최근 수정 시각 : 2024-10-19 20:28:29

토륨



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주기율표
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{{{#!wiki style="margin: -6px -1px -11px; font-size: .9em"		<colbgcolor=#f5f5f5,#2d2f34>
족
주기
123456789101112131415161718
1H He
2Li Be B C N O F Ne
3Na Mg Al Si P S Cl Ar
4K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6Cs Ba (란)Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7Fr Ra (악)Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
(란)La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
(악)Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
{{{#!wiki style="margin:-15px -10px; font-size:calc(10em/9); word-break: keep-all"범례
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• 배경색: 위와 같은 원소 종류 분류
• 글자색: 표준 상태(298 K(25 °C), 1기압)에서의 원소 상태, ◆ 고체 · ◆ 액체 · ◆ 기체
• 밑줄: 자연계에 없는 인공 원소 혹은 극미량으로만 존재하는 원소로, 정확한 원자량을 측정하기 어려움
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90Th
토륨
　|　
Thorium
분류 악티늄족 상태 고체
원자량 232.03811 밀도 11.7 g/cm3
녹는점 1842 °C 끓는점 4788 °C
용융열 13.81 kJ/mol 증발열 514 kJ/mol
원자가 2 이온화에너지 587 kJ/mol
전기음성도 1.3 전자친화도 미확인 kJ/mol
발견 Jöns J. Berzelius (1828)
CAS 등록번호 7440-29-1
이전 원소 악티늄(Ac) 다음 원소 프로트악티늄(Pa)


악티늄족
89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103
Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

1. 개요2. 동위원소3. 매장량4. 용도5. 방사선6. 여담
파일:thorium.jpg[clearfix]

1. 개요

악티늄족 원소의 일종으로, 원자번호는 90이다. 납과 비슷하게 무르다.

1815년 노르웨이에서 스웨덴 과학자 베르셀리우스가 발견했다. 1917년에 북유럽 신화의 천둥신 토르(Thor)의 이름을 따 명명되었다. 토르는 북유럽의 사람들이 숭배한 뇌신으로 모국인의 신앙의 중심에 있었기 때문에 그렇게 이름을 붙였다고 한다. 1898년에 마리 퀴리가 방사성 원소임을 입증했다.

