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13족 원소 존재 및 풍부도
갈륨은 지구 지각에서 비교적 희귀한 원소이며, 가벼운 동족체만큼 많은 광물에서 발견되지 않는다. 지구상의 풍부도는 0.0018% (18 ppm)에 불과하다. 다른 원소에 비해 생산량이 매우 적지만, 추출 방법이 개선되면서 수년에 걸쳐 크게 증가했다. 갈륨은 보크사이트와 섬아연석을 포함한 다양한 광석과 다이아스포어, 저마나이트와 같은 광물에서 미량으로 발견될 수 있다. 석탄에서도 미량이 발견되었다.
갈륨 함량은 갈라이트 (CuGaS2)를 포함한 몇몇 광물에서 더 높지만, 이들은 주요 공급원으로 간주하기에는 너무 희귀하며 세계 공급량에 미미한 기여를 한다.
인듐은 붕소족에서 또 다른 희귀 원소로, 단지 0.000005% (0.05 ppm)만 존재한다. 인듐을 함유한 광물은 거의 알려져 있지 않으며, 예를 들어 인듐광처럼 극히 희귀한 광석만 있다. 인듐은 여러 아연 광석에서 발견되지만, 극히 미량으로만 존재하며; 마찬가지로 일부 구리와 납 광석도 미량을 함유한다. 광석과 광물에서 발견되는 대부분의 다른 원소와 마찬가지로, 인듐 추출 과정은 최근 몇 년 동안 더욱 효율적이 되어 궁극적으로 더 많은 수율을 이끌어냈다. 캐나다는 인듐 매장량에서 세계를 선도하지만, 미국과 중화인민공화국 모두 비슷한 양을 가지고 있다.
탈륨은 지구 지각에서 중간 정도의 풍부도를 가지며, 약 0.00006% (0.6 ppm)로 추정된다. 일부 암석, 토양 및 점토에서 발견된다. 많은 철, 아연, 코발트의 황화물 광석에 탈륨이 함유되어 있다. 광물에서는 적당한 양으로 발견되며: 예를 들어 크룩사이트 (처음 발견된 곳), 로란다이트, 루티에라이트, 부코바이트, 허친소나이트, 사바티에라이트 등이 있다. 소량의 탈륨을 함유하는 다른 광물도 있지만, 매우 희귀하며 주요 공급원으로 사용되지 않는다.
니호늄은 자연에서 발견되지 않고 실험실에서 생성된 원소이다. 따라서 안정 동위 원소가 없는 인공 원소로 분류된다.
13족 원소 활용
인공으로 합성해 만드는 니호늄을 제외하고 붕소족의 모든 원소는 많은 품목의 생산 및 내용물에 다양한 용도로 사용된다.
붕소는 최근 수십 년 동안 많은 산업 분야에서 응용되고 있으며, 새로운 응용 분야가 계속 발견되고 있다. 일반적인 응용 분야는 유리 섬유이다. 붕규산 유리 시장은 급격히 확장되었으며; 그 특별한 특성 중 가장 주목할 만한 것은 일반 유리보다 훨씬 큰 열팽창 저항성이다. 붕소 및 그 파생물의 또 다른 상업적으로 확장되는 용도는 세라믹이다. 여러 붕소 화합물, 특히 산화물은 독특하고 귀중한 특성을 가지고 있어 덜 유용한 다른 재료를 대체하게 되었다. 붕소는 단열 특성 때문에 냄비, 꽃병, 접시, 세라믹 팬 손잡이에서 발견될 수 있다.
붕사 화합물은 옷과 치아 모두에 표백제로 사용된다. 붕소와 일부 화합물의 경도는 다양한 추가 용도를 제공한다. 생산된 붕소의 작은 부분(5%)은 농업에 사용된다.
13족 원소 활용
알루미늄은 일상생활에서 수많은 친숙한 용도로 사용되는 금속이다. 주로 건설 자재, 전기 장치, 특히 케이블의 전기 전도체로, 그 외 요리와 음식 보관을 위한 도구 및 용기에서 사용된다. 알루미늄은 식품과 반응하지 않아 통조림에 특히 유용하다. 산소에 대한 높은 친화력은 강력한 환원제로 작용하게 한다. 미세 분말 순수 알루미늄은 공기 중에서 빠르게 산화되어 엄청난 양의 열(약 3037 °C에서 연소)을 발생시키므로, 테르밋 용접과 같이 많은 양의 열이 필요한 곳에 응용된다. 알루미늄은 항공기 경량 본체를 만드는 데 사용되는 합금의 구성 요소이다. 자동차 또한 때때로 프레임워크와 차체에 알루미늄을 입히며, 군사 장비에도 유사한 응용 분야가 있다. 덜 일반적인 용도로는 장식품 및 일부 기타 구성 요소가 포함된다. 이 원소는 또한 다양한 전자 제품에도 사용된다.
13족 원소 활용
갈륨과 그 파생물은 최근 수십 년 동안에야 응용 분야를 찾았다. 비소화 갈륨은 반도체, 증폭기, 태양 전지 (예: 인공위성) 및 FM 송신기 회로용 터널 다이오드에 사용되었다. 갈륨 합금은 주로 치과용으로 사용된다. 갈륨 암모늄 염화물은 트랜지스터의 리드에 사용된다. 갈륨의 주요 응용 분야는 LED 조명이다. 순수 원소는 반도체에 도펀트로 사용되었으며, 다른 원소와 함께 전자 장치에 추가 용도로 사용된다. 갈륨은 유리와 도자기를 '적시는' 특성을 가지고 있어 거울 및 기타 고반사 물체를 만드는 데 사용될 수 있다. 갈륨은 다른 금속의 합금에 추가되어 녹는점을 낮출 수 있다.
