스크랩 원자번호 52번, 텔루륨(Tellurium)

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원자번호 52번 원소인 텔루륨(Te)은 1782년에 처음 발견되었으며, 라틴어로 지구를 뜻하는 텔루스(tellus)를 따서 이름 지어진 원소이다. 그러나, 이름과는 달리, 지구에서는 희귀하고 우주에서가 지구에서보다 훨씬 흔하게 존재한다. 지각에서의 존재비는 단지 2x10^-7%(0.002 ppm)로, 원소 중에서 존재량이 대략 73번째이며 금보다도 희귀하다. 자연에서 원소 상태로 발견되기도 하나, 대개 금이나 다른 금속과의 화합물로 발견되며, 주로 구리 생산의 부산물로 얻는다. 구리 광석 1000톤을 처리하면 약 1kg의 텔루륨이 얻어지는데, 전세계 연간 생산량은 약 200톤에 불과하다. 텔루륨은 특수 합금 제조에 주로 쓰이며, 화합물은 반도체와 전자 산업의 소재, 유리 착색제, 섬유 생산의 촉매, 고무 경화제 등 다양한 용도로 중요하게 사용된다. 텔루륨이 사용되는 전자 소자는 태양 전지판, 열전 발전 및 냉각 소자, 적외선 및 X-선 검출기, 반복해서 기록할 수 있는 광 디스크 등이다. 텔루륨의 특성과 생산, 그리고 용도에 대해 좀 더 구체적으로 알아보자.

원자번호 52번, 텔루륨

텔루륨(Tellurium)¹⁾은 원자번호 52번의 원소로, 원소기호는 Te이다. 주기율표에서 산소(O), 황(S), 셀레늄(Se), 폴로늄(Po)과 함께 16족(VIA족)인 산소족에 속하며, 칼코겐 원소의 하나이고, 금속과 비금속의 중간 성질을 보이는 준금속이다.

원자번호 52번, 텔루륨 <출처: sxc.hu>

텔루륨의 원소 정보.

은회색의 금속성 광택을 띠며 겉보기는 주석과 비슷하고, 비교적 무르며 가루로 부서지기 쉽다. 열을 잘 통하지 않고, 전기는 약간 통한다. 녹는점은 449.51^oC이며, 끓는점은 988^oC이고, 실온에서 밀도는 6.24g/cm³이다. 화학적으로는 셀레늄(Se)이나 황(S)과 비슷하며, 물에 녹지 않는다. 염산에는 녹지 않으나, 질산과 왕수에는 녹아 아텔루르산(H₂TeO₃)으로 산화되고 일부 알칼리에도 녹는다. 공기 중에서 청백색 불꽃을 내면서 타서 이산화텔루륨(TeO₂)이 되고, 할로겐과도 격렬하게 반응한다. 고온에서 대부분의 금속과 반응하여 텔루르화물을 생성한다. 화합물에서 산화상태는 +6, +4, +2, -2로 다양한데, 비금속 원소와의 화합물에서는 +4의 상태가 가장 흔하다.

텔루륨은 지구에서는 희귀하나 우주 전체에서는 지구에서보다 훨씬 흔하게 존재하는데, 이는 텔루륨이 휘발성이 큰 수소 화합물을 형성하여 원시 태양계 생성 과정에서 우주 공간으로 빠져나갔기 때문으로 여겨진다. 지각에서의 존재비는 약 0.002ppm로, 존재량이 대략 73번째인 원소인데, 이는 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt)보다 희귀한 것이다. 자연에서 원소 상태로 가끔 발견되기도 하나, 주로 화합물로 존재한다. 금과의 화합물인 칼라베라이트(calaverite, AuTe₂), 크렌네라이트(krennerite, AuTe₂: 칼라베라이트와 화학식은 같으나 결정 구조가 다름), ?자이트(petzite, Ag₃AuTe₂), 실바나이트(sylvanite, 침상 텔루륨석, AgAuTe₄) 등으로 흔히 발견되며, 은, 구리(Cu), 납(Pb), 수은(Hg) 비스무트(Bi) 광석에 화합물로 들어있기도 한다. 텔루륨 광석은 희귀하여 텔루륨을 생산하는데 거의 사용되지 않으며, 텔루륨은 주로 구리나 납 생산의 부산물로 얻는다.