2. 동위원소

동위원소 표
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n ↓ n H He Li 4 5
0 1H2He3Li Be B 6 7
1 1n2H3He4Li5Be6B C N 8
2 2n3H4He5Li6Be7B8C9N O 9
3 3n4H5He6Li7Be8B9C10N11O F 10
4 4n5H6He7Li8Be9B10C11N12O13F Ne
5 5n6H7He8Li9Be10B11C12N13O14F15Ne
6 6n7H8He9Li10Be11B12C13N14O15F16Ne
<colbgcolor=#ccc,#333> 7 8H9He10Li11Be12B13C14N15O16F17Ne
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14 19B20C21N22O23F24Ne
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24 34Ne
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26
27
28
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6 17Na18Mg 13 14
7 18Na19Mg Al Si 15
8 19Na20Mg21Al22Si P 16
9 20Na21Mg22Al23Si24P S 17 18
10 21Na22Mg23Al24Si25P26S Cl Ar 19
11 22Na23Mg24Al25Si26P27S28Cl29Ar K 20
12 23Na24Mg25Al26Si27P28S29Cl30Ar31K Ca
13 24Na25Mg26Al27Si28P29S30Cl31Ar32K33Ca
14 25Na26Mg27Al28Si29P30S31Cl32Ar33K34Ca
15 26Na27Mg28Al29Si30P31S32Cl33Ar34K35Ca
16 27Na28Mg29Al30Si31P32S33Cl34Ar35K36Ca
17 28Na29Mg30Al31Si32P33S34Cl35Ar36K37Ca
18 29Na30Mg31Al32Si33P34S35Cl36Ar37K38Ca
19 30Na31Mg32Al33Si34P35S36Cl37Ar38K39Ca
20 31Na32Mg33Al34Si35P36S37Cl38Ar39K40Ca
21 32Na33Mg34Al35Si36P37S38Cl39Ar40K41Ca
22 33Na34Mg35Al36Si37P38S39Cl40Ar41K42Ca
23 34Na35Mg36Al37Si38P39S40Cl41Ar42K43Ca
24 35Na36Mg37Al38Si39P40S41Cl42Ar43K44Ca
25 36Na37Mg38Al39Si40P41S42Cl43Ar44K45Ca
26 37Na38Mg39Al40Si41P42S43Cl44Ar45K46Ca
27 38Na39Mg40Al41Si42P43S44Cl45Ar46K47Ca
28 39Na40Mg41Al42Si43P44S45Cl46Ar47K48Ca
29 41Mg42Al43Si44P45S46Cl47Ar48K49Ca
30 43Al44Si45P46S47Cl48Ar49K50Ca
31 45Si46P47S48Cl49Ar50K51Ca
32 47P48S49Cl50Ar51K52Ca
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40 59K60Ca
<colbgcolor=#ccc,#333> 41 61Ca
42
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n ↓ Sc 22
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15 36Sc37Ti V 24
16 37Sc38Ti39V Cr 25
17 38Sc39Ti40V41Cr Mn 26
18 39Sc40Ti41V42Cr43Mn Fe 27 28
19 40Sc41Ti42V43Cr44Mn45Fe Co Ni
20 41Sc42Ti43V44Cr45Mn46Fe47Co48Ni
21 42Sc43Ti44V45Cr46Mn47Fe48Co49Ni 29
22 43Sc44Ti45V46Cr47Mn48Fe49Co50Ni Cu 30
23 44Sc45Ti46V47Cr48Mn49Fe50Co51Ni52Cu Zn
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27 48Sc49Ti50V51Cr52Mn53Fe54Co55Ni56Cu57Zn
28 49Sc50Ti51V52Cr53Mn54Fe55Co56Ni57Cu58Zn
29 50Sc51Ti52V53Cr54Mn55Fe56Co57Ni58Cu59Zn
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41 62Sc63Ti64V65Cr66Mn67Fe68Co69Ni70Cu71Zn
42 63Sc64Ti65V66Cr67Mn68Fe69Co70Ni71Cu72Zn
43 65Ti66V67Cr68Mn69Fe70Co71Ni72Cu73Zn
44 67V68Cr69Mn70Fe71Co72Ni73Cu74Zn
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50 76Fe77Co78Ni79Cu80Zn
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57
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25 56Ga Ge 33
26 57Ga58Ge As
27 58Ga59Ge60As 34
28 59Ga60Ge61As Se 35
29 60Ga61Ge62As63Se Br 36
30 61Ga62Ge63As64Se65Br Kr
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33 64Ga65Ge66As67Se68Br69Kr Rb 38
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40 71Ga72Ge73As74Se75Br76Kr77Rb78Sr79Y80Zr
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44 75Ga76Ge77As78Se79Br80Kr81Rb82Sr83Y84Zr
45 76Ga77Ge78As79Se80Br81Kr82Rb83Sr84Y85Zr
46 77Ga78Ge79As80Se81Br82Kr83Rb84Sr85Y86Zr
47 78Ga79Ge80As81Se82Br83Kr84Rb85Sr86Y87Zr
48 79Ga80Ge81As82Se83Br84Kr85Rb86Sr87Y88Zr
49 80Ga81Ge82As83Se84Br85Kr86Rb87Sr88Y89Zr
50 81Ga82Ge83As84Se85Br86Kr87Rb88Sr89Y90Zr
51 82Ga83Ge84As85Se86Br87Kr88Rb89Sr90Y91Zr
52 83Ga84Ge85As86Se87Br88Kr89Rb90Sr91Y92Zr
53 84Ga85Ge86As87Se88Br89Kr90Rb91Sr92Y93Zr
54 85Ga86Ge87As88Se89Br90Kr91Rb92Sr93Y94Zr
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76
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n ↓ Nb 42
38 79Nb Mo 43
39 80Nb81Mo Tc 44
40 81Nb82Mo83Tc Ru
41 82Nb83Mo84Tc85Ru 45
42 83Nb84Mo85Tc86Ru Rh 46
43 84Nb85Mo86Tc87Ru88Rh Pd 47
44 85Nb86Mo87Tc88Ru89Rh90Pd Ag 48
45 86Nb87Mo88Tc89Ru90Rh91Pd92Ag Cd 49
46 87Nb88Mo89Tc90Ru91Rh92Pd93Ag94Cd In
47 88Nb89Mo90Tc91Ru92Rh93Pd94Ag95Cd96In 50
48 89Nb90Mo91Tc92Ru93Rh94Pd95Ag96Cd97In Sn
49 90Nb91Mo92Tc93Ru94Rh95Pd96Ag97Cd98In99Sn
50 91Nb92Mo93Tc94Ru95Rh96Pd97Ag98Cd99In100Sn
51 92Nb93Mo94Tc95Ru96Rh97Pd98Ag99Cd100In101Sn
52 93Nb94Mo95Tc96Ru97Rh98Pd99Ag100Cd101In102Sn
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60 101Nb102Mo103Tc104Ru105Rh106Pd107Ag108Cd109In110Sn
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75 116Nb117Mo118Tc119Ru120Rh121Pd122Ag123Cd124In125Sn
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77 119Mo120Tc121Ru122Rh123Pd124Ag125Cd126In127Sn
<colbgcolor=#ccc,#333> 78 121Tc122Ru123Rh124Pd125Ag126Cd127In128Sn
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동위원소는 몇 가지 있지만, 자연계에 존재하는 것은 거의 모두 반감기가 140.5억 년[1]으로 우주의 나이보다 긴 토륨-232뿐이고 나머지는 모두 인공적으로 합성되거나 다른 방사성 동위원소의 붕괴 과정에서 잠깐 거쳐가는 정도이다.

