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촉매 중요성
상업적으로 생산되는 모든 화학 제품의 90%가 제조 공정의 어느 단계에서든 촉매를 포함하는 것으로 추정된다. 2005년에는 촉매 공정이 전 세계적으로 약 9천억 달러의 제품을 생산했다. 촉매는 너무나 널리 퍼져 있어 하위 분야를 쉽게 분류하기 어렵다. 아래에서 특히 집중하는 일부 분야를 살펴본다.
석유 정제는 알킬화, 접촉 분해(장쇄 탄화수소를 더 작은 조각으로 분해), 나프타 개질, 수증기 개질(탄화수소를 합성 가스로 전환)을 위해 촉매를 집중적으로 사용한다. 화석 연료 연소에서 나오는 배기가스조차도 촉매를 통해 처리된다. 일반적으로 백금과 로듐으로 구성된 디젤 산화 촉매장치는 자동차 배기가스의 더 유해한 부산물 중 일부를 분해한다.
2 CO + 2 NO → 2 CO2 + N2
합성 연료와 관련하여, 오래되었지만 여전히 중요한 공정은 합성 가스로부터 탄화수소를 합성하는 피셔-트로프쉬 합성이며, 이는 수성 가스 전환 반응을 통해 처리되고 철에 의해 촉매된다. 사바티에르 반응은 이산화탄소와 수소로부터 메테인을 생산한다. 바이오디젤 및 관련 바이오 연료는 무기 및 생체 촉매를 통한 처리가 필요하다.
촉매 중요성
연료전지는 양극 및 음극 반응 모두에 촉매를 사용한다.
촉매 히터는 가연성 연료 공급으로부터 무염 열을 생성한다.
일부 대량 화학 물질은 촉매 산화를 통해 생산되며, 종종 산소를 사용한다. 예로는 암모니아로부터의 질산, 접촉 공정에 의한 이산화 황에서 삼산화 황으로의 황산, p-자일렌으로부터의 테레프탈산, 프로필렌 또는 프로페인으로부터의 아크릴산, 프로페인 및 암모니아로부터의 아크릴로나이트릴이 있다.
암모니아 생산은 가장 대규모이며 에너지 집약적인 공정 중 하나이다. 하버법에서는 질소가 철 산화물 촉매 위에서 수소와 결합된다. 메탄올은 일산화 탄소 또는 이산화 탄소로부터 준비되지만 구리-아연 촉매를 사용한다.
에틸렌과 프로필렌으로부터 유도된 대량 중합체는 종종 치글러-나타 촉매를 사용하여 제조된다. 폴리에스터, 폴리아미드, 이소시아네이트는 산염기 촉매를 통해 유도된다.
대부분의 카보닐화 공정에는 금속 촉매가 필요하며, 예로는 몬산토 아세트산 공정과 하이드로포르밀화가 있다.
촉매 중요성
많은 정밀 화학물질은 촉매 작용을 통해 제조된다. 이 방법에는 중공업의 방법뿐만 아니라 대규모로는 비싸게 될 더 전문적인 공정이 포함된다. 예를 들어 헥 반응과 프리델-크래프츠 반응이 있다. 대부분의 생체 활성 화합물이 카이랄성이므로 많은 의약품은 에난티오선택성 촉매 작용(촉매 비대칭 합성)으로 생산된다. 항균제인 레보플록사신의 전구체인 (R)-1,2-프로판다이올은 노요리 비대칭 수소화에서 BINAP-루테늄 착물 기반 촉매를 사용하여 하이드록시아세톤으로부터 효율적으로 합성될 수 있다.
촉매의 가장 분명한 응용 분야 중 하나는 니켈 촉매를 사용하여 지방을 수소화(수소 기체와 반응)하여 마가린을 생산하는 것이다. 많은 다른 식품은 생체 촉매를 통해 준비된다(아래 참조).
촉매는 산업 공정의 효율성을 높여 환경에 영향을 미치지만, 촉매는 환경에서 직접적인 역할도 한다. 주목할 만한 예는 염소 (원소)유리기가 오존을 분해하는 촉매 역할이다. 이 유리기들은 염화 플루오린화 탄소(CFC)에 대한 자외선방사선의 작용에 의해 형성된다.
Cl· + O3 → ClO· + O2
ClO· + O· → Cl· + O2
촉매 역사
"촉매"라는 용어는 넓게 정의하여 프로세스의 속도를 증가시키는 모든 것을 의미하며, 그리스어 καταλύειν에서 유래했으며, "무효화하다", "풀다" 또는 "들어 올리다"를 의미한다. 촉매의 개념은 화학자 엘리자베스 풀하메가 1794년 책에서 산화-환원 반응에 대한 그녀의 새로운 연구를 바탕으로 고안하고 설명했다. 촉매를 의식적으로 사용한 유기화학에서의 첫 화학 반응은 1811년 고틀리프 키르히호프에 의해 연구되었는데, 그는 녹말이 포도당으로 산 촉매 전환되는 것을 발견했다. 촉매라는 용어는 나중에 1835년 옌스 야코브 베르셀리우스에 의해 반응 후 변하지 않은 채 남아 반응을 가속화하는 물질을 설명하기 위해 사용되었다. 베르셀리우스보다 앞서 활동한 풀하메는 환원 실험에서 금속 대신 물을 사용했다. 18세기 다른 촉매 분야에서 활동한 화학자로는 접촉 공정이라고 언급한 아일하르트 미처리히와 접촉 작용을 언급한 요한 볼프강 되베라이너가 있다. 그는 수소와 백금 스펀지를 기반으로 한 되베라이너의 램프라는 라이터를 개발했는데, 이는 1820년대에 상업적으로 성공을 거두어 오늘날까지 이어지고 있다. 험프리 데이비는 촉매에 백금을 사용하는 것을 발견했다. 1880년대에 라이프치히 대학교의 빌헬름 오스트발트는 산과 염기의 존재에 의해 촉매되는 반응에 대한 체계적인 조사를 시작했으며, 화학 반응이 유한한 속도로 발생하며 이러한 속도를 사용하여 산과 염기의 강도를 결정할 수 있음을 발견했다. 이 연구로 오스트발트는 1909년 노벨 화학상을 수상했다. 블라디미르 이파티예프는 올리고머화의 발견 및 상업화를 포함하여 일부 초기 산업 규모 반응을 수행했으며 수소화를 위한 촉매를 개발했다.
촉매 억제제, 독성 물질 및 촉진제
속도를 낮추는 첨가 물질을 가역적일 경우 반응 억제제라고 하고, 비가역적일 경우 촉매 독성 물질이라고 한다. 촉진제는 그 자체로는 촉매가 아니지만 촉매 활성을 증가시키는 물질이다.
억제제는 반응 속도를 감소시키기 때문에 때때로 "음성 촉매"라고 불리기도 한다. 그러나 억제제는 더 높은 활성화 에너지를 가진 반응 경로를 도입함으로써 작동하지 않으므로, 반응 속도를 낮추지 않는다. 그 대신, 촉매를 비활성화시키거나 자유 라디칼과 같은 반응 중간체를 제거함으로써 작용한다. 불균일 촉매에서는 중합성 부산물로 덮여 촉매가 비활성화되는 현상을 코킹이라고 한다.
억제제는 속도뿐만 아니라 선택성도 변경할 수 있다. 예를 들어, 알카인을 알켄으로 수소화하는 과정에서 아세트산 납(II) (Pb(CH3CO2)2)로 부분적으로 "독이 된" 팔라듐 (Pd) 촉매를 사용할 수 있다(린들라 촉매). 촉매가 비활성화되지 않으면 생성된 알켄은 더 나아가 알케인으로 수소화된다.