텔루륨과 금의 화합물인 칼라베라이트(calaverite, AuTe₂, 왼쪽)와 크렌네라이트(krennerite, AuTe₂, 오른쪽). 두 화합물은 화학식은 같으나 결정 구조가 다르다. <출처 : (cc) Rob Lavinsky / iRocks.com >

텔루륨은 주로 철이나 구리에 소량 첨가하여 이들 금속의 가공성을 향상시키는데 사용된다. 또 납에 첨가하여 납의 강도와 굳기를 향상시키고, 황산에 대한 내부식성을 높이는 데도 사용된다. 한편, 텔루륨의 카드뮴(Cd) 및 수은(Hg)과의 합금은 규소(Si)나 비소화갈륨(GaAs) 다음으로 중요한 제3세대 반도체 물질로 여겨지고 있다. 텔루르화카드뮴(CdTe)은 태양전지판에 사용되는데, 이는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 효율이 가장 높은 것으로 알려져 있다. CdTe의 일부 Cd를 아연(Zn)으로 대체한 것은 X-선 및 γ-선 검출기에 사용되며, HgCdTe는 적외선에 민감한 반도체 물질로, 적외선 검출기와 적외선으로 작동하는 리모컨 등에 사용된다. 또한 텔루르화비스무트(Bi₂Te₃)와 텔루르화 납(PbTe)도 반도체 물질로 열전소자(Thermoelectric device)²⁾로 이용되는데, 이들은 열을 전기로, 또는 전기를 열로 직접 변환시키는 열전 발전기와 열전 냉각기에 사용된다. 아산화텔루륨(TeO_x: 0.8 

텔루륨과 이의 화합물은 독성이 있으며, 여러 중독 증상을 일으킬 수 있다. 생물학적 역할은 알려진 것이 없으나, 일부 곰팡이류의 아미노산에는 S나 Se대신에 들어갈 수 있다. 텔루륨은 여러 식물에도 들어있는데, 이를 섭취한 경우 다이메틸텔루라이드(dimethyltelluride, (CH₃)₂Te)로 대사되어 내쉰 숨에서 마늘 냄새와 같은 것이 난다.

텔루륨의 발견과 역사

텔루륨은 1782년에 트란실바니아(Transylvania, 현재의 북서부 루마니아)에서 헝가리 화학자 뮐러(Franz Joseph M?ller von Reichenstein, 1740~1825 또는 1826)에 의해 발견되었다. 그는 한 동료로부터 이웃 금 광산에서 채취된 불순하다고 여겨지는 금 시료를 제공받았는데, 그는 처음에는 이 시료가 황화비스무트(Bi₂S₃)라고 결론지었다가, 곧 대부분이 금이고 안티모니(Sb)와 아주 비슷한 새로운 원소가 약간 들어있는 것이라고 고쳐 말하였다. 뮐러는 이 새로운 원소에 대해 3년 동안 50번 이상의 실험을 하였으나, 기대하였던 안티모니의 성질이 전혀 나타나지 않았으므로 이 원소를 ‘기이한 금(paradoxical gold)’ 또는 ‘문제가 있는 금속(problematic metal)’이라 불렀다. 1798년에는 또 다른 헝가리 과학자 키타이벨(Pal Kitaibel, 1757~1817)이 몰리브덴산 은 광석으로 여겨졌던 광석에서 뮐러가 발견한 것과 똑같은 원소를 독립적으로 발견하였는데, 그는 이 원소를 처음 발견한 공적을 뮐러에게 돌렸다.

뮐러는 수년 후에 이 새로운 원소(텔루륨)의 시료를 독일 화학자 클라프로트(Martin Heinrich Klaproth, 1743~1817)에게 보냈다. 클라프로트는 1789년에 지르코늄(Zr)과 우라늄(U)을, 1801년에는 세륨(Ce)를 처음 발견한 당시 최고의 화학자 중의 한 사람으로, 뮐러에게서 시료를 받기 전에 이미 칼라베라이트(AuTe2)에서 이 원소를 분리하였으나 그 역시 이 원소 발견의 공적을 뮐러에게 돌렸다. 그는 1798년에 이 원소 이름을 라틴어로 지구를 뜻하는 ‘tellus’를 따서 텔루륨(tellurium)으로 지었다. 앞서 보았듯이 텔루륨은 흔히 금과의 화합물로 발견되는데, 이에 얽힌 재미있는 에피소드가 있다. 1893년에 호주 칼굴리(Kalgoorlie) 금광에서 일하던 광부들에게 일어난 일인데, 이들은 순금을 찾던 중 황철석(pyrite, FeS2)과 비슷한 광석이 나오자 이를 웅덩이를 메우고 보도를 까는데 사용했다가, 3년 후인 1896년에 이 광석이 칼라베라이트(AuTe2)임이 밝혀지자 이를 회수하고 이에서 금을 제련하는 소동을 벌인 것이다. 또 미국 콜로라도(Colorado) 주에는 텔루라이드(Telluride)라는 이름의 광산 마을이 있는데, 이 마을 이름은 1887년에 금의 텔루륨 화합물 광석이 많이 발견되기를 바라는 마음에서 붙여진 것이나, 실제로는 텔루르화 금 광석 대신에 아연, 납, 구리, 은, 금이 다른 형태로 포함된 광물들이 많이 매장되어 있다.