13족 원소 활용
인듐의 용도는 네 가지 범주로 나눌 수 있다. 생산량의 가장 큰 부분(70%)은 주로 인듐 주석 산화물 (ITO)로 코팅에 사용된다. 작은 부분(12%)은 합금 및 땜납에 사용되며, 비슷한 양이 전기 부품 및 반도체에 사용된다. 나머지 6%는 사소한 응용 분야에 사용된다. 인듐이 발견될 수 있는 품목으로는 도금, 베어링, 디스플레이 장치, 열 반사판, 형광체, 원자력 제어봉 등이 있다. 인듐 주석 산화물은 유리 코팅, 태양 전지판, 가로등, 전기영동 디스플레이 (EPD), 전계발광 디스플레이 (ELD), 플라즈마 디스플레이 패널 (PDP), 전기화학 디스플레이 (EC), 전계 방출 디스플레이 (FED), 나트륨등, 앞유리 유리 및 브라운관 등 광범위한 응용 분야를 찾아 가장 중요한 인듐 화합물이 되었다.
탈륨은 다른 붕소족 원소보다 원소 형태로 더 자주 사용된다. 화합되지 않은 탈륨은 저융점 유리, 광전지, 스위치, 저온 유리 온도계용 수은 합금, 탈륨 염에 사용된다. 램프 및 전자 제품에서 발견될 수 있으며, 심근 영상에도 사용된다. 탈륨을 반도체에 사용하는 가능성이 연구되었으며, 유기 합성의 알려진 촉매이다. 수산화 탈륨 (TlOH)은 주로 다른 탈륨 화합물 생산에 사용된다. 황산 탈륨 (Tl2SO4)은 뛰어난 해충 살충제로, 일부 쥐약과 쥐약의 주요 구성 요소이다. 그러나 미국과 일부 유럽 국가에서는 인간에게 매우 독성이 강하기 때문에 이 물질을 금지했다. 그러나 다른 나라에서는 이 물질에 대한 시장이 성장하고 있다. Tl2SO4는 광학 시스템에도 사용된다.
13족 원소 생물학적 역할
13족 원소 중 복잡한 동물에게 중요한 생물학적 역할을 하는 것은 없지만, 일부는 살아있는 존재와 관련이 있다. 다른 족과 마찬가지로 가벼운 원소는 일반적으로 무거운 원소보다 더 많은 생물학적 역할을 한다. 가장 무거운 원소는 같은 주기의 다른 원소와 마찬가지로 독성이 있다. 붕소는 대부분의 식물에 필수적이며, 식물 세포는 세포벽 강화와 같은 목적으로 붕소를 사용한다. 인간에게도 붕소가 발견되며, 분명히 필수 미량 영양소이지만 인간 영양에서 그 중요성에 대한 논쟁이 진행 중이다. 붕소의 화학적 성질은 탄수화물과 같은 중요한 분자와 복합체를 형성할 수 있으므로, 이전에 생각했던 것보다 인체에서 더 큰 용도로 사용될 수 있다는 것이 타당하다. 또한 상처 치유에서 특히 철의 일부 기능을 대체할 수 있는 것으로 나타났다. 알루미늄은 자연에 널리 존재함에도 불구하고 식물이나 동물에서 알려진 생물학적 역할이 없다. 갈륨은 인체에 필수적이지 않지만, 철(III)과의 관계를 통해 철을 운반하고 저장하는 단백질에 결합할 수 있다. 또한 갈륨이 신진대사를 자극할 수 있다. 인듐과 그보다 무거운 동족체는 생물학적 역할이 없지만, 소량의 인듐 염은 갈륨과 마찬가지로 신진대사를 자극할 수 있다.
13족 원소 독성
붕소족의 각 원소는 식물과 동물에 대한 독성 특성을 고유하게 가지고 있다.
붕소 독성의 예로, 20 mM를 초과하는 농도에서 보리에 해를 끼치는 것으로 관찰되었다. 붕소 독성 증상은 식물에서 다양하여 연구를 복잡하게 만든다. 여기에는 세포 분열 감소, 싹과 뿌리 성장 감소, 엽록소 생산 감소, 광합성 억제, 기공 전도도 저하, 뿌리에서의 양성자 방출 감소, 리그닌과 수베린 침착 등이 포함된다.
알루미늄은 소량에서는 두드러진 독성 위험을 나타내지 않지만, 매우 많은 양에서는 약간의 독성이 있다. 갈륨은 독성으로 간주되지 않지만, 일부 사소한 영향을 미칠 수 있다. 인듐은 독성이 없으며 갈륨과 거의 동일한 주의 사항으로 취급할 수 있지만, 일부 화합물은 약간에서 중간 정도의 독성을 가진다.
13족 원소 독성
탈륨은 갈륨과 인듐과는 달리 극도로 독성이 강하며, 많은 중독 사망을 일으켰다. 미량으로도 나타나는 가장 눈에 띄는 효과는 전신 탈모이지만, 많은 장기의 기능을 방해하고 결국 괴사시키는 등 광범위한 다른 증상을 유발한다. 탈륨 화합물은 거의 무색, 무취, 무미이기 때문에 살인자들이 사용하기도 했다. 탈륨(유사하게 독성 있는 화합물인 황산 탈륨과 함께)이 쥐와 다른 해충을 통제하기 위해 도입되었을 때, 고의적이든 우발적이든 탈륨 중독 발생률이 증가했다. 따라서 탈륨 농약의 사용은 미국을 포함한 많은 국가에서 1975년부터 금지되었다.