촉매 억제제, 독성 물질 및 촉진제
억제제는 예를 들어 특정 유형의 활성 자리만 선택적으로 독살함으로써 이러한 효과를 낼 수 있다. 또 다른 메커니즘은 표면 형상을 변경하는 것이다. 예를 들어, 수소화 작업에서 금속 표면의 큰 평면은 수소분해 촉매 작용의 자리로 작용하는 반면, 불포화물 수소화를 촉매하는 자리는 더 작다. 따라서 표면을 무작위로 덮는 독극물은 오염되지 않은 큰 평면의 수를 낮추는 경향이 있지만, 비례적으로 작은 자리는 자유롭게 남겨두어 수소화 대 수소분해 선택성을 변경한다. 다른 많은 메커니즘도 가능하다.
촉진제는 표면을 덮어 코크스 덩어리의 생성을 방지하거나, 심지어 그러한 물질을 적극적으로 제거할 수도 있다(예: 플랫폼밍에서 백금 위의 레늄). 촉진제는 촉매 물질의 분산을 돕거나 반응물과 결합할 수 있다.
촉매 생명 기원의 전생물적 촉매 작용
생명은 정보 처리와 생물학적 중합체에 의해 수행되는 촉매 활성 사이의 상호 작용을 기반으로 한다. 전생물적 정보 코딩 중합체에서 촉매 기능이 출현하는 가능한 진화 경로는 제안되었다. 또한 생명은 RNA-단백질 시스템으로 출현했으며, 여기서 두 구성 요소는 서로의 형성을 상호 촉매했다고 제안되었다.
화학 반응
화학 반응(化學反應, 영어: chemical reaction)은 어떠한 화학 물질이 화학 변화를 겪어 다른 물질로 변화하는 과정이다. 고전적인 화학 반응은 원자핵의 변화 없이 원자 사이의 화학 결합이 형성되거나 끊어질 때 전자의 위치의 변화만을 다루며, 화학반응식으로 설명할 수 있다. 핵화학은 화학의 소분과로서 불안정하고 방사성을 띤 원자들의 화학 반응을 다룬다.
화학 반응에서 변화하기 전의 물질을 반응물, 변화한 물질을 생성물이라고 한다.
화학 반응은 일정한 온도와 화학 농도에서 특유의 반응 속도로 이루어지며, 열 에너지 이외의 에너지를 필요로 하지 않는 빠른 반응은 자발적 과정으로 불린다. 비자발적 반응은 자연 상태에서는 매우 느리게 이루어지며, 인간이 관측하기 적절한 속도의 반응을 일으켜 화학 평형에 도달하려면 열, 빛, 전기 에너지 등 추가적인 에너지가 필요하다.
화학 반응 종류
화학 반응에는 다음과 같은 종류가 있다.
N2 + 3H2 → 2NH3
2H2O → 2H2 + O2
2Na + 2HCl → 2NaCl + H2
NaCl + AgNO3 → NaNO3 + AgCl
또한, 반응 과정에서 열을 흡수하는 반응을 흡열 반응, 열을 방출하는 반응을 발열 반응이라고 한다.
인체골격
인체골격(人體骨骼)은 뼈로 구성되며 몇몇의 뼈는 서로 관절하며 인대, 힘줄, 근육, 연골로 골격을 지탱하며 보충한다.
일생 동안에 골격의 구성은 바뀐다. 잉태 기간의 초기 태아는 단단한 골격을 가지지 않으며, 자궁에서 9개월 동안 자라면서 뼈는 형성된다. 아기가 태어났을 때 성인보다 많은 뼈를 가지고 있다. 평균적으로 성인은 206개의 뼈를 가지고 있다(개개인마다 차이는 존재한다.). 하지만 아기는 대략 270개의 뼈를 가지고 태어난다. 뼈 개수의 차이는 성장 중에 서로 융합하기 때문이다. 이 개수는 머리뼈 및 척추등 모든 인체의 뼈를 포함하는 숫자이다. 척추의 아래쪽에 위치하는 뼈는 엉치뼈와 꼬리뼈로 이루어져 있으며, 태생시에는 나누어 있다가 자라면서  몇몇개로 융합하여  단단한 구조를 이룬다.
가운데귀(중이)에 있는 6개의 뼈(한 쪽에 각각 3개씩)는 그들끼리만 관절한다. 그리고 목뿔뼈는 어떤 뼈와도 만나지 않는다.
가장 큰 뼈는 넙다리뼈(대퇴골)이며 가장 작은 뼈는 가운데귀(중이)에 있는 등자뼈이다.
KMLE 의학검색엔진에서 "대한의협 의학용어 사전"과 "대한해부학회 의학용어 사전"을 검색할 수 있다.
인체골격 기능
골격의 기능은 몸을 지지할 뿐만이 아니라, 혈액형성작용(조혈작용)을 한다. 혈액 세포의 생성은 골수에서 생성된다(이것이 골수암이 치명적인 병인 이유다). 중요 장기를 보호하기 위해서 필요하며 이동 및 지지를 위해 근육을 필요로 한다.
인체골격 형태
뼈가 골격으로서 갖는 기능들은 그 형태에서 잘 보여준다.  이처럼  뼈의 형태들은 그 뼈의 골격상의 기능을 설명하는데 주요하다. 뼈들은 인체골격상 주위의 연관된 뼈들 뿐만 아니라 주변의 근육등과도 밀접한 연관성을 갖는다.
인체골격 성별간 차이점
남자와 여자의 골격 간에는 많은 차이가 있고, 어떤 것들은 두드러진다. 남자는 다소 두껍고 긴 사지와 손발가락을 가지고 있는 반면에 여자는 신체 크기에 비해 큰 골반뼈를 가지고 있는 경향이 있다. 여자는 좁은 가슴우리(흉곽)와 작은 이, 작은 아래턱뼈를 가지는 경향이 있다.
한편 법의인류학의 경우에서 임신후 산후를 겪은 뼈의 특징이 확인 가능하다.
인체골격 연령별 차이점
잉태 기간의 초기 태아는 단단한 골격을 가지지 않으며, 자궁에서 9개월 동안 자라면서 뼈가 형성되고 아기가 태어났을 때 성인보다 많은 뼈를 가지고 있는 특징들은 뼈들이 각각의 연령대에서 차이점을 보여준다고 할 수 있다.
인체골격 골격의 성장
골격상의 뼈들은 태아때부터 인체의 기능이 정지하는 순간까지 계속해서 성장 또는 생장한다고 볼 수 있는데 특별한 경우로는 뼈의 골절후 재생접합된 경우와 같은 외상후 뼈의 상태가 있다. 또한 상황에 따른 무리한 뼈와관절의 지속적인 사용에 따른 뼈와 관절부위의 변형된 특징들의 경우도 있다.
한편 뼈는 특히 전족의 경우처럼 유년시절이나 성인 전의 성장기에서 학대나 외압에 의해 손상된 형태(골격상 그 뼈의 기능을 온전히 수행하지 못할 정도)나 또는 흔적 또는 외부요인의 정보들을 보존한다.< 이를 볼프의 법칙 (Wolf's law)라고 한다.
몸통뼈대
몸통뼈대(axial skeleton, 축골격) 또는 구간골격, 또는 중축골격은 머리뼈(skull), 척주(vertebral column), 그리고 가슴우리(thoracic cage)를 구성하는 뼈들을 말한다. 뇌와 척수 및 그 외의 중요한 장기들을 보호하는 기능을 한다.
몸통뼈대 인간의 몸통뼈대의 구성
인간의 몸통뼈대를 이루는 80개의 뼈의 종류와 각각의 개수는 다음과 같다.
16족 원소
칼코젠(chalcogens, 광석 형성)(/ˈkælkədʒənz/)은 주기율표의 16족에 있는 화학 원소이다. 이 족은 산소족(oxygen family)으로도 알려져 있다. 16족은 산소(O), 황(S), 셀레늄(Se), 텔루륨(Te) 및 방사성 원소인 폴로늄(Po), 리버모륨(Lv)으로 구성된다. 산소는 황, 셀레늄, 텔루륨, 폴로늄과는 매우 다른 화학적 거동을 보이기 때문에 종종 다른 칼코젠과는 별도로 취급되며, 때로는 "칼코젠"이라는 용어의 범위에서 완전히 제외되기도 한다. "칼코젠"이라는 단어는 주로 구리를 의미하는 그리스어 khalkos (χαλκός) (이 용어는 청동, 황동, 시적인 의미의 모든 금속, 광석 및 주화에도 사용됨)와 태어나거나 생산됨을 의미하는 라틴어화된 그리스어 genēs의 조합에서 파생되었다.