독일 화학자 클라프로트. 텔루륨이라는 이름을 지었다.

텔루륨은 산출량이 적어 거의 사용되지 않고 있다가, 1960년대에 강철에 첨가하여 강철의 가공성을 높이는데 사용되기 시작하였고, 이후 텔루르화비스무트의 열전 성질을 이용한 소자들이 개발되고 자동차 좌석의 냉각기 등으로 사용되면서 중요한 새로운 산업 재료로 부각 되었다.

순수한 텔루륨 결정체. 금속성 광택이 나고 은회색을 띤다. <출처 : (cc) Dschwen at Wikimedia.org>

물리적 성질

순수한 상태의 텔루륨 결정은 금속성 광택이 나고 은회색을 띤다.  같은 족의 황이나 셀레늄과 달리, 단지 하나의 결정 구조를 갖는데, 육방정(hexagonal) 셀레늄과 비슷한 나선형 사슬로 이루어져 있다. 사슬 내에서 Te-Te 거리는 284pm이며, c축 길이는 593pm이다. 텔루륨산(Te(OH)₆, H₆TeO₆)이나 아텔루륨산(H₂TeO₃) 용액을 환원시키면 무정형 Te가 침전으로 얻어진다.  텔루륨은 p-형 반도체로, 띠 에너지 간격은 32.2kJ/mol이고 25^oC 전기 비저항은 약 1 Ω·cm이다. 빛을 쪼이면 전기전도도가 약간 증가하는 광 전도성을 보인다. 녹는점은 449.51^oC이며, 끓는점은 988^oC이고, 실온에서 밀도는 6.24g/cm³이다. 열을 잘 통하지 않으며, 쉽게 부서져 가루가 된다. 텔루륨의 원자량은 127.60g/mol로, 원자번호가 하나 더 큰 아이오딘(I)의 원자량 126.90g/mol보다 오히려 크다.

동위원소
텔루늄은 천연 상태에서 ¹²⁰Te(0.09%), ¹²²Te(2.55%), ¹²³Te(0.89%), ¹²⁴Te(4.74%), ¹²⁵Te(7.07%), ¹²⁶Te(18.84%), ¹²⁸Te(31.74%), ¹³⁰Te(34.08%)의 8가지 동위원소가 있다. 이 중에서 ¹²⁰Te(반감기 2.2x10¹⁶년 이상), ¹²³Te(반감기 1.0x10¹³년 이상), ¹²⁸Te(반감기 2.2x10²⁴년), ¹³⁰Te(반감기 7.92x10²⁰년)은 방사성 동위원소이지만 반감기가 매우 길어 안정한 핵종으로 보아도 무방하며, 특히 ¹²⁸Te 는 방사성 핵종 중에서 반감기가 가장 길다. ¹²⁰Te는 두 번의 전자 포획으로 ¹²⁰Sn이 되며, ¹²³Te는 한 번의 전자 포획을 하고 ¹²³Sb가 되고, ¹²⁸Te와 ¹³⁰Te는 둘 다 두 번의 β^- 붕괴를 하고 제논(Xe)의 동위원소가 된다. 질량수가 105~142인 여러 인공 방사성 동위원소들이 합성되었는데, 반감기가 비교적 긴 것들은 ¹²¹Te(반감기 19.16 일), ¹¹⁸Te(반감기 6.00 일), ¹³²Te(반감기 3.20 일), ¹¹⁹Te(반감기 16.05 시간), ¹²⁷Te(반감기 9.35 시간), ¹²⁹Te(반감기 69.6 분)들이다. 질량수가 124보다 작은 동위원소들은 주로 β⁺ 붕괴 또는 전자 포획으로 안티모니(Sb) 동위원소가 되며, 질량수가 126보다 큰 동위원소들은 주로 β^- 붕괴를 하고 아이오딘(I) 동위원소가 된다. ¹⁰⁶Te~¹⁰⁹Te는 α-붕괴를 하고 주석(Sn)의 동위원소가 되기도 하는데, 이는 α-붕괴를 하는 가장 가벼운 원소이다. 수명이 비교적 긴 준안정한 핵 이성체들은 ^121mTe(반감기 154 일), ^123mTe(반감기 119 일), ^127mTe(반감기 109 일), ^125mTe(반감기 57.4 일), ^119mTe(반감기 4.70일)이다. 한편, ¹²⁴Te는 사이클로트론(cyclotron)이나 입자 가속기에서 ¹²³I나 ¹²⁴I와 같은 방사성 핵종을 생산하는 출발 물질로 사용할 수 있다. 방사성 텔루륨 동위원소를 상업적으로 이용한 예는 아직 없다.