니호늄은 매우 불안정한 원소이며 알파 입자를 방출하여 붕괴한다. 강한 방사능 때문에 극도로 독성이 강할 것이지만, (몇 개의 원자보다 많은) 상당량의 니호늄은 아직 합성되지 않았다.
14족 원소
탄소족(Carbon group)은 탄소 (C), 규소 (Si), 저마늄 (Ge), 주석 (원소) (Sn), 납 (Pb), 플레로븀 (Fl)으로 구성된 주기율표의 14번째 족이다. P-구역에 속한다.
현대 IUPAC 표기법에서는 14족이라고 불린다. 반도체 물리학 분야에서는 여전히 보편적으로 IV족이라고 불린다. 이 족은 또한 원자가 전자가 4개라는 사실에서 비롯된 족 이름의 로마 숫자 IV에서 따온 테트렐(그리스어로 넷을 의미하는 '테트라'에서 유래)로도 알려져 있다. 또한 크리스탈로겐 또는 아다만토겐으로도 알려져 있다.
14족 원소 특성
다른 족과 마찬가지로 이 족의 원소는 전자 배열에서, 특히 가장 바깥 전자 껍질에서 패턴을 보여 화학적 행동의 경향을 나타낸다.
이 족의 각 원소는 가장 바깥 전자 껍질에 4개의 전자를 가지고 있다. 고립된 중성 14족 원자는 바닥 상태에서 ns2 np2의 배열을 갖는다. 이들 원소, 특히 탄소와 규소는 공유 결합 경향이 강하며 이는 일반적으로 가장 바깥 껍질의 전자를 8개로 만든다. 이들 원소의 결합은 종종 궤도들의 뚜렷한 s 및 p 특성이 지워지는 혼성화로 이어진다. 단일 결합의 경우, 그래핀과 흑연의 3개의 sp2 쌍과 같은 다른 경우도 있지만, 전형적인 배열은 4쌍의 sp3 전자를 갖는다. 이중 결합은 탄소(알켄, CO2...)의 특징이며, 일반적으로 π-계도 마찬가지이다. 원자 번호가 증가함에 따라 원자의 크기가 커지면서 전자를 잃는 경향이 증가한다.
14족 원소 특성
탄소 단독으로 탄화물 (C4−) 이온 형태의 음이온을 형성한다. 준금속인 규소와 저마늄은 각각 +4 이온을 형성할 수 있다. 주석과 납은 둘 다 금속인 반면, 플레로븀은 비활성 기체와 같은 몇 가지 특성을 가질 수 있는 합성 방사성 원소이지만(반감기는 1.9초로 매우 짧다), 여전히 전이후 금속일 가능성이 가장 높다. 주석과 납은 둘 다 +2 이온을 형성할 수 있다. 주석은 화학적으로 금속이지만, 그 알파 동소체는 금속보다는 저마늄과 더 유사하게 보이며 전기 전도성이 낮다.
14족 원소 특성
주족 원소(1, 2, 13-17족) 알킬 유도체 QRn 중에서, 여기서 n은 Q에 대한 표준 결합 수(lamda 규칙 참조)이며 14족 유도체 QR4는 전자-정확성이라는 점에서 주목할 만하다. 즉, 전자 부족(옥텟보다 적은 전자를 가지고 Q에서 루이스 산성 경향이 있으며 일반적으로 올리고머성 클러스터 또는 루이스 염기와 부가물로 존재함)도 아니고, 전자 과잉(Q에 비공유 전자쌍을 가지고 Q에서 루이스 염기성 경향이 있음)도 아니다. 결과적으로 14족 알킬은 다른 족의 알킬 유도체에 비해 화학적 반응성이 낮다. 탄소의 경우, C-C 결합의 높은 결합 해리 에너지와 중심 원자와 알킬 리간드 사이의 전기 음성도 차이 부족으로 인해 포화 알킬 유도체인 알케인은 특히 불활성이다.
탄소는 모든 할로젠과 함께 테트라할라이드를 형성한다. 또한 탄소는 일산화 탄소, 아산화 탄소, 이산화 탄소와 같은 많은 산화물을 형성한다. 탄소는 이황화물과 이셀레늄화물을 형성한다.
14족 원소 특성
규소는 여러 수소화물을 형성하며, 그 중 두 가지는 SiH4와 Si2H6이다. 규소는 플루오린(SiF4), 염소(SiCl4), 브로민(SiBr4), 아이오딘(SiI4)과 함께 테트라할라이드를 형성한다. 또한 규소는 이산화물과 이황화물을 형성한다. 질화 규소는 Si3N4의 화학식을 갖는다.
저마늄은 5개의 수소화물을 형성한다. 처음 두 저마늄 수소화물은 GeH4과 Ge2H6이다. 저마늄은 아스타틴을 제외한 모든 할로젠과 테트라할라이드를 형성하고, 브로민과 아스타틴을 제외한 모든 할로젠과 다이할라이드를 형성한다. 저마늄은 폴로늄을 제외한 모든 자연 발생 단일 칼코젠과 결합하며, 이산화물, 이황화물, 이셀레늄화물을 형성한다. 질화 저마늄은 Ge3N4의 화학식을 갖는다.
주석은 SnH4과 Sn2H6 두 가지 수소화물을 형성한다. 주석은 아스타틴을 제외한 모든 할로젠과 다이할라이드 및 테트라할라이드를 형성한다. 주석은 폴로늄을 제외한 자연 발생 칼코젠과 모노칼코젠화물을 형성하고, 폴로늄과 텔루륨을 제외한 자연 발생 칼코젠과 다이칼코젠화물을 형성한다.