자연 토륨의 99.98%를 차지하는 토륨-232는 질량수가 4n인 방사성 붕괴 사슬인 토륨 계열의 시작이기도 하다. 알파 붕괴를 통해 라듐-228 (메소토륨-1)으로 바뀐다.

나머지 0.02%를 거의 대부분 차지하는 토륨-230은 우라늄-238 붕괴 과정의 중간 산물이며, 약 75,400년의 반감기를 가진다. 알파 붕괴하여 가장 흔한 라듐 동위원소인 라듐-226이 된다.

토륨-232가 붕괴되는 과정에서 나오는 라돈의 동위원소 Rn-220을 토론(thoron)이라고 하며, 한때 Tn로 적었던 때도 있었다. 반감기는 55.6초. 관련 학계에서는 "토론"이라고 표기하는 게 정착되어 있는데, 이는 영어가 아닌 라틴어를 기준으로 한 표기법이므로 틀린 표기법이 아니다.

3. 매장량

은백색의 천연 방사성 원소로 악티늄족 원소뿐 아니라 지구 상의 모든 방사성 동위원소 중에서도 가장 많다.(클라크 수 37번) 이유는 당연히 반감기가 길기 때문. 지각에 납보다도 풍부해서, 못지 않게 풍부한 방사성 원소인 우라늄보다 네 배나 많다. 인체에도 평균 100 마이크로그램의 토륨이 들어있다고 한다.[2] 게다가 광상이 편중된 우라늄에 비해 비교적 지각에 고르게 분포하는 것도 특징. 후술할 핵연료로 주목받는 이유도 풍부한 매장량 때문이다. 우라늄과 함께 지구 내부의 온도를 유지시키는 주요 열원 중 하나이다.[3]

특히 희토류 광석에는 이 토륨이 잔뜩 들어있는데 희토류들을 분리하기 전에 토륨을 먼저 분리하기 때문에 희토류를 생산할 때마다 방사능을 가진 찌꺼기가 잔뜩 나와서 이게 희토류 생산 시의 상당한 골칫거리 중 하나이다. 그래서 토륨의 산업적 이용을 촉진하면 희토류 광산의 채산성이 올라가 희토류 생산도 촉진할 수 있다.