화학적 성질

텔루륨은 같은 족의 황(S)이나 셀레늄(Se)과 비슷한 형태의 화합물들을 만든다. 화학 반응성은 산소(O)나 황에 비해 적으나, 대부분의 원소들과 직접 결합한다. 안정한 화합물의 한가지 형태는 텔루륨이 전자 2개를 받아들여 비활성 기체인 제논(Xe)과 같은 전자배치를 하는 -2 산화 상태의 텔루르화물(telluride)인데, 전기양성도가 큰 1족, 2족, 란탄족 원소들과 이 유형의 화합물을 만든다. 이외에 +6, +4, +2의 산화 상태를 갖는 화합물도 있는데, 이들은 전기음성도가 큰 O, F, Cl 등과 반응할 때 만들어지며, +4의 상태가 보다 흔하다. 텔루륨은 물, 벤젠, 이황화탄소(CS2) 등의 용매에 녹지 않는다. 염산(HCl)에도 녹지 않으나, 질산(HNO3)과 왕수(진한 HCl과 HNO3의 3:1 혼합물)에는 녹아 아텔루르산(H2TeO3)으로 산화되며, 일부 알칼리에도 녹는다. 공기 중에서 청백색 불꽃을 내면서 타서 이산화텔루륨(TeO2)이 되고, 할로겐과는 격렬하게 반응한다. 용융 상태에서는 구리와 철을 비롯한 대부분의 금속과 반응하여 텔루르화물을 생성한다. 텔루륨은 금과도 결합하는 특이한 성질을 보이는데, 천연 상태에서 금의 상당량이 텔루륨 화합물 형태로 발견된다.

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

텔루륨의 생산

텔루륨은 셀레늄과 마찬가지로, 전기분해 방법으로 구리를 생산할 때 전해조 바닥에 쌓이는 찌꺼기인 양극전물(anode slime)에서 주로 얻는다. 그리고 납을 용광로 제련할 때 얻어지는 연진(煙塵)에서도 회수된다. 구리 제련의 양극 전물에는 텔루륨이 구리, 은, 금과의 화합물인 M₂Te 형태로 들어 있는데, 이를 탄산소듐(Na₂CO₃)과 함께 공기 중에서 약 500^oC로 가열하면 금속 양이온들은 금속으로 환원되고(단, Cu의 경우는 CuO가 됨) 텔루륨 음이온은 아텔루륨산소듐(sodium tellurite)으로 산화된다.

M₂Te + O₂ + Na₂CO₃ → Na₂TeO₃ + 2 M + CO₂  (M = Ag, Au)
Cu₂Te + 2 O₂ + Na₂CO₃ → Na₂TeO₃ + 2 CuO + CO₂ 

이때 양극 전물에 함께 들어있던 셀레늄도 비슷하게 Na₂SeO₃가 되는데, Na₂TeO₃와 Na₂SeO₃의 혼합물을 물로 추출한 후 황산을 가하면 텔루륨은 이산화텔루륨(TeO₂)으로 침전되는 반면, 셀레늄은 아셀레늄 산(H₂SeO₃)으로 용액에 남아있어 텔루륨과 셀레늄을 분리할 수 있다.

HTeO₃^- + H₂SO₄ → TeO₂ + SO₄^2- + H₂O + H⁺

원소 상태의 텔루륨은 TeO₂를 수산화소듐(NaOH) 수용액에 녹이고 전기분해 방법으로 환원시키거나, 황산 용액에서 이산화황(SO₂)으로 환원시켜 얻는다. 판매되는 텔루륨은 보통 200-메쉬(mesh)의 분말 형태이나, 판, 괴, 덩어리 등의 형태도 있다.