14족 원소 특성
납은 PbH4 화학식을 갖는 하나의 수소화물을 형성한다. 납은 플루오린과 염소와 함께 다이할라이드 및 테트라할라이드를 형성하며, 납의 테트라브로마이드와 테트라아이오다이드는 불안정하지만 다이브로마이드와 다이아이오다이드를 형성한다. 납은 네 가지 산화물, 황화물, 셀레늄화물, 텔루륨화물을 형성한다.
플레로븀의 알려진 화합물은 없다.
탄소족 원소의 끓는점은 원자량이 무거워질수록 낮아지는 경향이 있다. 표준 압력에서 가장 가벼운 탄소족 원소인 탄소는 3825 °C에서 승화한다. 규소의 끓는점은 3265 °C, 저마늄은 2833 °C, 주석은 2602 °C, 납은 1749 °C이다. 플레로븀은 -60 °C에서 끓을 것으로 예측된다. 탄소족 원소의 녹는점은 끓는점과 거의 같은 경향을 보인다. 규소는 1414 °C에서 녹고, 저마늄은 939 °C에서 녹고, 주석은 232 °C에서 녹고, 납은 328 °C에서 녹는다.
14족 원소 특성
탄소의 결정 구조는 육방정계이다. 고압 및 고온에서는 다이아몬드를 형성한다(아래 참조). 규소와 저마늄은 다이아몬드 입방정계 결정 구조를 가지며, 저온(13.2 °C 이하)에서는 주석도 마찬가지이다. 상온에서 주석은 정방정계 결정 구조를 갖는다. 납은 면심 입방정계 결정 구조를 갖는다.
탄소족 원소의 밀도는 원자 번호가 증가함에 따라 증가하는 경향이 있다. 탄소의 밀도는 2.26 g·cm−3, 규소는 2.33 g·cm−3, 저마늄은 5.32 g·cm−3, 주석은 7.26 g·cm−3, 납은 11.3 g·cm−3이다.
탄소족 원소의 원자 반지름은 원자 번호가 증가함에 따라 증가하는 경향이 있다. 탄소의 원자 반지름은 77 피코미터, 규소는 118 피코미터, 저마늄은 123 피코미터, 주석은 141 피코미터, 납은 175 피코미터이다.
14족 원소 특성
탄소는 여러 동소체를 가지고 있다. 가장 흔한 것은 흑연으로, 겹겹이 쌓인 시트 형태의 탄소이다. 또 다른 형태의 탄소는 다이아몬드이지만, 이는 상대적으로 드물다. 비정질 탄소는 세 번째 탄소 동소체로, 그을음의 구성 요소이다. 또 다른 탄소 동소체는 풀러렌으로, 탄소 원자 시트가 구형으로 접힌 형태이다. 2003년에 발견된 다섯 번째 탄소 동소체는 그래핀이라고 불리며, 벌집 모양으로 배열된 탄소 원자층 형태이다.
규소는 상온에서 존재하는 두 가지 동소체가 알려져 있다. 이들 동소체는 비정질 및 결정질 동소체로 알려져 있다. 비정질 동소체는 갈색 분말이다. 결정질 동소체는 회색이며 금속성 광택을 띤다.
주석은 α-주석(회색 주석으로도 알려져 있음)과 β-주석 두 가지 동소체를 가지고 있다. 주석은 일반적으로 은백색 금속인 β-주석 형태로 발견된다. 그러나 표준 압력에서 β-주석은 13.2 °C (55.8 °F) 이하의 온도에서 회색 분말인 α-주석으로 변환된다. 이는 추운 온도에서 주석 물체가 회색 분말로 부스러지는 현상으로, 주석병 또는 주석 부식이라고 알려져 있다.
14족 원소 특성
탄소족 원소 중 최소 두 개(주석과 납)는 마법 핵을 가지고 있는데, 이는 이들 원소가 마법 핵이 없는 원소보다 더 흔하고 더 안정적이라는 것을 의미한다.
탄소의 알려진 동위 원소는 15가지이다. 이 중 3가지는 자연적으로 존재한다. 가장 흔한 것은 안정 탄소-12이고, 그 다음은 안정 탄소-13이다. 탄소-14는 반감기가 5,730년인 자연 방사성 동위 원소이다.
23개의 규소 동위 원소가 발견되었다. 이 중 5가지는 자연적으로 존재한다. 가장 흔한 것은 안정 규소-28이며, 그 다음은 안정 규소-29와 안정 규소-30이다. 규소-32는 악티늄족의 방사성 붕괴와 대기 상층부의 파쇄로 인해 자연적으로 발생하는 방사성 동위 원소이다. 규소-34 또한 악티늄족의 방사성 붕괴로 인해 자연적으로 발생한다.
32개의 저마늄 동위 원소가 발견되었다. 이 중 5가지는 자연적으로 존재한다. 가장 흔한 것은 안정 저마늄-74이며, 그 다음은 안정 저마늄-72, 안정 저마늄-70, 안정 저마늄-73이다. 저마늄-76은 원시 방사성 동위 원소이다.
40개의 주석 동위 원소가 발견되었다. 이 중 14가지는 자연적으로 존재한다. 가장 흔한 것은 주석-120이며, 그 다음은 주석-118, 주석-116, 주석-119, 주석-117, 주석-124, 주석-122, 주석-112, 주석-114이며, 이들 모두 안정하다. 주석은 또한 우라늄의 방사성 붕괴로 인해 발생하는 4개의 방사성 동위 원소를 가지고 있다. 이들 동위 원소는 주석-121, 주석-123, 주석-125, 주석-126이다.
