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10족 원소 역사
공식적인 발견 이전에 백금은 에스메랄다스 주의 원주민 에콰도르인이 장신구로 사용했다. 이 금속은 강물 퇴적물에서 금과 섞인 작은 알갱이 형태로 발견되었으며, 작업자는 금과 함께 소결하여 반지와 같은 작은 장신구를 만들었다. 백금에 대한 첫 번째 출판 보고서는 스페인의 수학자, 천문학자, 해군 장교인 안토니오 데 울로아(Antonio de Ulloa)가 작성했는데, 그는 1736년 프랑스 탐험 중에 에콰도르의 금광에서 "플라티나"("작은 은")를 관찰했다. 광부들은 "플라티나"를 금에서 분리하기 어렵다고 생각하여 해당 광산을 포기했다. 찰스 우드(Charles Wood)는 1741년 이 금속 샘플을 영국으로 가져와 그 특성을 조사했으며, 높은 녹는점과 검은 금속성 모래 속에 작은 흰색 알갱이로 존재함을 관찰했다. 우드의 발견이 왕립학회에 보고된 후 이 금속에 대한 관심이 커졌다. 스웨덴 과학자 헨리크 테오필루스 셰페르(Henrik Teofilus Scheffer)는 1751년 이 귀금속을 "백금"과 "일곱 번째 금속"이라고 불렀고, 높은 내구성, 높은 밀도의 성질에 구리나 비소와 섞으면 쉽게 녹는다고 보고했다. 피에르-프랑수아 샤바노(Pierre-François Chabaneau)(1780년대)와 윌리엄 하이드 울러스턴(1800년대) 모두 가공 가능한 백금을 생산하기 위한 분말 야금 기술을 개발했지만 공정을 비밀로 유지했다. 그러나 그들의 백금 주괴는 부서지기 쉽고 쉽게 균열이 가는 경향이 있었는데, 이는 불순물 때문으로 추정된다. 1800년대에는 고온을 유지할 수 있는 용광로가 발명되었고, 이는 결국 분말 야금을 대체하고 용융 백금을 시장에 도입하게 되었다.
10족 원소 활용 분야
10족 금속은 몇 가지 공통적인 용도를 공유한다. 여기에는 다음이 포함된다.
10족 원소 생물학적 역할 및 독성
백금 착화합물은 항종양 활성 때문에 화학 요법에서 항암제로 흔히 사용된다. 팔라듐 착화합물도 미미한 항종양 활성을 보이지만, 그 활성은 백금 착화합물에 비해 불안정하다.
11족 원소
현대 IUPAC 명명법에 따른 11족은 주기율표의 한 족으로 구리 (Cu), 은 (Ag), 금 (Au), 뢴트게늄 (Rg)으로 구성되어 있지만, 뢴트게늄이 금의 무거운 상동계열처럼 행동하는지 확인하기 위한 화학 실험은 아직 수행되지 않았다. 11족, 특히 처음 세 원소는 동전을 주조하는 데 사용되었기 때문에 주화 금속이라고도 알려져 있다. 금속 가격의 상승으로 인해 은과 금은 더 이상 유통 화폐에 사용되지 않고 금괴로만 사용되지만, 구리는 구리 클래딩 주화 또는 백동 합금의 일부로 오늘날까지 동전에서 일반적으로 사용하는 금속으로 남아 있다. 이들은 아마도 가장 먼저 발견된 세 원소로 추정된다. 구리, 은, 금은 모두 원소 형태로 자연에 존재한다.
11족 원소 역사
이 족의 세 가지 안정적인 원소는 모두 선사 시대부터 알려져 있었다. 이들 모두 자연에 금속 형태로 존재하며 생산을 위해 추출 야금술이 필요하지 않기 때문이다.
구리는 기원전 4000년경부터 알려지고 사용되었으며, 많은 물품, 무기 및 재료가 구리로 만들어지고 사용되었다.
은 채굴의 첫 번째 증거는 RSC에 따르면 터키와 그리스에서 기원전 3000년으로 거슬러 올라간다. 고대 사람들은 은을 정제하는 방법도 알아냈다.
인간이 사용한 가장 오래된 기록된 금속은 금으로 보인다. 금은 자유 또는 "자연" 상태로 발견될 수 있다. 자연 금의 소량은 기원전 40,000년경 후기 구석기 시대에 사용된 스페인 동굴에서 발견되었다. 금 유물은 기원전 5천년 말과 4천년 초의 이집트 선왕조 시대 초기에 처음 등장했으며, 제련은 기원전 4천년 동안 개발되었다. 금 유물은 초기 기원전 4천년 동안 하 메소포타미아 고고학에서 나타난다.
뢴트게늄은 1994년에 니켈-64 원자를 비스무트-209에 충돌시켜 뢴트게늄-272를 만들었다.
11족 원소 특성
다른 족과 마찬가지로, 이 족의 원소는 전자 배열, 특히 최외각 껍질에서 패턴을 보여 화학적 거동의 경향을 나타내지만, 뢴트게늄은 아마도 예외로 추정된다.
모든 11족 원소는 비교적 불활성이고 부식에 강한 금속이다. 구리와 금은 유색이지만 은은 그렇지 않다. 뢴트게늄은 은색일 것으로 예상되지만, 이를 확인하기에 충분한 양이 생산되지는 않았다.
이 원소는 비저항이 낮아 배선에 사용된다. 구리는 가장 저렴하고 널리 사용된다. 집적 회로용 본딩 와이어는 일반적으로 금이다. 은 및 은도금 구리 배선은 일부 특수 용도에서 발견된다.
11족 원소 존재
구리는 칠레, 중국, 멕시코, 러시아, 미국에서 자연 상태로 발견된다. 다양한 천연 구리 광석은 다음과 같다. 황동광 (CuFeS2), 적동석 또는 루비 구리 (Cu2O), 휘동석 (Cu2S), 공작석 (Cu(OH)2CuCO3), 남동석 (Cu(OH)22CuCO3).
황동광은 주요 광석이며, 세계 구리 생산량의 거의 76%를 차지한다.
11족 원소 생산
은은 자연 상태로, 금과의 합금(호박금)으로, 황, 비소, 안티모니 또는 염소 (원소)를 포함하는 광석에서 발견된다. 광석에는 휘은광 (Ag2S), 각은광 (AgCl) (여기에는 각은이 포함됨), 그리고 농홍은석 (Ag3SbS3)이 포함된다. 은은 파르크스 공정을 사용하여 추출된다.
11족 원소 활용
11족에 속하는 금속, 특히 은은 화폐적 또는 장식적 가치 외에 산업 응용에 필수적인 특이한 특성을 가지고 있다. 이들은 모두 뛰어난 전기 전도체이다. 모든 금속 중에서 (부피당) 가장 전도성이 높은 것은 은, 구리, 금 순이다. 은은 또한 가장 열전도성이 높은 원소이며, 가장 빛 반사율이 높은 원소이다. 은은 또한 은에 형성되는 변색이 여전히 높은 전기 전도성을 가지고 있다는 특이한 특성을 가지고 있다.
구리는 전기 배선 및 회로에 광범위하게 사용된다. 금 접점은 부식되지 않는 능력 때문에 정밀 장비에서 가끔 발견된다. 은은 전기 접점과 같은 미션 크리티컬 응용 분야에 널리 사용되며, 사진술 (이는 질산 은이 빛에 노출되면 금속으로 되돌아가기 때문), 농업, 의학, 오디오파일 및 과학적 응용 분야에서도 사용된다.
