동을 조사하는 방사성 추적자로 사용된다.

^99mTc를 이용한 뇌 진단 영상 촬영. <출처: (CC)CopperKettle at Wikipedia.org>

테크네튬 화합물

테크네튬 산화물에는 이산화 테크네튬(technetium dioxide, TcO₂)과 칠산화 테크네튬(technetium heptoxide, Tc₂O₇) 두 가지가 있다. Tc₂O₇ 는 테크네튬을 450~500^oC에서 산화시키면 얻어지는데, 녹는점(119.5^oC)과 끓는점(310.5^oC)이 낮은 노란색 고체이다. 과테크네튬산(HTcO₄)의 무수물로, 알칼리(예로 NaOH)에 녹이면 과테크네튬산염(TcO₄^-의 염)이 된다.

Tc₂O₇ + 2 NaOH → 2 NaTcO₄ + H₂O

TcO₂는 Tc₂O₇을 높은 온도로 가열하거나 H₂로 환원시켜 얻는다. 또 TcO₄^-용액을 염산과 아연(Zn)으로 환원시켜도 얻어진다. 흑갈색을 띤다. HTcO₄는 Tc₂O₇ 를 물이나 산화성 산에 녹이거나 금속 Tc를 산화성 산에 녹여 얻는다. 흡습성이 있는 진한 붉은색 고체로 강산이다. 과테크네튬산염은 수용성 Tc 동위원소의 공급원으로 편리하게 사용된다. TcO₄^-는 철의 양극성 부식 억제제(anodic corrosion inhibitor)로 작용한다. 또 ^99mTcO₄^- 는 방사성 추적자로 갑상선, 위, 침샘, 뇌 등의 신티그램을 얻는 데 사용된다.

Tc를 황(S)과 직접 반응시키면 TcS₂가 얻어지고, 과테크네튬산(HTcO₄)을 티오황산 소듐(Na₂S₂O₃)이나 황화수소(H₂S)와 반응시키면 콜로이드 상태의 Tc₂S₇가 얻어진다.

2 HTcO₄ + 7 H₂S → Tc₂S₇ + 8 H₂O

Tc₂S₇를 가열하면 TcS₂와 S로 분해된다. Tc와 셀레늄(Se) 또는 텔루륨(Te)과의 반응도 이와 유사하게 일어난다. ^99mTc로 표지된 Tc₂S₇는 지라, 간 등의 영상 촬영에 사용된다. Tc의 여러 할로겐화물(TcF₆, TcF₅, TcCl₆, TcCl₅, TcCl₄, TcBr₄, TcBr₃)과 옥소할로겐화물(TcOF₄, TcO₃F, TcOCl₄, TcOCl₃, TcO₃Cl, TcOBr₃)들이 만들어졌는데, 이들은 대부분 색을 띠며, 녹는점이 낮은 고체이다.

^99mTc을 포함하는 여러 Tc 착화합물 또는 유기금속화합물들이 의료 진단용 방사성 약품으로 사용된다. 예로 ^99mTc 엑사메타진(exametazine; 상품명 Ceretec)은 뇌졸증으로 손상된 뇌관류 영역의 검출에 사용되며, ^99mTc 세스타미비(sestamibi; 상품명 Cardilite)는 심근(myocardium)을 영상화하는 데 주로 사용된다.

테크네튬-99m(^99mTc)을 포함하는 방사성 의약품들은 의료 진단에 널리 쓰인다.
(왼쪽) 손상된 뇌관류 검출에 쓰이는 ^99mTc 엑사메타진(exametazine), (오른쪽) 심근 영상화에 쓰이는 ^99mTc 세스타미비(sestamibi).

지구환경 및 건강에 대한 영향

테크네튬은 인체 내에서 발견되지 않으며, 생물학적 역할도 알려진 바가 없다. 화학적 독성과 방사성 독성은 모두 낮은 것으로 여겨진다. ⁹⁹Tc를 사료에 15ppm(0.0015%) 농도로 첨가하여 몇 주 동안 쥐에게 먹인 경우에도 건강상의 이상이 발견되지 않았다고 보고되었다. 화학적 연구에 흔히 사용되는 ⁹⁹Tc는 반감기가 길고 방사성이 약하므로 표준 조작 방법을 따르기만 한다면 mg 단위의 양은 안전하게 취급할 수 있다. 그러나 모든 형태의 테크네튬이 방사선을 내며, 방사선은 세포를 죽이거나 손상시킬 수 있고, 많은 양에 노출되면 병이 들 수도 있으므로 방사선에 노출되지 않도록 취급 시 주의를 하여야 한다.