4. 용도

우라늄과 플루토늄에 이어 원자로의 핵연료로 사용 가능한 원소이기도 하다. 정확하게는 토륨에 중성자를 조사하면 베타 붕괴를 거쳐 우라늄233으로 바뀌고, 이 우라늄233이 핵분열한다. 핵연료로서 우라늄 보다 좋은 점은 자원이 풍부하고 상대적으로 안전하고 방사성재도 덜나오기 때문에. 하지만 세계의 원자력산업은 우라늄 위주로 발전해서 실제 이를 실험한 나라는 미국과 인도뿐이다. 두 나라 다 국토 면적에 비해 우라늄은 부족하지만 토륨은 풍부하기 때문. 자세한 것은 토륨 원자로 문서 참고.

연구 개발 중인 원자력 자동차의 주 연료로도 각광받는 듯하다. 기사 제목만 보면 1번 넣으면 1세기는 너끈하다는데,'100년간 연료 걱정 없는 핵 자동차' 하지만 자동차의 원자로가 작으면 중성자 통제가 어려워[4] 못 만들 수도 있어서, 앞으로 두고 봐야 될 문제.

토륨은 전자의 여기에너지(excitation)가 낮아서 (원자핵에서 거리가 머니까) 산화토륨의 형태로 텅스텐 용접봉에 1-5% 첨가하면 전자방출 능력을 향상시키는 효과가 있어 전통적으로 철재 등을 아크 용접으로 접합할 때 용접봉으로 많이 쓰여 왔으나 텅스텐봉에 함유된 토륨 함량이 자연 지각에서의 함량보다 30배 이상에 달해 토륨에 의한 방사선이 인체에 영향을 미친다는 지적이 있어 현재는 산화란타넘 등 다른 재료로 대체되어 가고 있다.

전자레인지 등에 사용되는 마그네트론의 텅스텐 필라멘트에 섞어 전자방출을 원활히 한다.

산화토륨을 함유한 렌즈는 굴절률이 매우 높아 일부 구형 카메라 렌즈에도 소량이 첨가되는 경우가 있으나, 세월이 흐르며 갈변 문제가 생기고, 루뻬 등에 장착하면 눈이 방사선을 얻어맞는 관계로 현재는 사장되었다. 현재는 용접봉용이나 렌즈용으로는 산화란타넘로 점차 대치되고 있다.

열을 받으면 빛나서, 분젠 버너나 캠핑 랜턴의 불꽃 덮개로도 쓴다. 특히 외각전자가 풍부해서 가스버너 불꽃으로 가열하면 열에너지를 빛으로 변환에 방출하는 효율이 높아지고 특히 청색성분이 풍부해 백색에 가까운 매우 밝은 빛을 낸다. 그래서 과거 가스등의 심지(mantle)로 쓰였고 지금도 등산용 가스랜턴등에 널리 쓰인다. 비단이나 인견섬유로 그물망이나 봉투를 만들어 토륨 화화물을 적셔서 가스맨틀 심지를 만든다. 그걸 가스등에 씌워 태워도 그물망 형상이 유지되며 강렬한 빛을 낸다. 약한 방사능이 있지만 약해서 문제가 될 정도는 아니다. 그래서 이런 덮개에 필름을 붙인 뒤 현상하면 덮개가 선명하게 보인다.

앞선 서술에서도 보듯 공업적 용도로는 점차 란타넘이나 이트륨이나 세륨 등 다른 희유금속류로 대체되고 있다. 제일 큰 요인은 방사선 때문인 듯하다. 때문에 주변에 흔한 광석에도 상당히 함유되어 있고 희토류 광산에서 희토류 채굴과 정제과정에서 부산물로 대량으로 나오고 있는데 미약하긴 하지만 방사선이 나오는 토륨을 대량으로 처분할 길이 막연해서 골칫덩이가 되고 있다. 근래에는 쓸모없는 금속의 대명사라고 보아도 과언이 아닐 듯하다.