금, 은, 구리는 상당히 부드러운 금속이므로 동전으로 매일 사용하면 쉽게 손상될 수 있다. 귀금속은 사용으로 인해 쉽게 마모될 수도 있다. 화폐 기능에서 이 금속들은 동전에 더 큰 내구성을 부여하기 위해 다른 금속과 합금되어야 한다. 다른 금속과의 합금은 결과적인 동전을 더 단단하게 만들고, 변형될 가능성을 줄이며, 마모에 더 강하게 만든다.
11족 원소 활용
금화: 금화는 일반적으로 90% 금 (예: 1933년 이전 미국 동전), 또는 22 캐럿 (91.66%) 금 (예: 현재 수집용 주화 및 크루거랜드)으로 생산되며, 구리와 은이 각각 나머지 무게를 차지한다. 금괴 금화는 최대 99.999% 금으로 생산되고 있다 (캐네디언 골드 메이플 리프 시리즈).
은화: 은화는 일반적으로 90% 은 (1965년 이전 미국 주화의 경우, 많은 나라에서 유통됨), 또는 스털링 실버 (92.5%) 동전 (1920년 이전 영국 연방 및 기타 은화의 경우)으로 생산되며, 구리가 각각 나머지 무게를 차지한다. 오래된 유럽 동전은 일반적으로 83.5% 은으로 생산되었다. 현대 은괴 동전은 종종 99.9%에서 99.999%까지의 순도로 생산된다.
11족 원소 활용
구리 동전: 구리 동전은 종종 97% 정도의 상당히 높은 순도를 가지며, 일반적으로 소량의 아연과 주석와 합금된다.
인플레이션으로 인해 동전의 액면가가 역사적으로 사용된 금속의 실물 가치보다 낮아졌다. 이로 인해 대부분의 현대 동전은 비금속으로 만들어진다. 구리 니켈 (약 80:20, 은색)이 인기 있으며, 니켈-황동 (구리 (75), 니켈 (5), 아연 (20), 금색), 망가니즈-황동 (구리, 아연, 망가니즈, 니켈), 청동, 또는 단순히 도금된 강철도 인기 있다.
11족 원소 생물학적 역할 및 독성
구리는 과도한 양에서는 독성이 있지만, 생명에 필수적이다. 헤모시아닌, 사이토크롬 c 산화효소 및 초과산화물 불균등화효소에서 발견될 수 있다. 구리는 항미생물제 특성을 가지고 있어 질병 확산을 막기 위해 병원 문 손잡이에 유용하다. 하지만 구리 용기에 음식을 먹으면 구리 독성 위험이 증가하는 것으로 알려져 있다. 윌슨병은 과도한 구리 배설에 중요한 단백질이 돌연변이되어 구리가 신체 조직에 축적되어 구토, 허약, 떨림, 불안, 근육 경직과 같은 증상을 유발하는 유전적 상태이다.
원소 금과 은은 알려진 독성 효과나 생물학적 용도가 없지만, 금 염은 간과 신장 조직에 독성이 있을 수 있다. 구리와 마찬가지로 은도 항미생물 특성을 가지고 있다. 금 또는 은을 함유한 제제의 장기간 사용은 또한 이러한 금속이 신체 조직에 축적될 수 있으며, 그 결과는 되돌릴 수 없지만 무해한 색소 침착 상태인 크리시아시스와 은피증을 각각 유발한다.
수명이 짧고 방사성이기 때문에 뢴트게늄은 생물학적 용도가 없지만, 방사능으로 인해 극히 해로울 가능성이 높다.
12족 원소
12족 원소는 현대 IUPAC 명명법에 따른 주기율표의 화학 원소 족이다. 아연 (Zn), 카드뮴 (Cd), 수은 (Hg), 코페르니슘 (Cn)이 포함된다. 예전에는 이 족을 CAS 및 구 IUPAC 체계에 따라 IIB(로마 숫자 "II"이기 때문에 "그룹 2B"로 발음)라고 불렀다.
자연적으로 발생하는 12족 원소 세 가지는 아연, 카드뮴, 수은이다. 이들은 모두 전기 및 전자 응용 분야뿐만 아니라 다양한 합금에도 널리 사용된다. 이 족의 처음 두 원소는 표준 조건에서 고체 금속이므로 유사한 특성을 공유한다. 수은은 실온에서 액체로 알려진 유일한 금속이다. 코페르니슘의 끓는점이 아직 충분히 정확하게 측정되지 않았기 때문에, 표준 조건에서 액체인지 기체인지는 아직 알려지지 않았다. 아연은 살아있는 유기체의 생화학에서 매우 중요하지만, 카드뮴과 수은은 둘 다 독성이 매우 강하다. 코페르니슘은 자연에 존재하지 않으므로 실험실에서 합성해야 한다.
d-껍질이 완전히 차 있기 때문에 때때로 전이 금속에서 제외되기도 한다.
12족 원소 물리적 및 원자적 특성
주기율표의 다른 족과 마찬가지로 12족 원소는 전자 배치, 특히 가장 바깥 껍질에서 패턴을 보이며, 이는 화학적 행동의 경향을 만들어낸다.
12족 원소는 모두 부드럽고 반자성이며 2가 원소 금속이다. 모든 전이 금속 중에서 녹는점이 가장 낮다. 아연은 푸르스름한 흰색이며 광택이 나지만, 대부분의 일반적인 상업용 금속은 무광택 모양이다. 아연은 비과학적 맥락에서는 백연이라고도 불린다. 카드뮴은 부드럽고, 연성, 전성이 있으며 푸르스름한 흰색이다. 수은은 액체이며 무겁고 은백색 금속이다. 상온에서 유일하게 흔한 액체 금속이며, 다른 금속에 비해 열전도율이 낮지만 전기전도율은 적당하다.
12족 원소 물리적 및 원자적 특성
아래 표는 12족 원소의 주요 물리적 특성을 요약한 것이다. 코페르니슘의 데이터는 상대론적 밀도 범함수 이론 시뮬레이션을 기반으로 한다.
12족 원소 물리적 및 원자적 특성
아연은 철보다 밀도가 약간 낮고 육각형 결정 구조를 갖는다. 이 금속은 대부분의 온도에서 단단하고 부서지기 쉽지만 100~150 °C 사이에서는 연성을 띤다. 210 °C (483 K) 이상에서는 금속이 다시 부서지기 쉬워지고 충격으로 분쇄될 수 있다. 아연은 적당한 전기 전도체이다. 금속으로서는 아연은 상대적으로 낮은 녹는점(419.5 °C, 692.6 K)과 끓는점(907 °C, 1,180 K)을 갖는다. 카드뮴은 여러 면에서 아연과 유사하지만 착물을 형성한다. 다른 금속과 달리 카드뮴은 부식에 강하여 다른 금속에 증착될 때 보호층으로 사용된다. 벌크 금속으로서 카드뮴은 물에 녹지 않고 가연성이 없지만, 분말 형태에서는 연소하여 유독성 기체를 방출할 수 있다. 수은은 d-구역 금속 중에서 예외적으로 낮은 녹는점을 가지고 있다. 이 사실에 대한 완전한 설명은 양자 물리학에 대한 깊은 탐구가 필요하지만 다음과 같이 요약할 수 있다. 수은은 전자가 사용 가능한 모든 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d, 4s, 4p, 4d, 4f, 5s, 5p, 5d 및 6s 부껍질을 채우는 독특한 전자 배치를 가지고 있다. 이러한 배치는 전자의 제거에 강력히 저항하므로, 수은은 약한 결합을 형성하고 쉽게 녹는 고체를 형성하는 비활성 기체 원소와 유사하게 행동한다. 6s 껍질의 안정성은 채워진 4f 껍질의 존재 때문이다. f 껍질은 6s 껍질과 핵의 인력적인 쿨롱 상호작용을 증가시키는 핵 전하를 잘 가리지 못한다 (란타넘족 수축 참조). 채워진 내부 f 껍질의 부재는 카드뮴과 아연의 녹는점이 다소 높은 이유이지만, 이 두 금속은 여전히 쉽게 녹고 또한 비정상적으로 낮은 끓는점을 갖는다. 금은 수은보다 6s 전자가 하나 적은 원자를 갖는다. 이 전자는 더 쉽게 제거되며, 금 원자 사이에서 공유되어 비교적 강한 금속 결합을 형성한다.