38개의 납 동위 원소가 발견되었다. 이 중 9가지는 자연적으로 존재한다. 가장 흔한 동위 원소는 납-208이며, 그 다음은 납-206, 납-207, 납-204이며, 이들 모두 안정하다. 5개의 납 동위 원소는 우라늄과 토륨의 방사성 붕괴로 인해 발생한다. 이들 동위 원소는 납-209, 납-210, 납-211, 납-212, 납-214이다.
6개의 플레로븀 동위 원소 (플레로븀-284, 플레로븀-285, 플레로븀-286, 플레로븀-287, 플레로븀-288, 플레로븀-289)가 발견되었으며, 모두 인간의 합성으로 만들어졌다. 플레로븀의 가장 안정적인 동위 원소는 플레로븀-289이며, 반감기는 2.6초이다.
14족 원소 존재
탄소는 대부분의 별, 심지어 작은 별에서도 항성 핵융합을 통해 축적된다. 탄소는 지구 지각에 480 ppm의 농도로 존재하며, 바닷물에는 28 ppm의 농도로 존재한다. 탄소는 일산화 탄소, 이산화 탄소, 메테인 형태의 대기 중에 존재한다. 탄소는 탄산염 광물의 주요 구성 요소이며, 바닷물에 흔히 존재하는 수소 탄산염에도 포함되어 있다. 탄소는 전형적인 인간의 22.8%를 구성한다.
규소는 지구 지각에 28% 농도로 존재하여, 두 번째로 풍부한 원소이다. 바닷물에서의 규소 농도는 해수면에서 30 ppb에서 더 깊은 곳에서는 2000 ppb까지 다양할 수 있다. 규소 먼지는 지구 대기 중에 미량 존재한다. 규산염 광물은 지구에서 가장 흔한 종류의 광물이다. 규소는 평균적으로 인체의 14.3 ppm을 차지한다. 가장 큰 별만이 항성 핵융합을 통해 규소를 생성한다.
14족 원소 존재
저마늄은 지구 지각의 2 ppm을 차지하며, 52번째로 풍부한 원소이다. 평균적으로 저마늄은 흙의 1 ppm을 차지한다. 저마늄은 바닷물에 0.5 ppt 농도로 존재한다. 유기 저마늄 화합물 또한 바닷물에서 발견된다. 저마늄은 인체에 71.4 ppb 농도로 존재한다. 저마늄은 일부 매우 먼 별에서도 존재하는 것으로 밝혀졌다.
주석은 지구 지각의 2 ppm을 차지하며, 49번째로 풍부한 원소이다. 평균적으로 주석은 흙의 1 ppm을 차지한다. 주석은 바닷물에 4 ppt 농도로 존재한다. 주석은 인체의 428 ppb를 차지한다. 산화 주석(IV)은 흙에 0.1~300 ppm 농도로 존재한다. 주석은 또한 화성암에 1‰ 농도로 존재한다.
납은 지구 지각의 14 ppm을 차지하며, 36번째로 풍부한 원소이다. 평균적으로 납은 흙의 23 ppm을 차지하지만, 오래된 납 광산 근처에서는 20000 ppm(2%)에 이를 수 있다. 납은 바닷물에 2 ppt 농도로 존재한다. 납은 인체 중량의 1.7 ppm을 차지한다. 인간의 활동은 다른 어떤 금속보다 더 많은 납을 환경으로 방출한다.
플레로븀은 자연적으로 전혀 존재하지 않으므로, 입자 가속기에서 몇 개의 원자 단위로만 존재한다.
14족 원소 역사
탄소, 주석, 납은 황, 철, 구리, 수은, 은, 금과 함께 고대 세계에서 잘 알려진 몇 안 되는 원소 중 하나이다.
규소는 암석 수정 형태의 실리카로 이집트 왕조 이전 사람들에게 익숙했으며, 그들은 이를 구슬과 작은 꽃병에 사용했다. 초기 중국인도 사용했으며, 아마도 다른 많은 고대인도 사용했을 것이다. 실리카가 함유된 유리의 제조는 이집트인(최소 기원전 1500년경)과 페니키아인 모두가 해냈다. 많은 자연 발생 화합물 또는 규산염 광물은 가장 초기의 사람들에 의해 주거 건설을 위한 다양한 종류의 모르타르에 사용되었다.
주석의 기원은 역사 속으로 사라졌다고 추정된다. 구리와 주석의 합금인 청동은 순수 금속이 분리되기 전 선사 시대 인간에 의해 사용되었던 것으로 보인다. 청동은 초기 메소포타미아, 인더스 계곡, 이집트, 크레타, 이스라엘, 페루에서 흔했다. 초기 지중해 사람들이 사용한 주석의 대부분은 실리 제도와 영국 제도의 콘월에서 온 것으로 보이며, 그곳에서 금속 채굴은 기원전 300~200년경부터 시작되었다. 잉카와 아즈텍 지역의 남아메리카와 중앙아메리카에서는 스페인 정복 이전에 주석 광산이 운영되고 있었다.
14족 원소 역사
납은 초기 성경 기록에 자주 언급된다. 바빌로니아인은 이 금속을 비문을 기록하는 판으로 사용했다. 로마인은 이것을 점토판, 수도관, 동전, 심지어 조리 기구에도 사용했다. 실제로 마지막 용도로 인해 아우구스투스 시대에는 납 중독이 인식되었다. 백연으로 알려진 화합물은 최소 기원전 200년경부터 장식용 안료로 제조된 것으로 보인다.