16족 원소
황은 고대부터 알려져 있었고, 산소는 18세기에 원소로 인식되었다. 셀레늄, 텔루륨, 폴로늄은 19세기에 발견되었고, 리버모륨은 2000년에 발견되었다. 모든 칼코젠은 6개의 원자가 전자를 가지며, 이는 완전한 최외각 전자 껍질을 채우는 데 두 개의 전자가 부족하다는 것을 의미한다. 이들의 가장 흔한 산화수는 -2, +2, +4, +6이다. 이들은 상대적으로 작은 원자 반지름을 가지며, 특히 가벼운 원소가 더욱 그렇다.
모든 자연 발생 칼코젠은 영양소 또는 독소로서 생물학적 기능에 일부 역할을 한다. 셀레늄은 중요한 영양소(특히 셀레노시스테인의 구성 요소)이지만 일반적으로 독성이 있다. 텔루륨은 종종 좋지 않은 효과를 가지며(일부 유기체는 이를 사용할 수 있지만), 폴로늄(특히 폴로늄-210 동위 원소)은 방사능 때문에 항상 유해하다.
16족 원소
황은 20개 이상의 동소체를 가지며, 산소는 9개, 셀레늄은 적어도 8개, 폴로늄은 2개를 가진다. 텔루륨은 현재까지 하나의 결정 구조만 발견되었다. 그 외 수많은 유기 칼코젠 화합물이 있다. 산소를 제외하고 유기 황 화합물이 일반적으로 가장 흔하며, 다음으로 유기 셀레늄 화합물과 유기 텔루륨 화합물이 뒤따른다. 이러한 경향은 칼코젠 프닉타이드 및 칼코젠과 14족 원소 원소를 포함하는 화합물에서도 나타난다.
산소는 일반적으로 공기를 질소와 산소로 분리하여 얻어진다. 황은 기름과 천연가스에서 추출된다. 셀레늄과 텔루륨은 구리 정련의 부산물로 생산된다. 폴로늄은 자연 발생 악티늄족 함유 물질에서 가장 쉽게 얻을 수 있다. 리버모륨은 입자 가속기에서 합성되었다. 원소 산소의 주요 용도는 제강이다. 황은 대부분 황산으로 전환되며, 이는 화학 산업에서 많이 사용된다. 셀레늄의 가장 흔한 용도는 유리 제조이다. 텔루륨 화합물은 주로 광학 디스크, 전자 장치 및 태양 전지에 사용된다. 폴로늄의 일부 응용은 방사능 때문이다.
16족 원소 특성
칼코젠은 전자 배열, 특히 가장 바깥쪽 전자 껍질에서 유사한 패턴을 보여주며, 이들 모두 동일한 수의 원자가 전자를 가지므로 화학적 거동에서 유사한 경향이 나타난다.
모든 칼코젠은 6개의 원자가 전자를 가진다. 모든 고체, 안정 칼코젠은 부드러우며 열을 잘 전도하지 않는다. 전기 음성도는 원자 번호가 높은 칼코젠으로 갈수록 감소한다. 밀도, 녹는점 및 끓는점, 원자 및 이온 반지름은 원자 번호가 높은 칼코젠으로 갈수록 증가하는 경향이 있다.
16족 원소 특성
알려진 6개의 칼코젠 중 하나(산소)는 핵 마법수와 같은 원자 번호를 가지며, 이는 이들의 원자핵이 방사성 붕괴에 대한 안정성이 증가하는 경향이 있음을 의미한다. 산소는 3개의 안정 동위 원소와 14개의 불안정 동위 원소를 가진다. 황은 4개의 안정 동위 원소, 20개의 방사성 동위 원소, 1개의 이성질핵을 가진다. 셀레늄은 6개의 관측적으로 안정 또는 거의 안정적인 동위 원소, 26개의 방사성 동위 원소, 9개의 이성질핵을 가진다. 텔루륨은 8개의 안정 또는 거의 안정적인 동위 원소, 31개의 불안정 동위 원소, 17개의 이성질핵을 가진다. 폴로늄은 42개의 동위 원소를 가지며, 그 중 안정적인 것은 없다. 추가로 28개의 이성질핵을 가진다. 안정 동위 원소 외에도 일부 방사성 칼코젠 동위 원소는 자연에서 발생하는데, 210Po와 같은 붕괴 생성물이거나, 82Se와 같은 원시 핵종이거나, 우주선 (물리) 파쇄를 통해 또는 우라늄의 핵분열을 통해 발생한다. 리버모륨 동위 원소 288Lv부터 293Lv까지 발견되었으며, 가장 안정적인 리버모륨 동위 원소는 293Lv로, 반감기는 0.061초이다.
16족 원소 특성
리버모륨을 제외한 모든 칼코젠은 적어도 하나의 자연 발생 방사성 동위 원소를 가진다. 산소는 미량의 15O를 가지며, 황은 미량의 35S를 가지며, 셀레늄은 82Se를 가지며, 텔루륨은 128Te와 130Te를 가지며, 폴로늄은 210Po를 가진다.
더 가벼운 칼코젠(산소와 황) 중 가장 중성자가 부족한 동위 원소는 양성자 방출을 겪고, 적당히 중성자가 부족한 동위 원소는 전자 포획 또는 β+ 붕괴를 겪고, 적당히 중성자가 풍부한 동위 원소는 β− 붕괴를 겪고, 가장 중성자가 풍부한 동위 원소는 중성자 방출을 겪는다. 중간 칼코젠(셀레늄과 텔루륨)은 더 가벼운 칼코젠과 유사한 붕괴 경향을 가지지만, 양성자 방출 동위 원소는 관찰되지 않았으며, 텔루륨의 가장 중성자가 부족한 동위 원소 중 일부는 알파 붕괴를 겪는다. 폴로늄 동위 원소는 알파 또는 베타 붕괴를 통해 붕괴하는 경향이 있다. 핵 스핀이 0이 아닌 동위 원소는 황보다 셀레늄과 텔루륨 칼코젠에서 자연에 더 많이 존재한다.
16족 원소 특성
산소의 가장 흔한 동소체는 이원자 산소 또는 O2로, 호기성 생물에 편재하며 액체 산소 상태에서 푸른색을 띠는 반응성이 있는 상자성 분자이다. 또 다른 동소체는 O3 또는 오존으로, 구부러진 형태로 결합된 세 개의 산소 원자이다. 또한 사산소 또는 O4라는 동소체와 O8 공식을 가진 "붉은 산소"를 포함한 6가지 고체 산소 동소체가 있다.
황은 20개 이상의 알려진 동소체를 가지며, 이는 탄소를 제외한 다른 어떤 원소보다 많다. 가장 흔한 동소체는 8원자 고리 형태이지만, 2개 원자부터 20개 원자까지 포함하는 다른 분자 동소체도 알려져 있다. 다른 주목할 만한 황 동소체에는 사방정계 황과 단사정계 황이 있다. 사방정계 황은 두 동소체 중 더 안정적이다. 단사정계 황은 긴 바늘 형태를 취하며 액체 황이 녹는점보다 약간 낮은 온도로 냉각될 때 형성된다. 액체 황의 원자는 일반적으로 긴 사슬 형태를 취하지만, 190°C 이상에서는 사슬이 분해되기 시작한다. 190°C 이상의 액체 황을 매우 빠르게 냉동하면 결과적으로 무정형 또는 "플라스틱" 황이 된다. 기체 황은 이원자 황(S2)과 8원자 고리의 혼합물이다.