12족 원소 물리적 및 원자적 특성
아연, 카드뮴, 수은은 다양한 합금을 형성한다. 아연을 함유한 합금 중 황동은 아연과 구리의 합금이다. 아연과 이원 합금을 형성하는 것으로 오랫동안 알려진 다른 금속으로는 알루미늄, 안티모니, 비스무트, 금, 철, 납, 수은, 은, 주석, 마그네슘, 코발트, 니켈, 텔루륨, 나트륨이 있다. 아연이나 지르코늄 모두 강자성을 띠지 않지만, 그 합금 ZrZn2는 35 K 이하에서 강자성을 나타낸다. 카드뮴은 낮은 마찰 계수와 피로 저항성 때문에 많은 종류의 땜납 및 베어링 합금에 사용된다. 또한 우드 합금과 같이 녹는점이 가장 낮은 합금 중 일부에서도 발견된다. 수은은 액체이기 때문에 다른 금속을 용해시키고 형성되는 합금은 아말감이라고 불린다. 예를 들어 금, 아연, 나트륨 및 기타 여러 금속과의 아말감은 알려져 있다. 철은 예외이므로, 철 플라스크는 전통적으로 수은을 거래하는 데 용기로 사용되었다. 수은과 아말감을 형성하지 않는 다른 금속으로는 탄탈럼, 텅스텐 및 백금이 있다. 나트륨 아말감은 유기 합성에서 흔히 사용되는 환원제이며, 고압 나트륨등에도 사용된다. 수은은 두 순수 금속이 접촉할 때 수은-알루미늄 아말감을 형성하기 위해 알루미늄과 쉽게 결합한다. 아말감은 공기와 반응하여 산화 알루미늄을 생성하므로, 소량의 수은은 알루미늄을 부식시킨다. 이러한 이유로, 수은은 항공기의 노출된 알루미늄 부품과 아말감을 형성할 위험 때문에 대부분의 경우 항공기 탑재가 허용되지 않는다.
12족 원소 화학
대부분의 화학은 12족의 처음 세 원소에서만 관찰되었다. 코페르니슘의 화학은 잘 확립되지 않았으므로, 이 문단에서는 아연, 카드뮴, 수은만 다룬다.
이 족의 모든 원소는 금속이다. 카드뮴과 수은의 금속 반지름의 유사성은 란타넘족 수축의 효과이다. 따라서 이 족의 경향은 2족의 경향과 다르며, 2족에서는 금속 반지름이 족 위에서 아래로 부드럽게 증가한다. 세 금속 모두 상대적으로 낮은 녹는점과 끓는점을 가지며, 이는 금속 결합이 상대적으로 약하고 원자가띠와 전도띠 사이의 겹침이 상대적으로 적음을 나타낸다. 따라서 아연은 금속 원소와 준금속 원소 사이의 경계에 가까운데, 이 경계는 일반적으로 갈륨과 저마늄 사이에 위치하지만, 갈륨은 비소화 갈륨과 같은 반도체에 참여한다.
12족 원소 화학
아연과 카드뮴은 양전하를 띠는 반면 수은은 그렇지 않다. 그 결과, 아연과 카드뮴 금속은 좋은 환원제이다. 12족 원소는 +2의 산화수를 가지며, 이온은 완전한 부껍질을 가진 매우 안정한 d10 전자 배치를 갖는다. 그러나 수은은 쉽게 +1 산화수로 환원될 수 있으며 일반적으로 이온 Hg2+2와 같이 두 개의 수은(I) 이온이 함께 금속-금속 결합을 형성하고 반자성 종을 형성한다. 카드뮴은 [Cd2Cl6]4−와 같은 종을 형성할 수도 있는데, 여기서 금속의 산화수는 +1이다. 수은과 마찬가지로, 금속-금속 결합의 형성은 짝지어지지 않은 전자가 없는 반자성 화합물을 만들며 따라서 이 종은 매우 반응성이 높다. 아연(I)은 대부분 기체상에서 선형 Zn2Cl2와 같은 화합물에서 알려져 있으며, 이는 칼로멜과 유사하다. 고체상에서는 다소 이국적인 화합물 데카메틸디아연 (Cp*Zn–ZnCp*)이 알려져 있다.
12족 원소 화학
12족 원소는 일반적으로 d-구역 원소로 간주되지만, d-껍질이 가득 차 있기 때문에 전이 금속으로 간주되지 않는다. 일부 저자는 원자가 전자가 ns2 오비탈에 있기 때문에 이 원소를 전형 원소로 분류한다. 그럼에도 불구하고, 이들은 주기율표의 인접한 11족 원소(구리, 은, 금)와 많은 특성을 공유하며, 11족 원소는 거의 보편적으로 전이 원소로 간주된다. 예를 들어, 아연은 인접한 전이 금속인 구리와 많은 특성을 공유한다. 아연 착물은 구리(II) 착물과 동일한 화학량론을 가진 많은 착물을 형성하므로, 비록 안정성 상수가 더 작지만 어빙-윌리엄스 계열에 포함될 가치가 있다. 카드뮴과 은 사이에는 유사성이 거의 없는데, 은(II) 화합물은 드물고 존재하는 화합물은 매우 강력한 산화제이기 때문이다. 마찬가지로 금의 일반적인 산화수는 +3이며, 이는 수은과 금 사이에 많은 공통 화학이 없음을 의미하지만, 선형 디시아노 착물인 [M(CN)2]−의 형성처럼 수은(I)과 금(I) 사이에는 유사성이 있다. IUPAC의 전이 금속 정의(원자 또는 불완전한 d 부껍질을 가진 양이온을 생성할 수 있는 원소)에 따르면 아연과 카드뮴은 전이 금속이 아니지만, 수은은 전이 금속이다. 이는 수은만이 산화수가 +2보다 높은 화합물(플루오린화 수은(IV))을 가지는 것으로 알려져 있기 때문이다(비록 그 존재는 논란의 여지가 있으며, 이후 합성 확인 실험에서는 HgF4의 증거를 찾지 못했다). 그러나 이 분류는 비평형 조건에서 관찰된 매우 비정형적인 화합물에 기반을 두고 있으며 수은의 더 일반적인 화학 성질과 모순되며, 젠센은 수은을 전이 금속이 아닌 것으로 간주하는 것이 더 낫다고 제안했다.