비정질 단체 규소는 1824년에 스웨덴 화학자 옌스 야코브 베르셀리우스이 처음으로 순수하게 얻었다. 불순한 규소는 이미 1811년에 얻어진 바 있었다. 결정질 단체 규소는 1854년에 이르러서야 전기 분해의 산물로 제조되었다.
저마늄은 1869년 러시아 화학자 드미트리 멘델레예프가 처음 주기율표를 고안했을 때 존재를 예측했던 세 가지 원소 중 하나이다. 그러나 이 원소는 한동안 실제로 발견되지 않았다. 1885년 9월, 한 광부가 은광에서 광물 샘플을 발견하여 광산 관리자에게 주었고, 관리자는 그것이 새로운 광물임을 확인하고 클레멘스 A. 빈클러에게 보냈다. 빈클러는 그 샘플이 75%의 은, 18%의 황, 7%의 미발견 원소로 이루어져 있다는 것을 깨달았다. 몇 달 후, 빈클러는 이 원소를 분리하고 그것이 32번 원소임을 확인했다.
14족 원소 역사
플레로븀(당시 "114번 원소"로 불림)을 발견하려는 첫 시도는 1969년 합동원자핵연구소에서 이루어졌지만 성공하지 못했다. 1977년, 합동원자핵연구소의 연구원들은 플루토늄-244 원자에 칼슘-48을 충돌시켰지만, 다시 성공하지 못했다. 이 핵 반응은 1998년에 다시 시도되었고, 이번에는 성공했다.
- 영어에서 stannum의 일반적인 이름은 고대 영어에서 직접 물려받은 tin이다. stannum 및 staen과 공통된 기원을 가질 수 있다.
- 영어에서 plumbum의 일반적인 이름은 고대 영어에서 직접 물려받은 lead이다.
14족 원소 응용
탄소는 가장 흔하게 비정질 형태로 사용된다. 이 형태의 탄소는 제강, 카본 블랙, 타이어 충전재, 호흡기, 활성탄 등으로 사용된다. 또한 흑연 형태로도 사용되며, 예를 들어 연필의 심으로 사용된다. 또 다른 탄소 형태인 다이아몬드는 보석에 흔히 사용된다. 탄소섬유는 매우 강하고 탄성이 있어 인공위성 지지대 등 다양한 용도로 사용된다.
이산화 규소는 치약, 건설 충전재 등 다양한 용도로 사용되며, 실리카는 유리의 주요 구성 요소이다. 순수 규소의 50%는 금속 합금 제조에 사용된다. 규소의 45%는 실리콘 제조에 사용된다. 규소는 1950년대부터 반도체에 흔히 사용되어 왔다.
저마늄은 1950년대까지 반도체에 사용되다가 규소로 대체되었다. 방사선 검출기에는 저마늄이 포함되어 있다. 산화 저마늄은 광섬유 및 광각 카메라 렌즈에 사용된다. 소량의 저마늄을 은과 혼합하면 은이 변색되지 않게 만들 수 있다. 그 결과로 생성되는 합금은 아르젠튬 스털링 실버로 알려져 있다.
14족 원소 응용
땜납은 주석의 가장 중요한 용도이며, 생산되는 모든 주석의 50%가 이 용도로 사용된다. 생산되는 모든 주석의 20%는 주석 도금판에 사용된다. 주석의 20%는 화학공업에서 사용된다. 주석은 백랍을 포함한 수많은 합금의 구성 요소이다. 산화 주석(IV)은 수천 년 동안 세라믹에 흔히 사용되어 왔다. 코발트 주석산염은 세룰리안 블루 안료로 사용되는 주석 화합물이다.
생산되는 모든 납의 80%는 납 축전지에 사용된다. 납의 다른 용도로는 추, 안료, 방사성 물질에 대한 차폐 등이 있다. 납은 역사적으로 테트라에틸 납 형태의 휘발유에 사용되었지만, 독성 문제로 인해 이 용도는 중단되었다.
14족 원소 생산
탄소의 동소체인 다이아몬드는 주로 러시아, 보츠와나, 콩고, 캐나다, 남아프리카 공화국, 인도에서 생산된다. 모든 합성 다이아몬드의 80%는 러시아에서 생산된다. 중국은 세계 흑연의 70%를 생산한다. 다른 흑연 채굴 국가로는 브라질, 캐나다, 멕시코가 있다.
규소는 실리카를 탄소와 함께 가열하여 생산할 수 있다.
저마나이트와 같은 일부 저마늄 광석이 있지만, 이는 희귀하여 채굴되지 않는다. 대신 저마늄은 아연과 같은 금속의 광석에서 추출된다. 러시아와 중국에서는 저마늄이 석탄 광상에서도 분리된다. 저마늄 함유 광석은 먼저 염소로 처리하여 사염화 저마늄을 형성하고, 이를 수소 가스와 혼합한다. 이후 존 리파이닝을 통해 더욱 정제된다. 매년 약 140톤의 저마늄이 생산된다.
14족 원소 생산
광산은 매년 300,000톤의 주석을 생산한다. 중국, 인도네시아, 페루, 볼리비아, 브라질이 주요 주석 생산국이다. 주석 생산 방법은 주석 광물인 석석 (SnO2)을 코크스와 함께 가열하는 것이다.
가장 일반적으로 채굴되는 납 광석은 방연석 (황화 납)이다. 매년 400만 미터톤의 납이 새로 채굴되며, 주로 중국, 오스트레일리아, 미국, 페루에서 생산된다. 광석은 코크스와 석회석과 혼합되어 배소되어 순수 납을 생산한다. 대부분의 납은 납 축전지에서 재활용된다. 인류가 채굴한 총 납의 양은 3억 5천만 미터톤에 달한다.