16족 원소 특성
셀레늄은 적어도 8가지 다른 동소체를 가진다. 일반적으로 "금속성" 동소체로 불리지만 금속은 아닌 회색 동소체는 안정적이며 육방정계 결정 구조를 가진다. 셀레늄의 회색 동소체는 부드러우며, 모스 굳기가 2이고 부서지기 쉽다. 셀레늄의 다른 네 가지 동소체는 준안정하다. 이들은 두 가지 단사정계 붉은 동소체와 두 가지 무정형 동소체(하나는 붉은색이고 다른 하나는 검은색)를 포함한다. 붉은 동소체는 열 존재 하에 검은 동소체로 전환된다. 셀레늄의 회색 동소체는 셀레늄 원자의 와선으로 만들어지는 반면, 붉은 동소체 중 하나는 셀레늄 고리(Se8)의 스택으로 만들어진다.
텔루륨은 동소체가 없는 것으로 알려져 있지만, 일반적인 형태는 육방정계이다. 폴로늄은 α-폴로늄과 β-폴로늄으로 알려진 두 가지 동소체를 가진다. α-폴로늄은 입방정계 결정 구조를 가지며 36°C에서 마름모꼴 β-폴로늄으로 전환된다.
칼코젠은 다양한 결정 구조를 가진다. 산소의 결정 구조는 단사정계이며, 황은 사방정계이며, 셀레늄과 텔루륨은 육방정계 결정 구조를 가지며, 폴로늄은 입방정계 결정 구조를 가진다.
16족 원소 특성
산소, 황, 셀레늄은 비금속이고, 텔루륨은 준금속이며, 이는 그 화학적 특성이 금속과 비금속 사이라는 것을 의미한다. 폴로늄이 금속인지 준금속인지는 확실하지 않다. 일부 자료에서는 폴로늄을 준금속으로 언급하지만, 일부 금속적 특성을 가지고 있다. 또한 셀레늄의 일부 동소체는 준금속의 특성을 나타내기도 하지만, 셀레늄은 일반적으로 비금속으로 간주된다. 산소는 칼코젠이지만, 다른 칼코젠과는 화학적 특성이 다르다. 그 이유 중 하나는 더 무거운 칼코젠이 비어있는 d-오비탈을 가지고 있기 때문이다. 산소의 전기 음성도도 다른 칼코젠보다 훨씬 높다. 이로 인해 산소의 전기적 편극도는 다른 칼코젠의 몇 배 낮다.
공유 결합에서 칼코젠은 옥텟 규칙에 따라 두 개의 전자를 받아들일 수 있으며, 두 개의 고립 전자쌍을 남긴다. 원자가 두 개의 단일 결합을 형성할 때, 이들은 90°에서 120° 사이의 각도를 형성한다. H3O+와 같은 1+ 양이온에서 칼코젠은 삼각뿔 형태로 배열된 세 개의 분자 궤도와 하나의 고립 전자쌍을 형성한다. 이중 결합도 칼코젠 화합물에서 흔하며, 예를 들어 칼코젠산염(아래 참조)에서 그렇다.
16족 원소 특성
양의 금속과 가장 흔한 칼코젠 화합물의 산화수는 -2이다. 그러나 칼코젠이 -2 상태에서 화합물을 형성하는 경향은 더 무거운 칼코젠으로 갈수록 감소한다. 황철석과 과산화물에서 -1과 같은 다른 산화수도 나타난다. 가장 높은 형식 산화수는 +6이다. 이 산화수는 황산염, 셀레늄산염, 텔루륨산염, 폴론산염 및 해당 산(예: 황산)에서 발견된다.
산소는 플루오린을 제외하고 가장 전기 음성도가 높은 원소이며, 일부 비활성 기체를 포함한 거의 모든 화학 원소와 화합물을 형성한다. 그것은 많은 금속 및 준금속과 결합하여 산화물을 형성하며, 여기에는 산화 철, 산화 타이타늄, 산화 규소가 포함된다. 산소의 가장 흔한 산화수는 -2이며, 산화수 -1도 비교적 흔하다. 수소와 함께 물과 과산화 수소를 형성한다. 유기 산소 화합물은 유기화학에서 어디에나 존재한다.
16족 원소 특성
황의 산화수는 -2, +2, +4, +6이다. 황 함유 산소 화합물의 유사체는 종종 사이오- 접두사를 가진다. 황의 화학은 여러 면에서 산소와 유사하다. 한 가지 차이점은 황-황 이중 결합이 산소-산소 이중 결합보다 훨씬 약하지만, 황-황 단일 결합은 산소-산소 단일 결합보다 강하다는 것이다. 싸이올과 같은 유기 황 화합물은 강한 특유의 냄새를 가지며, 일부는 특정 유기체에서 활용된다.
셀레늄의 산화수는 -2, +4, +6이다. 셀레늄은 대부분의 칼코젠과 마찬가지로 산소와 결합한다. 유기 셀레늄 화합물인 셀레노단백질과 같은 몇몇 화합물이 있다. 텔루륨의 산화수는 -2, +2, +4, +6이다. 텔루륨은 일산화 텔루륨, 이산화 텔루륨, 삼산화 텔루륨 산화물을 형성한다. 폴로늄의 산화수는 +2와 +4이다.
황산, 아황산, 셀레늄산, 텔루륨산을 포함하여 칼코젠을 함유하는 많은 산이 있다. 물을 제외한 모든 수소 칼코젠화물은 독성이다. 산소 이온은 종종 산화물 이온 (O2−), 과산화물 이온 (O2−2) 및 수산화물 이온 (OH−)의 형태로 나타난다. 황 이온은 일반적으로 황화물 (S2−), 중황화물 (SH−), 아황산염 (SO2−3), 황산염 (SO2−4) 및 티오황산염 (S2O2−3)의 형태로 나타난다. 셀레늄 이온은 일반적으로 셀레늄화물 (Se2−), 셀레늄산 이온 (SeO2−3) 및 셀레늄산염 (SeO2−4)의 형태로 나타난다. 텔루륨 이온은 종종 텔루륨산염 (TeO2−4)의 형태로 나타난다. 금속이 칼코젠에 결합된 분자는 광물로 흔히 발견된다. 예를 들어, 황철석 (FeS2)은 철광석이며, 희귀 광물인 칼라베라이트는 다이텔루라이드 (금, 은)Te2이다.
주기율표의 16족 원소(산소 포함)는 모두 칼코젠으로 정의될 수 있지만, 산소와 산화물은 일반적으로 칼코젠과 칼코제나이드와 구별된다. 칼코제나이드라는 용어는 황화물, 셀레늄화물 및 텔루륨화물에 더 일반적으로 사용되며, 산화물에는 사용되지 않는다.
폴로늄을 제외하면 칼코젠은 화학적으로 서로 상당히 유사하다. 이들은 모두 양전하성 금속과 반응할 때 X2− 이온을 형성한다.
황화물 광물 및 유사 화합물은 산소와 반응하여 기체를 생성한다.