12족 원소 화학
12족은 현대 18족 주기율표의 d-구역에 속하지만, 아연, 카드뮴, (거의 항상) 수은의 d 전자는 중심 전자처럼 행동하며 결합에 참여하지 않는다. 이러한 행동은 전형 원소의 행동과 유사하지만, 인접한 11족 원소 (구리, 은, 금)의 행동과는 극명한 대조를 이룬다. 11족 원소도 바닥 상태 전자 배열에서 채워진 d-부껍질을 가지고 있지만 화학적으로는 전이 금속처럼 행동한다. 예를 들어, 황화 크로뮴(II) (CrS)의 결합에는 주로 3d 전자가 참여하고, 황화 철(II) (FeS)의 결합에는 3d 및 4s 전자가 모두 참여하지만 황화 아연 (ZnS)의 결합에는 4s 전자만 참여하고 3d 전자는 중심 전자처럼 행동한다. 실제로, 이들의 특성과 2족의 처음 두 원소인 베릴륨과 마그네슘 사이에 유용한 비교를 할 수 있으며, 이전의 단축형 주기율표 배열에서는 이러한 관계가 더 명확하게 설명된다. 예를 들어 아연과 카드뮴은 원자 반지름, 이온 반지름, 전기 음성도에서 베릴륨 및 마그네슘과 유사하며, 이성분 화합물의 구조와 많은 질소 및 산소 리간드와 착이온을 형성하는 능력(예: 착 수소화물 및 아민)에서도 유사하다. 그러나 베릴륨과 마그네슘은 작은 원자이며, 더 무거운 알칼리 토금속과 달리 12족 원소(더 큰 핵 전하를 가지지만 동일한 수의 원자가 전자를 가짐)와 같고, 베릴륨에서 라듐까지 2족을 따라 내려가는 주기적 경향(알칼리 금속과 유사)은 d-구역 수축 및 란타넘족 수축으로 인해 베릴륨에서 수은으로 내려갈 때(p-블록 주족과 더 유사) 부드럽지 않다. 또한 수은의 많은 독특한 특성을 부여하는 것은 d-구역 및 란타넘족 수축이다.
12족 원소 화학
세 금속 이온 모두 MCl2−4와 같은 많은 사면체형 종을 형성한다. 아연과 카드뮴 모두 수용액 이온 [M(H2O)6]2+와 같은 팔면체 착물을 형성할 수 있으며, 이들은 이들 금속 염의 수용액에 존재한다. s 및 p 오비탈을 사용하여 공유 특성을 달성한다. 그러나 수은은 배위수 4를 거의 초과하지 않는다. 배위수 2, 3, 5, 7, 8도 알려져 있다.
12족 원소 역사
12족 원소는 고대부터 사용되다가 실험실에서 발견되기까지 여러 역사를 통해 이어졌다. 12족 자체는 관용명을 얻지 못했지만, 과거에는 IIB족으로 불렸다.
아연은 2000년 이상 된 황동과 같은 합금뿐만 아니라 고대에도 불순한 형태로 사용되었다. 아연은 1374년경에 쓰여진 힌두 왕 마다나팔라(타카 왕조)가 작성한 의학 사전에서 "파사다"라는 이름으로 금속으로 명확하게 인식되었다. 이 금속은 연금술사에게도 유용하게 사용되었다. 이 금속의 이름은 16세기에 처음 기록되었고, 아마도 금속 결정의 바늘 모양 때문에 독일어 zinke에서 유래했다고 추정된다.
12족 원소 역사
서양에서 금속 아연의 분리는 17세기에 여러 사람에 의해 독립적으로 이루어졌다고 추정된다. 독일 화학자 안드레아스 마르크그라프는 일반적으로 1746년 실험에서 칼라민과 목탄 혼합물을 구리 없이 밀폐 용기에서 가열하여 금속을 얻음으로써 순수 금속 아연을 발견한 공로를 인정받는다. 1780년 이탈리아 의사 루이지 갈바니가 황동으로 개구리에 대한 실험을 통해 전기 배터리, 아연 도금 및 음극 보호의 발견에 길을 열었다. 1799년, 갈바니의 친구인 알레산드로 볼타는 볼타 전지를 발명했다. 아연의 생물학적 중요성은 1940년 탄산 무수화효소 (혈액에서 이산화탄소를 제거하는 효소)의 활성 부위에 아연이 있음이 밝혀질 때까지 발견되지 않았다.
1817년, 프리드리히 슈트로마이어와 카를 사무엘 레베레히트 헤르만이 독일에서 탄산 아연 광물(칼라민)의 불순물로 카드뮴을 발견했다. 이 이름은 카드뮴을 함유한 광물 혼합물인 "칼라민"을 의미하는 라틴어 cadmia에서 유래했으며, 이는 다시 카드모스라는 그리스 신화 인물의 이름을 따서 명명되었다. 슈트로마이어는 결국 로스팅과 황화물 환원을 통해 금속 카드뮴을 분리했다.
12족 원소 역사
1927년, 국제 도량형 위원회는 적색 카드뮴 스펙트럼 선(1 m = 1,553,164.13 파장)을 기준으로 미터를 재정의했다. 이 정의는 그 이후 변경되었다(크립톤 참조). 동시에, 국제 미터 원기는 1960년까지 미터 길이의 표준으로 사용되었으며, 그 후 국제 도량형 총회에서 미터는 진공 내 크립톤-86 원자의 전자기 스펙트럼의 오렌지-빨강 방출선을 기준으로 정의되었다.
수은은 기원전 1500년으로 거슬러 올라가는 이집트 무덤에서 발견되었는데, 여기서 수은은 화장품에 사용되었다. 또한 고대 중국인은 수은이 건강을 개선하고 수명을 연장시킬 것이라고 믿으며 사용했다. 기원전 500년경에는 수은이 다른 금속과 아말감 (중세 라틴어 amalgama, "수은 합금")을 만드는 데 사용되었다. 연금술사는 수은을 모든 금속이 형성되는 원초 물질로 생각했다. 그들은 수은에 포함된 황의 질과 양을 변화시켜 다른 금속을 생산할 수 있다고 믿었다. 이 중 가장 순수한 것은 금이었고, 수은은 많은 연금술사들의 목표였던 비금속(또는 불순한) 금속을 금으로 전이시키려는 시도에 필요했다.
12족 원소 역사
Hg는 수은의 현대 원소 기호이다. 이는 그리스어 Ύδραργυρος (hydrargyros)의 라틴어화된 형태인 hydrargyrum에서 유래했으며, 이는 "물-은" (hydr- = 물, argyros = 은)을 의미하는 복합어이다. 이는 물처럼 액체이고 은처럼 빛나기 때문이다. 이 원소는 속도와 이동성으로 알려진 로마 신 메르쿠리우스의 이름을 따서 명명되었다. 행성 수성과 연관되어 있으며 수성의 점성술 기호는 금속의 연금술 상징 중 하나이기도 하다. 수은은 연금술 행성 이름이 일반 이름이 된 유일한 금속이다.
가장 무거운 12족 원소인 코페르니슘은 1996년 2월 9일 독일 다름슈타트에 있는 게셀샤프트 퓌어 슈베리온엔포르슝 (GSI)에서 지그루트 호프만, 빅토르 니노프 등이 처음 만들었다. 그 후 IUPAC가 2010년 2월 19일, 코페르니쿠스의 탄생 537주년에 니콜라우스 코페르니쿠스의 이름을 따서 공식적으로 명명했다.
12족 원소 존재
대부분의 다른 d-구역 족과 마찬가지로 12족 원소의 지구 지각 내 원소 존재비는 원자 번호가 높을수록 감소한다. 아연은 65 Ppm으로 이 족에서 가장 풍부하며, 카드뮴은 0.1 ppm, 수은은 0.08 ppm으로 수 자릿수 적게 존재한다. 코페르니슘은 반감기가 몇 분인 인공 원소이므로 생산된 실험실에서만 존재할 수 있다.