중국에서 기 운운 또는 음이온 방출 운운하는 건강장신구 따위에 토륨을 넣어 팔고 있는 돌팔이들도 있다. 대진침대 라돈 기준치 초과 검출 사건도 관련 사건이라고 할 수 있다.

5. 방사선

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[1] 암의 종류에 따라 1군/2A군으로 나뉜다.
[2] GMO, 항생제 등 고기 잔류 물질이 문제가 아니다. IARC에서는 확실히 밝히지는 않았지만 고기의 성분 자체가 조리되면서 발암 물질을 필연적으로 함유하기 때문이라고 논평하였다. 청정우 같은 프리미엄육을 사 먹어도 발암성이 있다는 뜻이다. 이에 전세계의 육류업자들이 고기를 발암물질로 만들 셈이냐며 정식으로 항의하기도 하는 등 논란이 있었다.
[3] 단, 올바른 조리 과정을 거치면 먹어도 문제는 없다. 문서 참조.
[4] 카프로락탐. 2019년 1월 18일 IARC 서문 개정에 따라 불필요하다고 판단되어 삭제되었다.# 		}}}}}}}}}


토륨 자체의 방사능은 자연 방사능에 비해 극히 약해서 걱정하지 않아도 된다. 토륨은 방사선성 원소이기는 하지만 반감기가 우주의 나이보다 길 정도로 워낙 길어서 단위시간당 나오는 방사선은 매우 미약하고 또 피부에서 쉽게 차단되는 알파선이라서 산업적 용도로 쓰는데 건강을 해치거나 위험할 정도는 아니다. 토륨이 가지는 위험요소는 토륨 자체가 아니라 토륨이 붕괴되어 나오는 라돈(또는 토론)이 기체상태로 폐에 흡수되어 신체 내부 피폭을 유발하는 데서 주로 나온다.

6. 여담

덩어리라면 표면을 얇은 산화물의 막이 덮어서 공기 중에서도 안정하지만, 금속분말로는 급격히 산화해 자연발화한다. 산업적으로는 각 방면에서 활약하는 원소였지만 점차 란타늄 이트륨으로 대체되어 쓸모없는 골치꺼리로 전락했다.

개인이 토륨 원자로를 만들려 해서 문제가 된 적이 있다. 1994년 데이비드 한이란 17살 짜리 미국 미시건 주의 학생이 보이스카우트 배지를 따려고 원자로를 만들었다! 대신 정상치의 1000배 정도인 방사선만 나왔다. 덕택에 정부가 세금들여서 그 지역을 정화한 뒤에, 개인은 원자로를 가져선 안 된다!라는 법을 만들었다.
[1] 안정한 동위원소가 아예 없는 원소들(원자번호 43번, 61번, 그리고 83번 이상)의 동위원소들 중 둘째로 긴 반감기이며, 7주기 원소중에는 가장 안정하다. 안정하지 않은 동위원소 중 반감기가 가장 긴 원소는 텔루륨-128이다. 반감기는 2.2*1024년. 안정한 동위원소가 없는 원소들로 한정하면 비스무트-209가 제일 안정하다.[2] 단 체내에 가장 많은 방사성 물질은 칼륨-40이다. 식물을 통해 많은 칼륨을 섭취하게 되기 때문.[3] 다만 가장 큰 열원은 아니다. 지구에서 가장 풍부한 방사성 원소인 토륨과 우라늄은 규산염질 마그마에 농집되는 성질이 있어서 애초에 핵에 거의 없으며, 대부분 맨틀과 지각에 있다. 수천 도에 달하는 핵의 온도를 유지시키는 주된 열원은 지구 자체의 중력으로 인한 중력 수축 열이다.[4] 원자로 통제를 실패해서 일어난 것이 체르노빌 원자력 발전소 폭발 사고이다.

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