14족 원소 생물학적 역할
탄소는 알려진 모든 생명체에 필수적인 원소이다. 예를 들어 DNA, 스테로이드, 단백질 등 모든 유기 화합물에 탄소가 들어 있다. 생명에 대한 탄소의 중요성은 주로 다른 원소들과 수많은 결합을 형성하는 능력 때문이다. 일반적인 70 kg의 인간에게는 16 kg의 탄소가 들어 있다.
규소 기반 생명체의 실현 가능성이 흔히 논의된다. 그러나 탄소보다 복잡한 고리나 사슬을 형성하는 능력이 떨어진다. 이산화 규소 형태의 규소는 규조류와 해면동물이 세포벽과 골격을 형성하는 데 사용한다. 규소는 닭과 쥐의 뼈 성장에 필수적이며, 인간에게도 필수적일 수 있다. 인간은 하루 평균 20~1200 밀리그램의 규소를 섭취하며, 대부분 곡물에서 얻는다. 일반적인 70 kg의 인간에게는 1 g의 규소가 들어 있다.
14족 원소 생물학적 역할
저마늄의 생물학적 역할은 알려져 있지 않지만, 물질대사를 자극한다. 1980년 아사이 가즈히코가 저마늄이 건강에 유익하다고 보고되었으나, 이 주장은 입증되지 않았다. 일부 식물은 산화 저마늄 형태로 토양에서 저마늄을 흡수한다. 곡물과 채소를 포함한 이 식물들은 약 0.05 ppm의 저마늄을 함유하고 있다. 인간의 저마늄 섭취량은 하루 1밀리그램으로 추정된다. 일반적인 70 kg의 인간에게는 5밀리그램의 저마늄이 들어 있다.
주석은 쥐의 적절한 성장에 필수적인 것으로 나타났지만, 2013년 현재 인간의 식단에 주석이 필요하다는 증거는 없다. 식물은 주석을 필요로 하지 않는다. 그러나 식물은 뿌리에 주석을 축적한다. 밀과 옥수수는 각각 7 ppm과 3 ppm을 함유하고 있다. 그러나 식물이 주석 제련소 근처에 있으면 식물의 주석 농축도가 2000 ppm에 도달할 수 있다. 평균적으로 인간은 하루에 0.3밀리그램의 주석을 섭취한다. 일반적인 70 kg의 인간에게는 30밀리그램의 주석이 들어 있다.
14족 원소 생물학적 역할
납은 알려진 생물학적 역할이 없으며, 사실상 매우 독성이 강하지만, 일부 미생물은 납으로 오염된 환경에서 생존할 수 있다. 오이와 같은 일부 식물은 최대 수십 ppm의 납을 함유하고 있다. 일반적인 70 kg의 인간에게는 120밀리그램의 납이 들어 있다.
플레로븀은 생물학적 역할이 없으며, 입자 가속기에서만 발견되고 생성된다.
원소 탄소는 일반적으로 독성이 없지만, 일산화 탄소 및 사이안화 수소와 같은 많은 화합물은 독성이 있다. 그러나 탄소 먼지는 석면과 유사하게 폐에 축적되어 위험할 수 있다.
규소 광물은 일반적으로 독성이 없다. 그러나 화산에서 배출되는 이산화 규소 먼지와 같은 것은 폐로 흡입될 경우 건강에 해로운 영향을 미칠 수 있다.
저마늄은 젖산 탈수소효소 및 알코올 탈수소효소와 같은 효소에 간섭할 수 있다. 유기 저마늄 화합물은 무기 저마늄 화합물보다 독성이 강하다. 저마늄은 동물에게 경미한 경구 독성을 나타낸다. 심각한 저마늄 중독은 호흡 마비로 인해 사망으로도 이어질 수 있다.
일부 주석 화합물은 섭취 시 독성이 있지만, 대부분의 무기 주석 화합물은 무독성으로 간주된다. 트라이메틸주석 및 트라이에틸주석과 같은 유기 주석 화합물은 독성이 매우 강하며, 세포 내의 대사 과정을 방해할 수 있다.
납과 아세트산 납과 같은 납 화합물은 독성이 매우 강하다. 납 중독은 두통, 복통, 변비, 통풍을 유발할 수 있다.
플레로븀은 독성 여부를 테스트하기에는 너무 방사성이 강하지만, 높은 방사성 자체만으로도 독성이 있다.
15족 원소
프닉토젠(Pnictogen, /ˈpnɪktədʒən/ 또는 /ˈnɪktədʒən/, 고대 그리스어: πνῑ́γω "질식시키다" 및 -gen, "생성자"에서 유래)은 주기율표의 15족에 속하는 원소를 말한다. 15족은 질소족 또는 질소 계열이라고도 알려져 있다. 15족은 질소 (N), 인 (P), 비소 (As), 안티모니 (Sb), 비스무트 (Bi), 모스코븀 (Mc)으로 구성된다.
IUPAC은 1988년부터 이 족을 15족이라고 불렀다. 그 이전에는 미국에서는 H. C. 데밍(H. C. Deming)과 서전트-웰치 과학 회사(Sargent-Welch Scientific Company)의 텍스트에 따라 VA족으로 불렸고, 유럽에서는 IUPAC가 1970년에 권장한 VB족으로 불렸다. (발음은 "그룹 파이브 에이"와 "그룹 파이브 비"; "V"는 로마 숫자 5이다.) 반도체 물리학에서는 여전히 보통 V족으로 불린다. 과거 이름에 붙은 "5" ("V")는 N2O5와 같은 화합물의 화학량론에 반영된 질소의 "오원자가"에서 유래한다. 이들은 또한 펜텔이라고 불리기도 했다.