12족 원소 존재
12족 금속은 친황 원소로, 이는 12족에 속하는 원소가 산화물에 대한 친화력이 낮고 황화물과 결합하는 것을 선호한다는 의미이다. 친황 원소는 초기 지구 대기의 환원 조건에서 지각이 응고될 때 형성되었다. 12족 원소의 상업적으로 가장 중요한 광물은 황화물 광물이다. 황화 아연의 한 형태인 섬아연석은 농축액에 60~62%의 아연이 포함되어 있기 때문에 가장 많이 채굴되는 아연 함유 광석이다. 카드뮴을 함유한 광석의 중요한 광상은 알려져 있지 않다. 유일하게 중요한 카드뮴 광물인 그리노카이트 (CdS)는 거의 항상 섬아연석 (ZnS)과 연관되어 있다. 이러한 연관성은 아연과 카드뮴 사이의 지구화학적 유사성으로 인해 지질학적 분리가 어려워지기 때문이다. 결과적으로 카드뮴은 주로 아연의 황화물 광석 채굴, 제련, 정제 과정에서 부산물로 생산되며, 정도는 덜하지만 납과 구리에서도 생산된다. 금속 카드뮴이 발견될 수 있는 한 지역은 시베리아의 빌류이강 유역이다. 수은은 지구 지각에서 극히 희귀한 원소이지만, 지각 질량의 대부분을 구성하는 원소와 지구화학적으로 혼합되지 않기 때문에 수은 광석은 일반 암석에서의 원소 존재량을 고려할 때 매우 고농도로 존재할 수 있다. 가장 풍부한 수은 광석은 질량 기준으로 최대 2.5%의 수은을 함유하며, 가장 빈약한 농축 광상도 최소 0.1%의 수은(평균 지각 존재량의 12,000배)을 함유한다. 수은은 천연 금속 (드물게) 또는 진사 (HgS), 코르데로이트, 리빙스톤석 및 기타 광물에 존재하며, 진사가 가장 흔한 광석이다.
12족 원소 존재
수은과 아연 광물은 채굴할 수 있을 만큼 충분한 양으로 발견되지만, 카드뮴은 아연과 너무 유사하여 항상 아연 광석에 소량으로 존재하며 거기서 회수된다. 확인된 전 세계 아연 자원은 총 약 19억 톤에 달한다. 대규모 광상은 호주, 캐나다 및 미국에 있으며, 가장 큰 매장량은 이란에 있다. 현재 소비율로 보면 이 매장량은 2027년에서 2055년 사이에 고갈될 것으로 추정된다. 2002년까지 역사상 약 3억 4천 6백만 톤이 채굴되었고, 한 추정치는 그 중 약 1억 9백만 톤이 아직 사용 중이라고 밝혔다. 2005년에는 중국이 거의 3분의 2의 세계 시장 점유율로 수은의 최대 생산국이었고 키르기스스탄이 그 뒤를 이었다. 몇몇 다른 국가도 구리 전해채취 과정에서 혹은 폐수로부터 회수하여 미기록된 수은 생산을 하는 것으로 여겨진다. 수은의 높은 독성 때문에, 진사 채굴과 수은 정제 모두 위험하며 역사적으로 수은 중독의 원인이 되었다.
12족 원소 생산
아연은 연간 약 1,000만 톤의 생산량으로 철, 알루미늄, 구리에 이어 네 번째로 많이 사용되는 금속이다. 전 세계적으로 아연의 95%는 황화물 광석 광상에서 채굴되며, 여기서 섬아연석 (ZnS)은 거의 항상 구리, 납, 철의 황화물과 섞여 있다. 아연 금속은 야금술을 사용하여 생산된다. 로스팅은 처리 과정에서 생산된 황화 아연 농축액을 산화 아연으로 변환한다. 추가 처리를 위해 건식 야금 또는 전기채취 두 가지 기본 방법이 사용된다. 건식 야금 처리는 산화 아연을 탄소 또는 일산화 탄소로 950 °C (1,740 °F)에서 금속으로 환원시키고, 이는 아연 증기로 증류된다. 아연 증기는 응축기에서 수집된다. 전기채취 처리는 황산으로 광석 농축액에서 아연을 침출시킨다. 이 단계 후 전기 분해를 사용하여 아연 금속을 생산한다.
카드뮴은 아연 광석에서 흔한 불순물이며, 아연 생산 과정에서 가장 많이 분리된다. 황화 아연 광석에서 얻은 일부 아연 광석 농축액에는 최대 1.4%의 카드뮴이 포함되어 있다. 카드뮴은 아연이 제련될 경우 감압 증류를 통해 배기가스에서 생성된 아연에서 분리되거나, 카드뮴 황산염이 전기 분해 용액에서 침전된다.
12족 원소 생산
가장 풍부한 수은 광석은 질량 기준으로 최대 2.5%의 수은을 함유하며, 가장 빈약한 농축 광상도 최소 0.1%의 수은을 함유하고, 진사 (HgS)가 광상에서 가장 흔한 광석이다. 수은은 공기 흐름 속에서 진사를 가열하고 증기를 응축하여 추출한다.
코페르니슘과 같은 초악티늄족 원소는 입자 가속기에서 가벼운 원소를 충돌시켜 핵융합 반응을 유도하여 생산된다. 코페르니슘의 대부분의 동위원소는 이러한 방식으로 직접 합성될 수 있지만, 일부 더 무거운 동위원소는 더 높은 원자 번호를 가진 원소의 붕괴 생성물로만 관측되었다. 코페르니슘을 생산하는 첫 번째 핵융합 반응은 GSI에서 1996년에 수행되었으며, 그들은 코페르니슘-277의 두 가지 붕괴 사슬을 감지했다고 보고했다(비록 하나는 나중에 빅토르 니노프가 조작한 데이터에 기반한 것으로 밝혀져 논문이 철회되었다).
20882Pb + 7030Zn → 277112Cn + n
12족 원소 활용 분야
12족 원소는 공유하는 물리적 유사성 때문에 여러 일반적인 상황에서 발견된다. 아연과 카드뮴은 모두 부식될 때까지 모든 국부적 산화를 끌어당기므로 흔히 부식 방지 (갈바니화)제로 사용된다. 이러한 보호 코팅은 용융된 금속에 물질을 용융 도금하거나, 전기도금 과정을 통해 다른 금속에 적용될 수 있으며, 이는 부동태 처리될 수 있다. 12족 원소는 표준 수소 전극의 대안이 될 수 있을 뿐만 아니라 보조 기준 전극이 될 수도 있으므로 전기화학에도 사용된다.
미국에서는 아연이 주로 갈바니화 (55%)와 황동, 청동 및 기타 합금 (37%)에 사용된다. 아연의 상대적 반응성과 산화를 끌어당기는 능력은 음극 보호 (CP)에서 효율적인 희생양극이 되게 한다. 예를 들어, 매설된 파이프라인의 음극 보호는 아연으로 만든 양극을 파이프에 연결함으로써 달성할 수 있다. 아연은 강철 파이프라인에 전류를 전달하면서 천천히 부식되어 애노드 (음극 단자) 역할을 한다. 아연은 해수에 노출된 금속을 부식으로부터 음극 보호하는 데 사용된다.
아연은 아연-탄소 전지와 같은 전지용 양극 재료로 사용된다. 또는 아연공기전지/연료 전지에 사용된다.
12족 원소 활용 분야
아연을 포함하는 널리 사용되는 합금은 황동으로, 구리에 황동 종류에 따라 3%에서 45%의 아연이 합금된다. 황동은 일반적으로 구리보다 연성이 높고 강하며 부식 저항성이 우수하다. 이러한 특성 때문에 통신 장비, 하드웨어, 악기 및 수도 밸브에 유용하다. 아연을 포함하는 다른 널리 사용되는 합금으로는 양은, 타자기 금속, 연질 및 알루미늄 땜납, 상업용 청동이 있다. 소량의 구리, 알루미늄, 마그네슘이 포함된 주로 아연 합금은 다이캐스팅 및 스핀캐스팅에 유용하며, 특히 자동차, 전기 및 하드웨어 산업에서 사용된다. 이러한 합금은 자막이라는 이름으로 판매된다. 미국 (2009년)의 전체 아연 생산량의 약 4분의 1은 아연 화합물 형태로 소비되며, 그 중 다양한 종류가 산업적으로 사용된다.