TeO₂ + 2 SO₂ + 2 H₂O → Te + 2 H₂SO₄

텔루륨의 국가별 생산량은 조사 기관에 따라 약간씩 차이가 난다. 영국 지질연구소(British Geological Survey, BGS)는 2009년의 국가별 텔루륨 생산량을 미국 50 톤, 페루 7 톤, 일본 40 톤, 캐나다 16 톤이라고 발표한 반면, 미국 지질조사국(USGS) 자료는 2011년의 생산량을 일본 40 톤, 페루 30 톤, 러시아 35 톤, 캐나다 10 톤이라고 추정하였다. 그리고 Merchant Research & Consulting사는 국가별 전세계 텔루륨 공급 비중을 미국 29%, 일본 23%, 러시아 20%, 페루 17%, 캐나다 11%로 제시하였다. 이러한 자료를 종합해보면 전세계 연간 텔루륨 생산량은 약 200톤 정도일 것으로 추정된다. 미국 지질조사국은 전세계적으로 구리 자원에 포함된 텔루늄 매장량이 약 24,000톤일 것으로 추정하고 있으며, 미국 에너지성(DOE)은 텔루륨 추출 방법의 개선에도 불구하고 2025년에는 텔루륨의 공급이 부족할 것으로 예상하고 있다. 2012년 8월 초 현재의 텔루륨 가격은 1kg당 미화 약 125$인데, 2011년 평균 가격은 360$이었다.

실바나이트 위의 텔루늄 결정체 <출처 : (cc) Christian Rewitzer>

텔루륨의 용도

텔루륨은 합금, 반도체와 전자 장치, 도자기와 유리 착색제, 화학 촉매 등 여러 용도로 사용된다.

합금

텔루륨은 70% 이상이 다른 금속과의 합금에 사용된다. 강철에 0.04% 정도만 첨가해도 이의 가공성이 크게 향상되는데, 주철(cast iron)에 칠 깊이(chill depth, 급냉된 주철에서 흑연을 함유하지 않는 백주철 조직이 나타나는 깊이)를 조절하기 위해 첨가하거나, 가단 주철(malleable iron)에 탄화물(carbide) 안정제로 첨가한다. 구리에 첨가하기도 하는데, 텔루륨을 첨가한 구리는 순수한 구리에 비해 가공성은 좋아지면서 구리의 주된 특성인 전기전도도는 거의 영향을 받지 않는다. 또 강도, 굳기, 황산에 대한 내부식성을 향상시키기 위해 납에 첨가되기도 한다.

반도체 및 전자 산업

여러 금속 텔루르화물이 반도체 및 전자 산업에서 점차 중요하게 사용되고 있다. 텔루르화카드뮴(CdTe)은 태양전지판(solar panel)에 사용되는데, 전력 생산 효율이 가장 좋은 것으로 여겨지고 있어 대량으로 생산·설치되고 있다. CdTe의 일부 Cd를 아연(Zn)으로 대체한 (Cd,Zn)Te는 x-선 및 γ-선 검출기에 사용된다. 그리고 HgCdTe는 적외선에 민감한 반도체 물질로, 적외선 검출기와 적외선으로 작동하는 리모컨 등에 사용된다. Bi₂Te₃와 PbTe는 열전 효과가 커서 열전소자에 사용되는데, Bi₂Te₃를 사용한 냉각 장치는 한때 자동차 좌석에 사용되기도 하였다. PbTe는 원 적외선 검출기에도 사용된다.

아산화텔루륨(tellurium suboxide, TeO_x: 0.8x가 열에 의해 결정형과 무정형사이의 상변화가 일어나는 성질을 이용한 것이다. 이와 유사하게, 텔루륨은 비휘발성 RAM의 일종인 상변화 기억칩(phase-change memory chip: PCME 또는 PRAM) 소자에도 사용된다.

화학 산업, 유리 산업 및 기타 이용

텔루륨은 고무 가공에서 황이나 셀레늄을 대신하여 경화제로 사용되거나, 가공 촉진제로 사용되는데, 텔루륨을 경화제로 사용한 고무는 내열성이 좋다. 또한, 텔루륨과 텔루륨 화합물은 탄화수소의 분해 반응, 고분자 중합 반응, 합성 섬유 생산 등의 촉매로 사용되며, 항 산화제로도 사용된다. 이외에도 여러 텔루륨 화합물들이 유리와 도자기의 붉은색이나 노란색 착색제, 뇌관 성분 등으로 사용된다.

텔루르화카드뮴(CdTe)은 태양전지판(solar panel)에 사용되는데, 전력 생산 효율이 가장 좋은 것으로 여겨지고 있어 대량으로 생산·설치되고 있다.