16족 원소 화합물
칼코젠은 할로젠과도 화합물을 형성하며, 이를 칼코젠 할라이드 또는 칼코할라이드라고 한다. 대부분의 단순 칼코젠 할라이드는 잘 알려져 있고 화학 시약으로 널리 사용된다. 그러나 설페닐, 설포닐, 설퓨릴 할라이드와 같은 더 복잡한 칼코젠 할라이드는 과학계에 덜 알려져 있다. 칼코젠과 할로젠으로만 구성된 화합물 중에서 총 13개의 칼코젠 플루오라이드, 9개의 칼코젠 클로라이드, 8개의 칼코젠 브로마이드, 6개의 칼코젠 아이오다이드가 알려져 있다. 더 무거운 칼코젠 할라이드는 종종 상당한 분자 상호 작용을 가진다. 낮은 원자가의 황 플루오라이드는 상당히 불안정하며 그 특성에 대해 거의 알려진 바가 없다. 그러나 육플루오린화 황과 같이 높은 원자가의 황 플루오라이드는 안정적이며 잘 알려져 있다. 사플루오린화 황도 잘 알려진 황 플루오라이드이다. 이플루오린화 셀레늄과 같은 특정 셀레늄 플루오라이드는 소량 생산되었다. 사플루오린화 셀레늄과 사플루오린화 텔루륨의 결정 구조는 모두 알려져 있다. 칼코젠 클로라이드와 브로마이드도 탐구되었다. 특히 이염화 셀레늄과 이염화 황은 반응하여 유기 셀레늄 화합물을 형성할 수 있다. Se2Cl2와 같은 다이칼코젠 다이할라이드도 존재하는 것으로 알려져 있다. 또한 혼합 칼코젠-할로젠 화합물도 있다. 여기에는 X가 염소 또는 브로민인 SeSX2가 포함된다. 이러한 화합물은 이염화 황과 셀레늄 할라이드의 혼합물에서 형성될 수 있다. 이러한 화합물은 2008년 기준으로 비교적 최근에 구조적으로 규명되었다. 일반적으로 다이셀레늄 및 다이황 클로라이드와 브로마이드는 유용한 화학 시약이다. 금속 원자가 결합된 칼코젠 할라이드는 유기 용액에 용해된다. 그러한 화합물의 한 예는 MoS2Cl3이다. 셀레늄 클로라이드와 브로마이드와 달리 셀레늄 아이오딘화물은 2008년 기준으로 분리되지 않았지만, 용액에 존재할 가능성이 높다. 그러나 다이셀레늄 다이아이오다이드는 셀레늄 원자와 아이오딘 분자와 평형 상태로 존재한다. Te2Cl2와 Te2Br2와 같이 낮은 원자가의 일부 텔루륨 할라이드는 고체 상태에서 중합체를 형성한다. 이러한 텔루륨 할라이드는 순수 텔루륨을 수소화물로 환원시키고 결과물을 텔루륨 테트라할라이드와 반응시켜 합성할 수 있다. 다이텔루륨 다이할라이드는 할라이드의 원자 번호와 원자 질량이 낮아질수록 안정성이 떨어지는 경향이 있다. 텔루륨은 또한 다이아이오다이드보다 아이오딘 원자 수가 더 적은 아이오딘화물을 형성한다. 여기에는 TeI와 Te2I가 포함된다. 이러한 화합물은 고체 상태에서 확장된 구조를 가진다. 할로젠과 칼코젠은 또한 할로칼코젠산 음이온을 형성할 수 있다.
16족 원소 화합물
알코올, 페놀, 기타 유사 화합물은 산소를 포함한다. 그러나 싸이올, 셀레놀 및 텔루롤에서는 황, 셀레늄 및 텔루륨이 산소를 대체한다. 싸이올은 셀레놀이나 텔루롤보다 더 잘 알려져 있다. 알코올을 제외하고 싸이올은 가장 안정적인 칼코젠올이며 텔루롤은 가장 불안정하며 열이나 빛에 불안정하다. 다른 유기 칼코젠 화합물에는 티오에테르, 셀레노에테르 및 텔루로에테르가 포함된다. 다이메틸 설파이드, 다이에틸 설파이드 및 다이프로필 설파이드와 같은 일부는 상업적으로 이용 가능하다. 셀레노에테르는 R2Se 또는 RSeR 형태이다. 다이메틸 텔루라이드와 같은 텔루로에테르는 일반적으로 티오에테르 및 셀레노에테르와 동일한 방식으로 준비된다. 유기 칼코젠 화합물, 특히 유기 황 화합물은 불쾌한 냄새를 풍기는 경향이 있다. 다이메틸 텔루라이드도 불쾌한 냄새를 풍기며, 셀레노페놀은 "형이상학적인 악취"로 유명하다. 티오케톤, 셀레노케톤 및 텔루로케톤도 있다. 이 중 티오케톤이 가장 잘 연구되었으며 칼코게노케톤 논문의 80%를 차지한다. 셀레노케톤은 이러한 논문의 16%를 차지하고 텔루로케톤은 4%를 차지한다. 티오케톤은 잘 연구된 비선형 전기 및 광물리적 특성을 가진다. 셀레노케톤은 티오케톤보다 안정성이 낮고 텔루로케톤은 셀레노케톤보다 안정성이 낮다. 텔루로케톤은 칼코게노케톤 중 가장 높은 극성을 가진다.
16족 원소 화합물
금속 칼코제나이드는 매우 많다. 알칼리 금속과 전이 금속을 포함하는 3원 화합물도 있다. Lu7Te 및 Lu8Te와 같은 금속 함량이 높은 금속 칼코제나이드는 칼코젠 원자를 포함하는 금속 결정 격자 영역을 가진다. 이러한 화합물은 존재하지만, 란타넘, 프라세오디뮴, 가돌리늄, 홀뮴, 터븀, 이터븀을 포함하는 유사한 화학 물질은 2008년 기준으로 발견되지 않았다. 13족 원소 금속인 알루미늄, 갈륨 및 인듐도 칼코젠과 결합을 형성한다. Ti3+ 이온은 TiTl5Se8와 같은 칼코제나이드 이합체를 형성한다. 금속 칼코제나이드 이합체는 Zr5Te6와 같은 낮은 텔루라이드에서도 발생한다.
원소 칼코젠은 특정 란타넘족 화합물과 반응하여 칼코젠이 풍부한 란타넘족 클러스터를 형성한다. 우라늄(IV) 칼코젠올 화합물도 존재한다. 또한 촉매 역할을 할 잠재력이 있고 나노입자를 안정화하는 전이 금속 칼코젠올도 있다.
16족 원소 화합물
칼코젠-인 결합을 가진 화합물은 200년 이상 탐구되어 왔다. 이러한 화합물에는 단순한 인 칼코제나이드뿐만 아니라 생물학적 역할을 하는 큰 분자 및 금속 클러스터를 가진 인-칼코젠 화합물이 포함된다. 이러한 화합물은 유기 인산염 살충제, 마찰 발화 성냥, 퀀텀닷을 포함하여 수많은 응용 분야를 가진다. 인-황 결합을 하나 이상 가진 화합물은 총 130,000개, 인-셀레늄 결합을 하나 이상 가진 화합물은 6,000개, 인-텔루륨 결합을 하나 이상 가진 화합물은 350개가 발견되었다. 주기율표에서 아래로 갈수록 칼코젠-인 화합물의 수가 감소하는 것은 결합 강도가 감소하기 때문이다. 이러한 화합물은 일반적으로 중심에 적어도 하나의 인 원자를 가지며, 네 개의 칼코젠과 곁사슬로 둘러싸여 있다. 그러나 일부 인-칼코젠 화합물은 수소(예: 2차 포스핀 칼코제나이드) 또는 질소(예: 다이칼코제노이미도다이포스페이트)도 포함한다. 셀레늄화 인은 일반적으로 황화 인보다 다루기 어렵고, PxTey 형태의 화합물은 발견되지 않았다. 칼코젠은 비소, 안티모니 및 비스무트와 같은 다른 15족 원소와도 결합한다. 더 무거운 칼코젠 프닉타이드는 개별 분자 대신 리본과 같은 중합체를 형성하는 경향이 있다. 이러한 화합물의 화학식에는 Bi2S3 및 Sb2Se3가 포함된다. 3원 칼코젠 프닉타이드도 알려져 있다. 이들의 예로는 P4O6Se 및 P3SbS3가 있다. 칼코젠과 프닉토젠을 포함하는 염도 존재한다. 거의 모든 칼코젠 프닉타이드 염은 일반적으로 [PnxE4x]3− 형태이며, 여기서 Pn은 프닉토젠이고 E는 칼코젠이다. 3차 포스핀은 칼코젠과 반응하여 E가 칼코젠인 R3PE 형태의 화합물을 형성할 수 있다. E가 황일 때 이러한 화합물은 비교적 안정적이지만, E가 셀레늄이나 텔루륨일 때는 덜 안정적이다. 유사하게 2차 포스핀은 칼코젠과 반응하여 2차 포스핀 칼코제나이드를 형성할 수 있다. 그러나 이러한 화합물은 칼코게노포스핀산과 평형 상태에 있다. 2차 포스핀 칼코제나이드는 약산이다. 안티모니 또는 비소와 칼코젠으로 구성된 이진 화합물. 이러한 화합물은 일반적으로 다채롭고 500 to 900 °C (773 to 1,173 K) 온도에서 구성 원소의 반응으로 생성될 수 있다.