12족 원소 활용 분야
카드뮴은 배터리 생산의 핵심 구성 요소이며, 카드뮴 안료, 코팅재, 전기도금에 흔히 사용되는 등 다양한 산업적 용도를 가지고 있다. 2009년에는 카드뮴의 86%가 배터리에 사용되었으며, 주로 충전식 니켈-카드뮴 전지에 사용되었다. 유럽 연합은 2004년에 일부 예외를 두고 전자 제품에서 카드뮴 사용을 금지했으며 전자 제품 내 카드뮴 허용 함량을 0.002%로 줄였다. 전 세계 생산량의 6%를 소비하는 카드뮴 전기도금은 강철 부품에 적용될 때 부식에 저항하는 능력 때문에 항공기 산업에서 찾아볼 수 있다.
수은은 주로 산업용 화학 물질 제조 또는 전기 및 전자 응용 분야에 사용된다. 일부 온도계, 특히 고온을 측정하는 데 사용되는 온도계에 사용된다. 형광등에 기체 수은으로 사용되는 양은 여전히 증가하고 있지만, 건강 및 안전 규정으로 인해 다른 대부분의 응용 분야는 서서히 단계적으로 폐지되고 있으며, 일부 응용 분야에서는 독성은 덜하지만 훨씬 비싼 갈린스탄 합금으로 대체되고 있다. 수은과 그 화합물은 의학에 사용되어 왔지만, 수은과 그 화합물의 독성 효과가 더 널리 이해되면서 오늘날에는 이전보다 훨씬 덜 흔하다. 여전히 치과 아말감의 성분으로 사용된다. 20세기 후반에 수은의 가장 큰 사용처는 카스트너-켈너 공정 (수은 전지 공정이라고도 함)에서 염소와 가성 소다 생산이었다.
코페르니슘은 방사능이 매우 높아 연구 외에는 용도가 없다.
12족 원소 생물학적 역할 및 독성
12족 원소는 생물체에 다양한 영향을 미치는데, 카드뮴과 수은은 독성이 있는 반면, 아연은 대부분의 식물과 동물에게 미량으로 필요하다.
아연은 식물, 동물, 미생물에게 필수적인 미량 원소이다. 이는 "일반적으로 유기체에서 철 다음으로 두 번째로 풍부한 전이 금속"이며, 모든 효소 분류에 나타나는 유일한 금속이다. 인체에는 2~4 그램의 아연이 분포되어 있으며, 이는 "어디에나 있는 생물학적 역할"을 한다. 2006년 연구에서는 인간 단백질의 약 10% (2800개)가 아연을 잠재적으로 결합하며, 수백 개의 단백질이 아연을 운반하고 수송한다고 추정했다. 미국에서 권장 식사량 (RDA)은 여성의 경우 8 mg/일, 남성의 경우 11 mg/일이다. 유해한 과도한 보충은 문제가 될 수 있으며 건강한 사람의 경우 하루 20 mg을 초과하지 않는 것이 좋다. 비록 미국 국립 연구 위원회는 일일 허용 상한 섭취량을 40 mg으로 설정했지만 말이다.
수은과 카드뮴은 독성이 있으며 강이나 빗물에 유입되면 환경 피해를 유발할 수 있다. 이로 인해 오염된 작물은 물론 생체 축적을 통해 수은 중독 및 카드뮴 중독으로 인한 질병 증가로 이어질 수 있다.
13족 원소
붕소족(Boron group)은 주기율표의 13족에 속하는 원소로, 붕소 (B), 알루미늄 (Al), 갈륨 (Ga), 인듐 (In), 탈륨 (Tl), 니호늄 (Nh)으로 구성된다. 이 족은 주기율표의 p-구역에 있다. 붕소족 원소는 세 개의 원자가 전자를 갖는다는 특징이 있다. 이 원소는 트라이엘(triels)이라고도 불린다.
몇몇 13족 원소는 생태계에서 생물학적 역할을 한다. 붕소는 인간의 미량 원소이며 일부 식물에 필수적이다. 붕소 부족은 식물 성장을 억제할 수 있으며, 과다 역시 성장을 저해하여 해를 끼칠 수 있다. 알루미늄은 생물학적 역할도 유의미한 독성도 없으며 안전하다고 간주된다. 인듐과 갈륨은 신진대사를 자극할 수 있으며; 갈륨은 철 단백질에 결합하는 능력이 있다. 탈륨은 매우 독성이 강하여 수많은 필수 효소의 기능을 방해하며 농약으로 사용되기도 했다.
13족 원소 특징
다른 족들과 마찬가지로, 이 족의 구성원들은 전자 배열, 특히 가장 바깥 껍질에서 일정한 경향을 보여 화학적 행동의 경향으로 이어진다.
붕소족은 위에서 보여준 전자 배열과 일부 원소의 특성에서 경향이 두드러진다. 반응성의 경향의 한 예는 붕소가 수소와 반응성 화합물을 형성하는 경향이 있다는 것이다. 그러나 붕소는 다른 족 구성원과는 다르다. 붕소는 모든 원소 중 경도가 다이아몬드에 이어 두 번째로 높다.:145 붕소는 준금속으로 간주되는 반면, 이 족의 다른 원소는 전부 금속이며, 붕소의 녹는점은 2076°C로, 족에서 두 번째로 높은 알루미늄의 606°C보다 훨씬 높다.:141.
붕소족의 대부분의 원소는 원자 질량이 증가하고 원자 번호가 높아질수록 반응성이 증가하는 경향을 보인다. 이 족의 첫 번째 원소인 붕소는 일반적으로 고온을 제외하고는 많은 원소와 반응하지 않지만, 때로는 보레인이라고 불리는 많은 수소 화합물을 형성할 수 있다. 가장 간단한 보레인은 다이보레인, 또는 B2H6이다. 다른 예로는 B10H14가 있다.
13족 원소 특징
다음 13족 원소인 알루미늄과 갈륨은 더 적은 수소화물을 형성하지만, AlH3와 GaH3는 모두 존재한다. 이 족의 다음 원소인 인듐은 포스핀 착물 H3InP(Cy)3 (Cy=사이클로헥실)과 같은 복합 화합물을 제외하고는 많은 수소화물을 형성하는 것으로 알려져 있지 않다. 탈륨과 수소의 안정적인 화합물은 어떤 실험실에서도 합성되지 않았다.
붕소족의 모든 원소는 세 개의 산소 원자와 두 개의 원소 원자가 공유 결합으로 결합된 3가 산화물을 형성하는 것으로 알려져 있다. 이 원소는 pH가 증가하는 경향을 보인다 (산성에서 염기성으로). 산화 붕소 (B2O3)는 약산성이고, 알루미늄과 갈륨 산화물 (각각 Al2O3와 Ga2O3)은 양쪽성 물질이며, 산화 인듐(III) (In2O3)은 거의 양쪽성 물질이고, 탈륨(III) 산화물 (Tl2O3)은 산에 용해되어 염을 형성하므로 루이스 염기이다. 이 화합물은 모두 안정하지만, 산화 탈륨은 875°C 이상의 온도에서 열분해된다.