텔루륨 화합물

텔루륨은 대부분의 금속 원소와 반응하여 텔루륨의 산화 상태가 -2인 텔루르화물을 만드는데, 텔루륨 광석의 가장 흔한 형태이기도 하다. 여러 비금속 원소들과도 이성분 화합물을 만드는데, 수소화물, 산화물, 할로겐화물들이 그 예이다. 

텔루르화물(telluride)
Te를 환원시키면 텔루르화물(Te^2-의 화합물)과 폴리텔루르화물 (Te_n^2-의 화합물: n>1)이 얻어지는데, 이들은 용액과 결정 상태에서 비교적 안정하다. 알칼리 금속 텔루르화물(M₂Te)은 공기가 차단된 조건 또는 무수 액체 암모니아(NH₃)에서 알칼리 금속과 텔루륨의 혼합물을 약간 가열하면 생성된다. 이들은 색을 띠지 않으며, 물에 잘 녹고, 공기에 의해 쉽게 원소로 산화된다. 전이금속 텔루르화물도 해당 금속과 텔루륨의 혼합물을 공기를 차단하고 400~1000^oC로 가열하면 얻어진다. 여러 가지 금속 텔루르화물들이 반도체 및 전자 소자에 사용되는데, 이는 앞의 항에서 소개하였다. 대부분의 텔루르화물은 물이나 산과 반응하여 텔루르화수소(H₂Te)를 생성하는데, 예로 텔루르화아연(ZnTe)과 염산과의 반응은 다음과 같다.

ZnTe + 2 HCl → ZnCl₂ + H₂Te

H₂Te는 녹는점이 ?49^oC이고 끓는점은 -2.2^oC인 물질로, 실온에서 기체이며 마늘과 같은 냄새가 난다. -2^oC 이상에서는 불안정하며 H₂와 Te로 분해된다. 공기 중에서 산소와 반응하여 Te와 물을 생성한다. H₂Te는 물에 녹아 인산과 비슷한 세기의 산으로 거동하는데, K_a1=2.3x10^-3 이고 K_a2=∼10^-11이다. 여러 금속과 반응하여 금속 텔루르화물을 만든다. 

산화물

텔루륨의 산화물에는 TeO, TeO₂, TeO₃, Te₂O₅, Te₄O₉가 있다. TeO는 TeSO₃을 진공에서 열 분해시키면 생성되고, 이를 가열하면 Te와 TeO₂로 불균등화 반응을 한다고 1883년에 보고되었으나, 안정한 고체로는 분리되지 않았다.

이산화텔루륨(tellurium dioxide, TeO2)은 광물인 노란색의 사방정계(orthorhombic) 텔루라이트(tellurite, β-TeO2)와 합성 물질인 무색의 정방정계(tetragonal) 파라텔루라이트(paratellurite, α-TeO2)의 두 가지 형태가 있다. 특별한 언급이 없으면 TeO2는 α-TeO2를 가리킨다. α-TeO2는 Te를 O2와 반응시키거나, 아텔루륨산(H2TeO3)을 탈수시키거나, 또는 염기성 질산텔루륨(Te2O4?HNO3)을 400oC 이상에서 열분해시키면 얻을 수 있다. 733oC에서 녹아 붉은색 액체가 되며, 물에는 녹지 않으나 진한 황산에 녹고, 산과 염기로 모두 작용하는 양쪽성 물질이다. 음향 광학 물질로 사용되며, 유리형성제(다른 적절한 화합물을 소량 첨가하면 유리가 되는 물질)로도 사용되는데, TeO2 유리는 굴절율이 높아 중적외선을 투과시키므로 광섬유 통신에 사용하기에 적합한 성질을 갖고 있다. 삼산화텔루륨(tellurium trioxide, TeO3)은 황적색의 α-TeO3와 회색의 β-TeO3의 두 가지가 있는데, α-TeO3는 Te(OH)6를 가열?탈수시켜 얻는 반면, β-TeO3는 밀폐된 용기에서 α-TeO3를 산소 및 황산과 함께 가열하여 얻는다. α-TeO3는 물과는 반응하지 않으나 가열하면 강한 산화제로 작용하고 알칼리와 반응하여 텔루륨산염을 생성한다. α-TeO3는 가열하면 Te2O5를 거쳐 TeO2가 된다. Te2O5와 Te4O9는 혼합 원자가 산화물이다.