16족 원소 화합물
칼코젠은 규소, 저마늄, 주석과 같은 다른 14족 원소 원소와 단일 결합 및 이중 결합을 형성한다. 이러한 화합물은 일반적으로 14족 할라이드와 칼코젠올 염 또는 칼코젠올 염기의 반응으로 형성된다. 칼코젠, 14족 원소 및 붕소 원자를 포함하는 고리형 화합물은 존재하며, 붕소 다이칼코젠산염과 14족 금속 할라이드의 반응으로 생성된다. M-E 형태의 화합물이 발견되었으며, 여기서 M은 규소, 저마늄 또는 주석이고 E는 황, 셀레늄 또는 텔루륨이다. 이들은 14족 수소화물이 반응하거나 더 무거운 버전의 카벤이 반응할 때 형성된다. 황과 텔루륨은 규소와 인을 모두 포함하는 유기 화합물과 결합할 수 있다.
16족 원소 화합물
모든 칼코젠은 수소화물을 형성한다. 어떤 경우에는 칼코젠이 두 개의 수소 원자와 결합하여 발생한다. 그러나 텔루륨화 수소와 폴로늄화 수소는 모두 휘발성이 높고 매우 불안정하다. 또한 산소는 과산화 수소에서처럼 1:1 비율로 수소와 결합할 수 있지만, 이 화합물은 불안정하다.
16족 원소 화합물
칼코젠 화합물은 여러 인터칼코젠을 형성한다. 예를 들어, 황은 독성인 이산화 황과 삼산화 황을 형성한다. 텔루륨도 산화물을 형성한다. 일부 칼코젠 황화물도 있다. 여기에는 일부 샴푸의 성분인 셀레늄 황화물이 포함된다.
16족 원소 화합물
1990년 이래로 칼코젠이 결합된 여러 붕소화물이 발견되었다. 이 화합물에 포함된 칼코젠은 대부분 황이지만, 일부는 대신 셀레늄을 포함한다. 그러한 칼코젠 붕소화물 중 하나는 붕소-수소 분자에 두 분자의 다이메틸 설파이드가 부착된 것으로 구성된다. 다른 중요한 붕소-칼코젠 화합물에는 다중면체 체계가 포함된다. 이러한 화합물은 칼코젠으로 황을 특징으로 하는 경향이 있다. 칼코젠이 두 개, 세 개 또는 네 개 있는 칼코젠 붕소화물도 있다. 이들 중 다수는 황을 포함하지만, Na2B2Se7와 같은 일부는 대신 셀레늄을 포함한다.
16족 원소 역사
황은 고대 시대부터 알려져 왔으며, 성경에 15번 언급되어 있다. 고대 그리스인에게 알려져 있었고 고대 로마인은 흔히 채굴했다.  중세 시대에는 연금술 실험의 핵심 요소였다. 1700년대와 1800년대에 과학자 조제프 루이 게이뤼삭과 루이 자크 테나르는 황이 원소임을 증명했다.
공기에서 산소를 분리하려는 초기 시도는 17세기와 18세기까지 공기 그 자체가 단일 원소로 여겨졌다는 사실 때문에 방해를 받았다. 로버트 훅, 미하일 로모노소프, 올레 보르치, 피에르 바이덴은 모두 성공적으로 산소를 생성했지만 당시에는 이를 깨닫지 못했다. 산소는 조지프 프리스틀리가 1774년에 산화 수은(II) 샘플에 햇빛을 집중시키고 결과 기체를 수집하면서 발견했다. 칼 빌헬름 셸레도 1771년에 같은 방법으로 산소를 생성했지만, 셸레는 1777년까지 자신의 결과를 발표하지 않았다.
16족 원소 역사
텔루륨은 1783년 프란츠 요제프 뮐러 폰 라이헨슈타인이 처음 발견했다. 그는 현재 칼라베라이트로 알려진 샘플에서 텔루륨을 발견했다. 뮐러는 처음에 이 샘플이 순수 안티모니라고 가정했지만, 샘플에 대해 수행한 테스트 결과는 이와 맞지 않았다. 뮐러는 이 샘플이 황화 비스무트라고 추측했지만, 테스트 결과 샘플이 그것이 아님을 확인했다. 몇 년 동안 뮐러는 이 문제에 대해 고심했다. 결국 그는 이 샘플이 미지의 원소와 결합된 금임을 깨달았다. 1796년, 뮐러는 샘플의 일부를 독일 화학자 마르틴 클라프로트에게 보냈고, 클라프로트는 발견되지 않은 원소를 정제했다. 클라프로트는 지구를 뜻하는 라틴어 단어에서 따와 이 원소를 텔루륨이라고 명명하기로 결정했다.
셀레늄은 1817년 옌스 야코브 베르셀리우스가 발견했다. 베르셀리우스는 황산 제조 공장에서 붉은 갈색 침전물을 발견했다. 이 샘플은 비소를 포함하고 있다고 생각되었다. 베르셀리우스는 처음에 이 침전물이 텔루륨을 포함하고 있다고 생각했지만, 새로운 원소도 포함하고 있음을 깨닫고 그리스 달의 여신 셀레네의 이름을 따서 셀레늄이라고 명명했다.
16족 원소 역사
칼코젠 중 세 가지(황, 셀레늄, 텔루륨)는 주기성 발견의 일부였는데, 이들은 요한 볼프강 되베라이너가 동일한 족에 속하는 일련의 삼원소들 사이에서 유사한 특성이 있음을 언급했기 때문이다. 1865년경 존 뉴랜즈는 원소를 원자량 순서로 나열하고 8개의 간격으로 반복되는 유사한 물리적, 화학적 특성을 다룬 일련의 논문을 발표했다. 그는 이러한 주기성을 음악의 옥타브에 비유했다. 그가 만든 표에는 산소, 황, 셀레늄, 텔루륨, 오스뮴으로 구성된 "b족"이 포함되었다.
1869년 이후 드미트리 멘델레예프는 자신의 주기율표에서 산소를 황, 셀레늄, 텔루륨 위에 "6족"의 맨 위에 배치했다. 크로뮴, 몰리브데넘, 텅스텐, 우라늄도 때때로 이 족에 포함되었지만, 나중에 VIB족의 일부로 재배열되었다. 우라늄은 나중에 악티늄족으로 이동되었다. 산소는 황, 셀레늄, 텔루륨, 그리고 나중에 폴로늄과 함께 VIA족으로 분류되다가 1988년에 16족으로 이름이 변경되었다.
16족 원소 역사
19세기 후반, 마리 퀴리와 피에르 퀴리는 피치블렌드 샘플이 우라늄 존재만으로는 설명할 수 없는 방사능을 4배 더 방출한다는 사실을 발견했다. 퀴리 부부는 몇 톤의 피치블렌드를 모아 몇 달 동안 정제하여 순수한 폴로늄 샘플을 얻었다. 이 발견은 1898년에 공식적으로 이루어졌다. 입자 가속기가 발명되기 전에는 우라늄 광석에서 폴로늄을 몇 달에 걸쳐 추출하는 것이 유일한 생산 방법이었다.