13족 원소 특징
13족 원소는 또한 할로젠과 안정적인 화합물을 형성할 수 있으며, 일반적으로 MX3 (M은 붕소족 원소, X는 할로젠)의 공식을 따른다. 첫 번째 할로젠인 플루오린은 시험된 모든 원소(네온과 헬륨 제외)와 안정적인 화합물을 형성할 수 있으며, 붕소족도 예외는 아니다. 니호늄이 방사능으로 인해 자발적으로 붕괴하기 전에 플루오린과 NhF3 화합물을 형성할 수도 있다고 추정된다. 염소 또한 탈륨을 포함한 붕소족의 모든 원소와 안정적인 화합물을 형성하며, 니호늄과 반응할 것으로 추정된다. 모든 원소는 적절한 조건에서 브로민과 반응하며, 다른 할로젠과 마찬가지로 염소나 플루오린보다 덜 격렬하게 반응한다. 아이오딘은 비활성 기체를 제외한 주기율표의 모든 자연 원소와 반응하며, 알루미늄과 폭발적으로 반응하여 AlI3를 형성하는 것으로 유명하다. 다섯 번째 할로젠인 아스타틴은 방사능과 짧은 반감기 때문에 몇 가지 화합물만 형성했으며, At-Al, -Ga, -In, -Tl 또는 -Nh 결합을 가진 화합물에 대한 보고는 없지만, 과학계는 금속과 염을 형성할 것이라고 추정한다. 17족의 여섯 번째이자 마지막 구성원인 테네신도 붕소족 원소와 화합물을 형성할 수 있지만, 테네신은 순전히 인공적으로 생성되어야 하므로 그 화학적 성질은 아직 조사되지 않았으며, 어떤 화합물이라도 극심한 방사능으로 인해 형성 즉시 거의 붕괴될 가능성이 높다.
13족 원소 특징
붕소족 원소는 비슷한 물리적 특성을 가지고 있지만, 붕소의 특성은 대부분 예외적이다. 예를 들어, 붕소 자체를 제외한 붕소족의 모든 원소는 부드럽다. 또한, 13족의 다른 모든 원소들은 중간 온도에서 상대적으로 반응성이 높지만, 붕소의 반응성은 매우 높은 온도에서만 비교할 만하다. 모든 원소가 공통적으로 가지고 있는 한 가지 특징은 원자가 껍질에 세 개의 전자를 가지고 있다는 것이다. 준금속인 붕소는 상온에서는 열 및 전기 절연체이지만, 고온에서는 열과 전기의 좋은 전기 전도체이다. 붕소와 달리 이 족의 금속은 정상적인 조건에서 좋은 전도체이다. 이는 모든 금속이 대부분의 비금속보다 열과 전기를 더 잘 전도한다는 오랜 일반화와 일치한다.
13족 원소 특징
불활성 전자쌍 효과는 13족 원소, 특히 탈륨과 같은 무거운 원소에서 두드러진다. 이는 다양한 산화수를 만든다. 가벼운 원소에서는 +3 상태가 가장 안정적이지만, 원자 번호가 증가할수록 +1 상태가 더욱 보편화되어 탈륨에서 가장 안정적이다. 붕소는 +1 또는 +2의 낮은 산화수를 가진 화합물을 형성할 수 있으며, 알루미늄도 마찬가지이다. 갈륨은 +1, +2, +3의 산화수를 가진 화합물을 형성할 수 있다. 인듐은 갈륨과 비슷하지만, +1 화합물이 가벼운 원소보다 더 안정적이다. 불활성 전자쌍 효과의 강도는 탈륨에서 최대이며, 탈륨은 일반적으로 +1 산화 상태에서만 안정적이지만, 일부 화합물에서는 +3 상태도 나타난다. 이후 +2의 형식 산화 상태를 가진 안정하고 단량체적인 갈륨, 인듐, 탈륨 라디칼이 보고되었다. 니호늄은 +5의 산화수를 가질 수 있다.
붕소족 원소의 특성에서 관찰할 수 있는 몇 가지 경향이 있다. 이 원소들의 끓는점은 주기가 증가할수록 감소하는 경향이 있으며, 밀도는 증가하는 경향이 있다.
13족 원소 특징
인공적으로 합성된 니호늄을 제외하고, 붕소족의 모든 원소는 안정적인 동위 원소를 가지고 있다. 모든 원자 번호가 홀수이기 때문에 붕소, 갈륨, 탈륨은 두 개의 안정 동위 원소만을 가지고 있으며, 알루미늄과 인듐은 단일 동위 원소이다. 비록 자연에서 발견되는 대부분의 인듐은 약한 방사성 115In이지만 말이다. 10B와 11B는 모두 안정하며, 27Al, 69Ga와 71Ga, 113In, 203Tl와 205Tl도 마찬가지이다. 이 모든 동위 원소는 자연에서 거시적인 양으로 쉽게 발견된다. 이론적으로는 원자 번호가 66번보다 큰 모든 동위 원소는 알파 붕괴에 대해 불안정해야 한다. 반대로, 원자 번호가 66번 이하인 모든 원소(Tc, Pm, Sm, Eu 제외)는 이론적으로 모든 형태의 붕괴에 대해 에너지적으로 안정적인 동위 원소를 적어도 하나 가지고 있다(양성자 붕괴는 관찰된 적이 없으며, 자발 핵분열은 원자 번호가 40번보다 큰 원소에서 이론적으로 가능하다).
다른 모든 원소와 마찬가지로, 붕소족 원소도 자연에 미량으로 존재하거나 합성적으로 생산되는 방사성 동위 원소를 가지고 있다. 이 불안정한 동위 원소 중 가장 수명이 긴 것은 인듐 동위 원소 115In으로, 4.41 × 1014 y의 극도로 긴 반감기를 가진다. 이 동위 원소는 약간의 방사능에도 불구하고 자연적으로 발생하는 대부분의 인듐을 구성한다. 가장 수명이 짧은 것은 7B로, 350±50 × 10−24 s의 짧은 반감기를 가지며, 측정 가능한 붕소 동위 원소 중 가장 적은 중성자를 가진다. 일부 방사성 동위 원소는 과학 연구에서 중요한 역할을 하며; 소수는 상업용 제품 생산에 사용되거나, 드물게는 완제품의 구성 요소로 사용된다.
13족 원소 역사
붕소족은 수년 동안 여러 이름을 가지고 있었다. 이전 관례에 따르면 유럽 명명법에서는 IIIB족, 미국 명명법에서는 IIIA족이었다. 이 족은 또한 "지구 금속"과 "트라이엘"이라는 두 가지 집합적인 이름을 얻었다. 후자의 이름은 라틴어 접두사 tri- ("셋")에서 유래했으며, 예외 없이 모든 이 원소들이 원자가 껍질에 가지고 있는 세 개의 원자가 전자를 의미한다. "트라이엘"이라는 이름은 1970년에 국제 순수·응용 화학 연합 (IUPAC)에 의해 처음 제안되었다.
붕소는 고대 이집트인들에게 알려져 있었지만, 붕사 광물 형태로만 알려져 있었다. 이 준금속 원소는 1808년 험프리 데이비가 전기 분해 방식으로 추출할 수 있을 때까지 순수한 형태로 알려지지 않았다. 데이비는 붕소 함유 화합물을 물에 용해시키고 전류를 흘려 화합물의 원소들을 순수한 상태로 분리하는 실험을 고안했다. 더 많은 양을 생산하기 위해 그는 전기 분해에서 나트륨 환원으로 전환했다. 데이비는 이 원소를 보라키움이라고 명명했다. 동시에 두 명의 프랑스 화학자인 조제프 루이 게이뤼삭과 루이 자크 테나르는 철을 사용하여 붕산을 환원했다. 그들이 생산한 붕소는 산화되어 산화 붕소가 되었다.