이산화텔루륨 분말 샘플. <출처 : (cc) Materialscientist at Wikimedia.org>

수산화물과 산소산
아텔루륨산(H₂TeO₃)은 텔루륨의 사할로겐화물(TeX₄)을 가수분해시키거나 아텔루륨산염을 산 처리하면 얻을 수 있다. K_a1은 약 3x10^-3 이고 K_a2는 약 2x10^-8인 약산인데, 아셀레늄산(H₂SeO₃)에 비해 덜 안정하며, 수용액을 과산화수소로 산화시키면 텔루륨산이온(TeO₄^2-)이 된다. 텔루륨산은, 황산(H₂SO₄)이나 셀레늄산(H₂SeO₄)과는 달리, Te(OH)₆(H₆TeO₆로도 적음)의 화학식을 갖는데, Te 또는 TeO₂를 H₂O₂, CrO₃, Na₂O₂ 등의 산화제와 반응시켜 얻는다. 약산(K_a1∼2x10^-8, K_a2∼10^-11, K_a3∼3x10^-15)이며, 비교적 강한 산화제이다. SO₂에 의해 원소 Te로 환원되며, 뜨거운 염산에서는 H₂TeO₃로 환원된다.

H₆TeO₆ + 2 H⁺ + 2e^- TeO₂ + 4 H₂O      E^o = +1.02 V
H₆TeO₆ + 3 SO₂ → Te  + 3 H₂SO₄      
H₆TeO₆ + 2 HCl → H₂TeO₃  + 3 H₂O + Cl₂ 

할로겐화물
텔루륨은 할로겐과 여러 조성의 할로겐화물을 만든다. Te의 산화수가 1이하인 화합물로는 Te₃Cl₂, Te₂Cl, Te₂Br, Te₂I, TeI(Te₄I₄) 들이 있으며, +2의 산화 상태를 갖는 화합물로는 TeCl₂, TeBr₂, TeI₂들이 있음이 확인되었다. 사할로겐화물(TeX₄)은 4가지 모두가 알려져 있는데, TeF₄를 제외한 다른 3가지는 4합체로 존재한다. 플루오린의 경우는 TeF₆도 알려져 있다. 또한 할로겐 화합물에 할로겐 음이온이 추가로 배위된 착이온(예로 TeX₄^2-, TeF₈^2-)들도 잘 알려져 있다.

다원자 양이온(Te_xⁿ⁺)과 다원자 음이온 (Te_x^2-)
텔루륨은 셀레늄과 마찬가지로 몇 개의 원자들이 뭉쳐진 상태에서 전하를 갖는 다원자 양이온 또는 음이온들이 존재하는데, 이러한 다원자 이온들을 진틀상(Zintl phase)을 발견한 진틀(Eduard Zintl, 1896~1941)의 이름을 따서 진틀 이온이라 부른다. 텔루륨이란 이름을 지은 클라프로트는1798년에 Te를 진한 황산으로 처리하면 붉은색 용액이 되는 것을 발견하였는데, 이는 Te₄²⁺에 의한 것이다. 한편, Te를 액체 SO₂에서 AsF₅로 산화시키면 주황색의 Te₆⁴⁺ 진틀 양이온이 얻어진다. 이들 외에도 고분자형의 Te₇²⁺, 검푸른색의 Te₈²⁺ 등 여러 텔루륨 진틀 양이온들이 알려져 있다. 진틀 양이온 생성 반응의 예는 다음과 같다.

6 Te + 6 AsF₅ → Te₆⁴⁺(AsF₆^-)₄ + 2 AsF₃
8 Te + 2 WCl₆ → Te₈²⁺(WCl₆^-)₂

반면에, 텔루륨의 진틀 음이온들은 보통 -2의 전하를 갖는데, Te를 알칼리 금속이나 알칼리 토금속으로 환원시켜 얻는다. Te₂^2-는 K₂Te₂와 Rb₂Te₂에서, Te₃^2-는 [K(cryptand)]₂Te₃ 에서, Te₄^2-는 Ca, Sr, Ba의 크라운 에테르(crown ether) 착화합물의 염에서 발견되었다. 이외에 Te₅^2-, Te₇^2-, Te₈^2- 등의 진틀 음이온들도 알려져 있다. 

유기 텔루륨 화합물
알코올(ROH)에서 O대신 Te가 들어간 화합물을 텔루롤(tellurol, RTeH)이라 부르는데, 이들은 대체로 안정하지 않으며, 텔루로에테르(telluoroether, R-Te-R)가 가장 흔한 유기 텔루륨 화합물로, Na₂Te와 RX (X=할로겐)의 반응으로 합성할 수 있다.