리버모륨을 만들려는 첫 번째 시도는 1976년부터 1977년까지 로렌스 리버모어 국립연구소에서 퀴륨-248에 칼슘-48을 충돌시키는 방법으로 이루어졌지만 성공하지 못했다. 러시아, 독일, 미국의 연구팀이 1977년, 1998년, 1999년에 여러 차례 실패한 후, 2000년에 합동원자핵연구소에서 퀴륨-248 원자에 칼슘-48 원자를 충돌시켜 리버모륨이 성공적으로 생성되었다. 이 원소는 2012년에 공식적으로 리버모륨으로 명명될 때까지 우눈헥슘으로 알려져 있었다.
16족 원소 역사
19세기, 옌스 야코브 베르셀리우스는 16족 원소를 "양성 원소"라고 부를 것을 제안했다. 이 계열의 원소이 산소산의 양쪽성 염을 형성했기 때문이다. 이 용어는 1800년대 초반에 사용되었지만 현재는 구식이다. 칼코젠이라는 이름은 그리스어 χαλκος (chalkos, 문자적으로 "구리")와 γενές (genes, 태어난, 성별, 불을 붙이다)에서 유래했다. 이 용어는 1932년 라이프니츠 하노버 대학교의 빌헬름 빌츠 그룹이 처음 사용했으며, 베르너 피셔가 제안했다. "칼코젠"이라는 단어는 "할로젠"과 유사하여 1930년대 독일에서 인기를 얻었다. 현대 그리스어 단어의 문자적 의미는 칼코젠이 "구리 형성자"를 의미하지만, 칼코젠이 특별히 구리와 관련이 없기 때문에 이는 오해의 소지가 있다. "광석 형성자"가 더 나은 번역으로 제안되었는데, 대부분의 금속 광석이 칼코제나이드이며 고대 그리스어에서 χαλκος라는 단어는 일반적으로 금속 및 금속 함유 암석과 관련이 있었기 때문이다. 구리와 그 합금인 청동은 인간이 처음 사용한 금속 중 하나였다.
산소의 이름은 "산성 형성"을 의미하는 그리스어 oxy genes에서 유래했다. 황의 이름은 라틴어 sulfurium 또는 산스크리트어 sulvere에서 유래했으며, 이 두 용어는 모두 황에 대한 고대 단어이다. 셀레늄은 이전에 발견된 원소인 텔루륨의 이름이 흙을 의미하는 라틴어 telus에서 유래한 것에 맞춰 그리스 달의 여신 셀레네의 이름을 따서 명명되었다. 폴로늄은 마리 퀴리의 출생국인 폴란드의 이름을 따서 명명되었다. 리버모륨은 로렌스 리버모어 국립연구소의 이름을 따서 명명되었다.
16족 원소 존재
가장 가벼운 네 가지 칼코젠(산소, 황, 셀레늄, 텔루륨)은 모두 지구의 원시 원소이다. 황과 산소는 구리 광석의 구성 성분으로 존재하며, 셀레늄과 텔루륨은 이러한 광석에 소량 미량으로 존재한다. 폴로늄은 원시 원소가 아니더라도 다른 원소의 붕괴로 자연적으로 형성된다. 리버모륨은 자연적으로 전혀 존재하지 않는다.
산소는 대기 중 21%(무게), 물 중 89%(무게), 지구 지각 중 46%(무게)를 차지하며, 인체의 65%를 구성한다. 또한 산소는 많은 광물에서도 발견되며, 모든 산화물 광물과 수산화물 광물 및 수많은 다른 광물 계열에서 발견된다. 태양 질량의 최소 8배에 달하는 여러 별도 핵융합을 통해 핵에서 산소를 생성한다. 산소는 우주에서 세 번째로 풍부한 원소이며, 우주의 1%(무게)를 차지한다.
16족 원소 존재
황은 지구 지각의 0.035%(무게)를 차지하며, 지각에서 17번째로 풍부한 원소이다. 또한 인체의 0.25%를 구성한다. 황은 토양의 주요 성분이다. 해수에는 870 ppm의 황이, 대기에는 약 1 ppb의 황이 포함되어 있다. 황은 원소 형태로 또는 황화 광물, 황산염 광물 또는 황염 광물 형태로 발견될 수 있다. 태양 질량의 최소 12배에 달하는 별은 핵융합을 통해 핵에서 황을 생성한다. 황은 우주에서 10번째로 풍부한 원소이며, 우주의 500 ppm(무게)을 차지한다.
셀레늄은 지구 지각의 0.05 ppm을 차지한다. 이는 지구 지각에서 67번째로 풍부한 원소이다. 셀레늄은 평균적으로 토양의 5 ppm을 차지한다. 해수에는 약 200 ppt의 셀레늄이 포함되어 있다. 대기에는 입방 미터당 1 나노그램의 셀레늄이 포함되어 있다. 셀레늄산염 광물과 아셀레늄산염 광물로 알려진 광물 계열이 있지만, 이 계열에는 많은 광물이 없다. 셀레늄은 핵융합에 의해 직접 생성되지 않는다. 셀레늄은 우주의 30 ppb(무게)를 차지한다.
16족 원소 존재
지구 지각에는 텔루륨이 5 ppb, 해수에는 15 ppb만 존재한다. 텔루륨은 지구 지각에서 가장 희귀한 8~9가지 원소 중 하나이다. 몇십 개의 텔루륨산염 광물과 텔루륨화물 광물이 있으며, 텔루륨은 실바나이트 및 칼라베라이트와 같은 금을 포함하는 일부 광물에서 발견된다. 텔루륨은 우주의 9 ppb(무게)를 차지한다.
폴로늄은 우라늄과 토륨의 방사성 붕괴를 통해 지구에 미량으로만 존재한다. 우라늄 광석에는 미터톤당 100 마이크로그램의 농도로 존재한다. 매우 미량의 폴로늄이 토양에 존재하므로 대부분의 음식과 인체에도 존재한다. 지구 지각에는 1 ppb 미만의 폴로늄이 존재하며, 이는 지구에서 가장 희귀한 10가지 금속 중 하나이다.
리버모륨은 전부 입자 가속기에서 인공적으로 생산된다. 생산되더라도 한 번에 소수의 원자만 합성된다.
칼코필 원소는 산소 이외의 칼코젠과 쉽게 결합하여 핵으로 가라앉지 않는 화합물을 형성하므로 표면 또는 표면 가까이에 남아 있는 원소이다. 이 맥락에서 칼코필("칼코젠을 좋아하는") 원소는 산소에 대한 친화도가 낮고 황과 같은 더 무거운 칼코젠과 황화물로 결합하는 것을 선호하는 금속 및 더 무거운 비금속이다. 황화물 광물은 친석 원소에 의해 형성된 규산염 광물보다 밀도가 훨씬 높기 때문에, 지구 지각의 첫 번째 결정화 시점에 칼코필 원소는 친석 원소 아래에서 분리되었다. 이로 인해 지구 지각에서 이들의 고갈은 태양풍보다 낮지만, 이는 친철 원소에서 발견되는 수준에는 미치지 못한다.
골트슈미트 분류: 친석 원소 친철 원소 친칼크 원소 친기 원소 미량/인공 원소
16족 원소 생산
매년 약 1억 미터톤의 산소가 생산된다. 산소는 가장 일반적으로 분별 증류를 통해 생산되는데, 공기를 액체로 냉각한 다음 가열하여 산소를 제외한 모든 공기 구성 요소가 기체로 변해 빠져나가도록 한다. 공기를 여러 번 분별 증류하면 99.5% 순수 산소를 생산할 수 있다. 산소를 생산하는 또 다른 방법은 건조하고 깨끗한 공기 흐름을 제올라이트로 만들어진 분자체 층을 통과시키는 것인데, 이는 공기 중 질소를 흡수하여 90~93% 순수 산소를 남긴다.