13족 원소 역사
알루미늄은 붕소와 마찬가지로, 세계 일부 지역에서 흔한 광물인 백반에서 추출되기 전에 광물 형태로 먼저 알려졌다. 앙투안 라부아지에와 험프리 데이비는 각자 독립적으로 추출을 시도했다. 둘 다 성공하지 못했지만, 데이비는 이 금속에 현재의 이름을 부여했다. 1825년에야 덴마크 과학자 한스 크리스티안 외르스테드가 상당히 불순한 형태의 원소를 성공적으로 추출했다. 많은 개선이 뒤따랐으며, 불과 2년 후 프리드리히 뵐러가 중요한 진전을 이루었지만, 그의 약간 수정된 절차 역시 불순한 제품을 산출했다. 알루미늄의 첫 번째 순수 시료는 앙리 에티엔 생클레르 드빌이 성공했는데, 그는 절차에서 칼륨을 나트륨으로 대체했다. 당시 알루미늄은 귀하게 여겨졌고, 금과 은과 같은 금속 옆에 전시되었다. 오늘날 사용되는 방법인 빙정석에 용해된 산화 알루미늄의 전기 분해는 1880년대 후반에 찰스 마틴 홀과 폴 에루에 의해 개발되었다.
13족 원소 역사
탈륨은 붕소족에서 가장 무거운 안정 원소로, 1861년에 윌리엄 크룩스와 클로드 오귀스트 라미가 발견했다. 갈륨과 인듐과는 달리, 탈륨은 드미트리 멘델레예프가 예측하지 않았는데 멘델레예프가 주기율표를 발명하기 전에 발견되었기 때문이다. 그 결과, 아무도 1850년대 크룩스와 라미가 황산 생산 잔류물을 조사할 때까지 그것을 찾고 있지 않았다. 스펙트럼에서 그들은 완전히 새로운 선, 짙은 녹색 줄무늬를 보았는데, 크룩스는 이를 그리스어 θαλλός (thallos)에서 따와 녹색 새싹 또는 작은 가지를 의미하는 것으로 명명했다. 라미는 새로운 금속을 더 많은 양으로 생산할 수 있었고, 그 화학적 및 물리적 특성 대부분을 결정했다.
13족 원소 역사
인듐은 붕소족의 네 번째 원소이지만, 세 번째 원소인 갈륨보다 먼저, 다섯 번째 원소인 탈륨보다 나중에 발견되었다. 1863년 페르디난트 라이히와 그의 조수 히에로니무스 테오도르 리히터는 섬아연석 (ZnS)으로도 알려진 아연 황화물 광물 샘플에서 새로 발견된 원소 탈륨의 분광선을 찾고 있었다. 라이히는 백금 금속 코일에서 광석을 가열하고 분광기에 나타나는 선들을 관찰했다. 예상했던 녹색 탈륨 선 대신, 그들은 짙은 남색의 새로운 선을 보았다. 이는 새로운 원소에서 오는 것이 틀림없다고 결론 내리고, 그들은 이 원소에 특징적인 남색을 따서 이름을 붙였다.
13족 원소 역사
갈륨 광물은 1875년 8월, 원소 자체가 발견되기 전까지는 알려지지 않았다. 이는 주기율표의 발명가인 드미트리 멘델레예프가 6년 전에 존재를 예측했던 원소 중 하나였다. 아연 황화물 광석에서 분광선을 조사하던 프랑스 화학자 폴 에밀 르코크 드 부아보드랑은 광석에서 새로운 원소의 징후를 발견했다. 그는 불과 3개월 만에 시료를 생산할 수 있었는데, 이를 수산화 칼륨 (KOH) 용액에 녹여 전류를 흘려 정제했다. 다음 달 그는 프랑스 과학 아카데미에 자신의 발견을 발표하고, 이 새로운 원소를 현대 프랑스의 그리스어 이름인 갈리아(Gaul)를 따서 명명했다.
붕소족의 마지막으로 확인된 원소인 니호늄은 발견된 것이 아니라 생성 또는 합성되었다. 이 원소의 합성은 러시아의 합동원자핵연구소 팀과 미국의 로렌스 리버모어 국립연구소가 처음 존재를 보고했지만, 2003년 8월에 실험을 성공적으로 수행한 것은 두브나 팀이었다. 니호늄은 모스코븀의 붕괴 사슬에서 발견되었으며, 이는 몇 개의 귀중한 니호늄 원자를 생산했다. 그 결과는 이듬해 1월에 발표되었다. 이후 약 13개의 원자가 합성되었고 다양한 동위 원소가 특성화되었다. 그러나 그들의 결과는 발견으로 간주되기 위한 엄격한 기준을 충족하지 못했으며, 2004년에 직접 니호늄을 합성하려는 후속 RIKEN 실험이 IUPAC에 의해 발견으로 인정받았다.
"붕소"라는 이름은 붕소가 추출되기 전부터 알려져 있던 붕사 광물(بورق, boraq)의 아랍어에서 유래했다. "-on" 접미사는 "탄소"에서 따온 것으로 생각된다. 알루미늄은 1800년대 초 험프리 데이비가 명명했다. 이는 쓴 소금을 의미하는 그리스어 alumen 또는 광물 alum의 라틴어에서 유래했다. 갈륨은 발견 장소인 현대 프랑스의 라틴어 갈리아(Gallia)에서 유래했다. 인듐은 남색 염료를 의미하는 라틴어 indicum에서 유래했으며, 원소의 특징적인 남색 분광선을 나타낸다. 탈륨은 인듐과 마찬가지로 분광선의 색깔을 의미하는 그리스어 θαλλός (thallos)에서 유래했으며, 녹색 새싹 또는 작은 가지를 의미한다. "니호늄"은 발견지인 일본 (일본어로 Nihon)의 이름을 따서 명명되었다.
13족 원소 존재 및 풍부도
붕소는 원자 번호 5번의 매우 가벼운 원소이다. 자연에서 거의 자유로운 상태로 발견되지 않으며, 지구 지각의 0.001% (10 ppm)만을 차지하여 매우 적은 양으로 존재한다. 그러나 100가지가 넘는 다양한 광물과 광석에서 발견되는 것으로 알려져 있다. 주요 공급원은 붕사이지만, 콜레마나이트, 붕회석, 커나이트, 투시오나이트, 베르보라이트, 플루오보라이트에서도 발견된다. 주요 붕소 채굴 및 추출 국가로는 튀르키예, 미국, 아르헨티나, 중화인민공화국, 볼리비아, 페루가 있다. 튀르키예는 전 세계 붕소 추출량의 약 70%를 차지하며 단연 가장 두드러진다. 미국은 두 번째이며, 대부분의 생산량은 캘리포니아주에서 나온다.
13족 원소 존재 및 풍부도
알루미늄은 붕소와는 대조적으로 지구 지각에서 가장 풍부한 금속이며, 세 번째로 풍부한 원소이다. 지구 지각의 약 8.2% (82,000 ppm)를 구성하며, 산소와 규소만이 더 풍부하다. 그러나 붕소와 마찬가지로 자연에서 자유로운 원소로 흔하지 않다. 이는 알루미늄이 산소 원자를 끌어당겨 여러 산화 알루미늄을 형성하는 경향이 있기 때문이다. 알루미늄은 이제 석류석, 터키석, 녹주석을 포함하여 붕소만큼이나 많은 광물에서 발견되는 것으로 알려져 있지만, 주요 공급원은 보크사이트 광석이다. 세계적으로 알루미늄 추출을 선도하는 국가는 가나, 수리남, 러시아, 인도네시아이며, 그 다음으로 오스트레일리아, 기니, 브라질이 뒤따른다.