테크네튬은 핵분열 반응에서 많은 양이 생성된다. 대기권 핵실험으로 1994년까지 공기 중으로 방출된 ⁹⁹Tc의 양은 약 250kg, 그리고 1986년까지 핵반응로에서 생성되어 핵 연료 재처리 과정에서 주로 바다로 유출된 ⁹⁹Tc의 양은 약 1600kg으로 추정된다. 이 때문에 일부 생물들이 ⁹⁹Tc로 오염된 것이 확인되었다. 이제는 재처리 방법이 개량되어 지구환경으로의 배출은 크게 줄어들었으나, 과거에 배출된 것은 여전히 남아있다.

⁹⁹Tc는 반감기가 길고 물에 잘 녹는 TcO₄^-로 쉽게 전환되어 방사성 폐기물 매립장을 빠져나갈 수 있기 때문에 방사성 폐기물 처리에 주의를 요하는 물질 중의 하나이다. 한 가지 영구적인 ⁹⁹Tc 폐기 방법은 ⁹⁹Tc에 중성자를 쪼여 ¹⁰⁰Tc로 전환시키는 것인데, ¹⁰⁰Tc이 반감기가 16초이고 안정한 핵종인 ¹⁰⁰Ru로 붕괴되므로 결과적으로 방사성 원소가 안정한 원소로 변환되는 것이다. 그러나 이 방법에서는 다른 핵분열 생성물들이 방사능이 보다 큰 다른 생성물로 전환될 우려가 있다.

1. 수치로 보는 테크네튬
   인공 원소이므로 원자량은 생산된 동위원소에 따라 다르다. 원자의 바닥 상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d⁵5s²([Kr]4d⁵5s²)이며, 화합물에서 주된 산화 수는 +7, +5, +4이다. 1기압에서 녹는점은 2,157^oC이고, 끓는점은 4,265^oC이며, 25^oC에서 밀도는 11.5g/cm³이다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 702, 1470, 2850kJ/mol 이며, 폴링의 전기음성도는 1.9이다. 원자 반경은 136pm(비교: Re, 137pm)이고, 6배위된 Tc⁷⁺ 이온의 반경은 56pm(비교: Re⁷⁺, 53pm)이다.

2. 사이클로트론(Cyclotron)
   하전된 입자(양성자, 중양성자, α-입자 등)를 나선 경로를 따라 가속시키는 입자 가속기의 일종. 균일한 자기장 내에서 원운동하는 하전 입자를 빠르게 변하는 전기장으로 가속시키는 장치로, 입자가 자기장 내에서 회전할 때 회전 주기는 일정하다는 것을 이용한 것이다. 미국 버클리 대학의 로렌스(Ernest Lawrence) 등에 의해 발명·제작되어 1932년에 처음 가동되었으며, 수십 년간 핵물리학 실험에서 가장 좋은 고에너지 입자선원으로 사용되어왔다.

3. 오클로 천연 핵분열 원자로(Oklo natural nuclear fission reactor)
   천연적으로 유지되는 핵분열 연쇄반응이 일어났음을 보여주는 아프리카 가봉공화국의 오클로(Oklo) 우라늄 광산. 동위원소 비율들의 분석을 통해 1972년에 그 존재가 밝혀졌으며, 약 20억년 전에 만들어져 평균 100KW의 출력으로 수십만년 간 핵분열이 진행된 것으로 여겨진다.

글 박준우 / 이화여대 명예교수(화학)

서울대학교 화학과를 졸업하고 템플대학교에서 박사학위를 받았다. 오랫동안 이화여대에서 화학을 연구하고 가르쳤다. 저서로 [인간과 사회와 함께한 과학기술 발전의 발자취]와 [아나스타스가 들려주는 녹색화학 이야기] 등이 있고, 역서로 [젊은 과학도에 드리는 조언] 등이 있다.