황은 원소 형태로 채굴될 수 있지만, 이 방법은 과거만큼 인기가 없다. 1865년 미국 루이지애나와 텍사스 주에서 황의 대규모 광상이 발견되었지만, 당시에는 추출하기 어려웠다. 1890년대에 헤르만 프라시는 과열 증기로 황을 액화하고 황을 지표면으로 퍼 올리는 해결책을 제시했다. 요즘 황은 대신 기름, 천연가스, 타르에서 더 자주 추출된다.
16족 원소 생산
셀레늄의 세계 생산량은 연간 약 1500톤이며, 그 중 약 10%는 재활용된다. 일본이 가장 큰 생산국으로, 연간 800톤의 셀레늄을 생산한다. 다른 주요 생산국으로는 벨기에(연간 300톤), 미국(연간 200톤 이상), 스웨덴(연간 130톤), 러시아(연간 100톤)가 있다. 셀레늄은 구리를 전해 정련하는 과정에서 발생하는 폐기물에서 추출할 수 있다. 셀레늄을 생산하는 또 다른 방법은 밀크 베치와 같은 셀레늄 수집 식물을 재배하는 것이다. 이 방법으로 1에이커당 3킬로그램의 셀레늄을 생산할 수 있지만, 일반적으로 시행되지는 않는다.
텔루륨은 주로 구리 가공의 부산물로 생산된다. 텔루륨은 텔루륨화 나트륨의 전해 환원을 통해서도 정제될 수 있다. 텔루륨의 세계 생산량은 연간 150~200톤이다. 미국은 연간 약 50톤을 생산하는 가장 큰 텔루륨 생산국 중 하나이다. 페루, 일본, 캐나다도 주요 텔루륨 생산국이다.
16족 원소 생산
핵 반응로가 개발되기 전에는 모든 폴로늄을 우라늄 광석에서 추출해야 했다. 현대에는 대부분의 폴로늄 동위 원소가 중성자로 비스무트를 충격하여 생산된다. 폴로늄은 핵 반응로의 높은 중성자 플럭스에서도 생산할 수 있다. 매년 약 100그램의 폴로늄이 생산된다. 상업적 목적으로 생산되는 모든 폴로늄은 러시아 오제르스크 핵 반응로에서 만들어진다. 그곳에서 사마라로 정제를 위해 옮겨지고, 그곳에서 상트페테르부르크로 유통된다. 미국은 폴로늄의 가장 큰 소비자이다.
모든 리버모륨은 입자 가속기에서 인공적으로 생산된다. 리버모륨의 첫 성공적인 생산은 퀴륨-248 원자에 칼슘-48 원자를 충격시켜 성공했다. 2011년 기준으로 약 25개의 리버모륨 원자가 합성되었다.
16족 원소 응용
물질대사는 산소의 가장 중요한 공급원이며 사용처이다. 사소한 산업적 용도로는 제강(정제된 산소 생산량의 55%), 화학공업(정제된 산소의 25%), 의료용, 물 처리(산소가 일부 유형의 박테리아를 죽이므로), 액체 형태의 로켓 연료, 금속 절단 등이 있다.
생산된 대부분의 황은 이산화 황으로 변환되며, 이는 다시 황산으로 변환되는데, 황산은 매우 흔한 산업용 화학 물질이다. 다른 일반적인 용도로는 흑색화약과 그리스의 불의 주요 성분으로 사용되거나 토양 pH를 변경하는 데 사용되는 것이 포함된다. 또한 황을 고무에 혼합해 가황시키는 데 사용된다. 황은 일부 유형의 콘크리트와 불꽃놀이에도 사용된다. 생산된 모든 황산의 60%는 인산을 생성하는 데 사용된다. 황은 "과수원, 관상용, 채소, 곡물 및 기타 작물"에 농약(특히 살비제 및 살진균제)으로 사용된다.
16족 원소 응용
생산된 셀레늄의 약 40%가 유리 제조에 사용된다. 생산된 셀레늄의 30%가 금속공학에 사용되며, 여기에는 망가니즈 생산이 포함된다. 생산된 셀레늄의 15%가 농업에 사용된다. 광전지 재료와 같은 전자 제품에는 생산된 셀레늄의 10%가 사용된다. 안료는 생산된 셀레늄의 5%를 차지한다. 역사적으로 복사기와 노출계와 같은 기계에는 생산된 셀레늄의 3분의 1이 사용되었지만, 이 응용 분야는 꾸준히 감소하고 있다.
텔루륨과 이산화 텔루륨의 혼합물인 아산화 텔루륨은 일부 CD-RW 디스크 및 DVD-RW 디스크의 재기록 가능한 데이터 층에 사용된다. 텔루륨화 비스무트는 광검출기와 같은 많은 마이크로 전자 장치에도 사용된다. 텔루륨은 때때로 가황 고무에서 황의 대안으로 사용된다. 텔루륨화 카드 뮴은 태양 전지판에서 고효율 재료로 사용된다.
폴로늄의 일부 응용은 이 원소의 방사능과 관련이 있다. 예를 들어, 폴로늄은 연구를 위한 알파 입자 발생기로 사용된다. 베릴륨과 합금된 폴로늄은 효율적인 중성자원을 제공한다. 폴로늄은 핵 배터리에도 사용된다. 대부분의 폴로늄은 정전기 방지 장치에 사용된다. 리버모륨은 극도로 희귀하고 반감기가 짧기 때문에 전혀 용도가 없다.
16족 원소 응용
유기칼코젠 화합물은 반도체 공정에 관여한다. 이 화합물들은 리간드 화학 및 생화학에도 사용된다. 칼코젠 자체의 한 가지 응용은 초분자 화학(비공유 결합 상호작용을 포함하는 화학)에서 레독스 쌍을 조작하는 것이다. 이 응용은 결정 패킹, 큰 분자 조립, 생물학적 패턴 인식과 같은 응용으로 이어진다. 더 큰 칼코젠인 셀레늄과 텔루륨의 2차 결합 상호작용은 유기 용매를 함유하는 아세틸렌 나노튜브를 생성할 수 있다. 칼코젠 상호작용은 다른 것들 중에서도 형태 분석 및 입체 전자 효과에 유용하다. 결합을 통한 칼코제나이드도 응용 분야가 있다. 예를 들어, 2가 황은 카바니온, 양이온 중심 및 유리기를 안정화할 수 있다. 칼코젠은 리간드(예: DCTO)에 Cu(II)를 Cu(I)로 변환할 수 있는 능력과 같은 특성을 부여할 수 있다. 칼코젠 상호작용을 연구하면 주류 합성 화학에 사용되는 라디칼 양이온에 접근할 수 있다. 생물학적으로 중요한 금속 레독스 중심은 메티오닌 및 셀레노시스테인과 같은 칼코젠을 함유하는 리간드의 상호작용에 의해 조절될 수 있다. 또한 칼코젠을 통한 결합은 전자 전달 과정에 대한 통찰력을 제공할 수 있다.
16족 원소 생물학적 역할
산소는 거의 모든 유기체가 ATP를 생성하는 데 필요하다. 또한 물, 아미노산, DNA와 같은 대부분의 다른 생물학적 화합물의 핵심 구성 요소이다. 인간의 혈액에는 많은 양의 산소가 포함되어 있다. 인간의 뼈는 28%의 산소를 포함한다. 인간의 조직은 16%의 산소를 포함한다. 일반적인 70kg의 인간은 43kg의 산소를 포함하며, 대부분 물의 형태이다.
모든 동물은 상당한 양의 황을 필요로 한다. 시스테인과 메티오닌과 같은 일부 아미노산에는 황이 포함되어 있다. 식물 뿌리는 토양에서 황산염 이온을 흡수하여 황화물 이온으로 환원시킨다. 금속단백질도 황을 사용하여 체내의 유용한 금속 원자에 부착하며, 황은 유사하게 카드뮴과 같은 독성 금속 원자에 부착하여 간으로 안전하게 운반한다. 평균적으로 인간은 매일 900밀리그램의 황을 섭취한다. 스컹크 스프레이에서 발견되는 것과 같은 황 화합물은 종종 강한 냄새를 풍긴다.