Na₂Te  + 2 RX → RTeR + 2 NaX

탄소-텔루륨 결합은 Te와 RLi 를 반응시키거나, 알켄(alkene) 또는 알카인(alkyne)을 TeCl₄와 반응시켜 만들 수 있다.

Te + RLi → RTeLi
RCH=CH₂ + TeCl₄ → RCH(Cl)-CH₂TeCl₃

텔루로에테르 화합물 중에서 (CH₃)₂Te는 반도체 산업에서 휘발성 Te의 공급원으로 사용되며, Ph₂Te는 유기합성에서 환원제나 탈브로민화 시약으로 사용된다.

마늘에는 텔루륨이 많이 들어 있고, 텔루륨이 포함된 공기를 마시면 입에서 마늘과 같은 냄새가 난다. <출처 :  Gettyimage>

생물학적 역할과 독성

텔루륨의 생물학적 역할은 아직 알려진 것이 없다. 다만 일부 곰팡이류에서 단백질을 구성하는 아미노산인 시스테인과 메티오닌의 S원자가 Te원자로 대체된 텔루로시스테인(tellurocysteine)과 텔루로메티오닌(telluromethione)이 발견되었다. 한편, 양파, 완두콩, 찻잎 등의 식물에도 텔루륨이 미량 포함되어 있으며, 마늘 1g에는 31~73μg이나 들어있기도 한다. 대부분의 생물체에서는 섭취된 텔루륨이 대사 과정을 통해 다이메틸텔루라아드(dimethyl telluride, (CH₃)₂Te)로 전환되는데, 이는 마늘과 같은 냄새가 나는 휘발성 물질이다.

텔루륨과 텔루륨 화합물은 독성 물질로, 한때는 원소 텔루륨이 ‘아주 해로운 물질’의 목록에 올라있었는데, 미국 환경보호국(EPA)의 조사 결과 텔루륨이 아닌 텔루르화소듐(Na₂Te)을 사용하여 내린 잘못된 정보임이 밝혀졌다. 텔루륨의 쥐에 대한 치사량(LD₅₀)은 체중 1kg당 5g으로 파악되며, 1m³에 0.01mg 정도의 텔루륨이 들어있는 공기에 노출된 사람은 숨을 쉴 때 입에서 마늘과 같은 냄새가 된다. 텔루륨과 텔루륨 화합물에 노출된 사람은 두통, 구토, 호흡 장애, 무기력증, 피부 발진, 구취 등의 텔루륨 중독 증상이 나타날 수 있으며, 중추신경계가 손상을 입을 수도 있다.

1. 수치로 보는 텔루륨
   텔루륨의 표준원자량은 127.60g/mol이고, 원자의 바닥 상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p⁴([Kr]4d¹⁰5s²5p⁴)이다. 화합물에서 주된 산화 수는 +6, +4, +2, -2이다. 지각에서의 존재 비는 약 0.002ppm이며, 전 세계 연간 생산량은 약 200톤으로 추정된다. 1기압에서 녹는점이 449.51^oC이고, 끓는점은 988^oC이며, 실온에서 밀도는 6.24g/cm³이다. 전기비저항은 약 1Ω?cm이며, 열 전도율은 2~3.4W?m^-1?K^-1 이다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 869.3, 1790, 2698kJ/mol이며, 폴링의 전기 음성도는 2.1이다. 천연 상태에서의 동위원소는 ¹²⁰Te(0.09%), ¹²²Te(2.55%), ¹²³Te(0.89%), ¹²⁴Te(4.74%), ¹²⁵Te(7.07%), ¹²⁶Te(18.84%), ¹²⁸Te(31.74%), ¹³⁰Te(34.08%)의 8가지가 있다.

2.  열전소자(Thermoelectric device)
   온도 차이를 전기로, 또는 전기를 온도 차이로 직접 전환시키는 장치이다. 보통 n-형 반도체와 p-형 반도체 물질을 접합시켜 만들며, 전기를 걸어주면 한쪽은 냉각되고 한쪽은 더워진다. 또 반대로 한쪽에서 열을 공급하고 다른 쪽에서 열을 빼내면 전기가 생산된다. 열전 발전과 열전 냉각에 많이 사용된다. 

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.

발행일  2012.08.29

 

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[입다]

예후디를 품은 텔루륨이다. 셀라(Se. Sc. Sn. Sr. Si. S. Cu. Ni. Sm)