15족 원소 특성
다른 족과 마찬가지로, 이 족의 원소들은 전자 배열에서 비슷한 패턴, 특히 원자가 껍질에서 유사한 패턴을 보여 화학적 거동에 경향이 나타난다.
이 족은 각 구성 원소가 원자가 전자 껍질에 5개의 전자를 가지는 특징이 있다. 즉, s 오비탈에 2개의 전자와 p 오비탈에 3개의 홀전자를 가진다. 따라서 이온화되지 않은 상태에서 원자가 껍질을 채우기 위해 3개의 전자가 부족하다. 이 족의 모든 원소의 바닥 상태의 러셀-손더스 항기호는 4S3⁄2이다.
지구 생명체에 가장 중요한 이 족의 원소는 질소 (N)로, 이원자 형태로 공기의 주요 구성 요소이며, 인 (P)은 질소와 마찬가지로 모든 알려진 생명체에 필수적이다.
15족 원소 특성
이 족의 이성분 화합물은 총칭하여 프닉타이드라고 할 수 있다. 프닉타이드 화합물의 자기적 특성은 반자성 체계(예: BN 또는 GaN)와 자기적으로 정렬된 체계(MnSb는 고온에서 상자성이며 상온에서 강자성)의 경우를 아우른다. 전자의 화합물은 보통 투명하고 후자는 금속성이다. 다른 프닉타이드에는 희토류 (RE) 주족 계열의 삼원 프닉타이드가 포함된다. 이들은 REaMbPnc 형태로, M은 14족 원소 또는 13족 원소이며 Pn은 질소를 제외한 모든 프닉토젠이다. 이 화합물은 이온 결합과 공유 결합 화합물 사이에 있어 특이한 결합 특성을 가진다.
15족 원소 특성
이 원소는 공유 결합 이중 결합 및 삼중 결합을 형성하는 경향 때문에 화합물에서의 안정성으로도 유명하다. 이러한 원소의 특성은 인, 비소, 안티모니에서 가장 분명하게 나타나는 독성 가능성으로 이어진다. 이러한 물질이 신체의 다양한 화학 물질과 반응할 때, 간에서 쉽게 처리되지 않고 축적되는 강력한 자유 라디칼을 생성한다. 역설적으로, 이 동일한 강한 결합은 질소와 비스무트의 독성을 감소시킨다 (분자 형태로 있을 때), 이는 다른 원자와의 강한 결합이 깨지기 어려워 매우 비반응성 분자를 생성하기 때문이다. 예를 들어, 질소의 이원자 형태인 N2는 아르곤이나 다른 비활성 기체를 사용하는 것이 너무 비쌀 경우 불활성 기체로 사용된다.
다중 결합 형성은 5개의 원자가 전자에 의해 촉진되는 반면, 옥텟 규칙은 공유 결합 시 프닉토젠이 3개의 전자를 받아들일 수 있도록 한다. 5 > 3이므로, 양전하가 주위에 없는 한 (예: [NH4]+과 같이) 고립 전자쌍에 2개의 사용되지 않은 전자가 남는다. 프닉토젠이 3개의 단일 결합만을 형성할 때, 고립 전자쌍의 효과는 일반적으로 삼각뿔형 분자기하를 초래한다.
15족 원소 특성
가벼운 프닉토젠(질소, 인, 비소)은 환원될 때 -3 전하를 형성하여 옥텟을 완성하는 경향이 있다. 산화되거나 이온화될 때, 프닉토젠은 일반적으로 +3 (원자가 껍질의 p-오비탈 전자 3개를 모두 잃음) 또는 +5 (p-오비탈 전자 3개와 s-오비탈 전자 2개를 모두 잃음)의 산화수를 가진다. 그러나 무거운 프닉토젠은 s-오비탈 전자가 더 안정화되기 때문에 가벼운 프닉토젠보다 +3 산화 상태를 형성할 가능성이 더 높다.
프닉토젠은 수소와 반응하여 암모니아와 같은 프닉토젠 하이드라이드를 형성할 수 있다. 족을 따라 포스판 (포스핀), 아르산 (아르신), 스티반 (스티빈)으로 내려가 마지막으로 비스무탄 (비스무틴)에 이르면 각 프닉토젠 하이드라이드는 점진적으로 불안정해지고 (더 불안정해짐), 독성이 강해지며, 수소-수소 각도가 작아진다 (암모니아의 107.8°에서 비스무탄의 90.48°까지). (또한, 기술적으로는 암모니아와 포스판만이 -3 산화 상태의 프닉토젠을 가지는데, 나머지는 프닉토젠이 수소보다 전기 음성도가 낮기 때문이다.)
15족 원소 특성
완전히 환원된 프닉토젠을 포함하는 결정 고체에는 질화 이트륨, 인화 칼슘, 비소화 나트륨, 안티모니화 인듐, 심지어 인화 알루미늄 갈륨 인듐과 같은 복염도 포함된다. 여기에는 실리콘 다음으로 두 번째로 널리 사용되는 반도체인 비소화 갈륨을 포함한 III-V 반도체가 있다.
15족 원소 특성
질소는 제한된 수의 안정적인 III 화합물을 형성한다. 삼산화 이질소는 저온에서만 분리할 수 있으며, 아질산은 불안정하다. 삼플루오린화 질소는 유일하게 안정한 질소 삼할로젠화물이며, 삼염화 질소, 삼브로민화 질소, 삼아이오딘화 질소는 폭발성이 있다. 삼아이오딘화 질소는 깃털의 접촉만으로도 폭발할 정도로 충격에 민감하다 (마지막 세 가지는 실제로는 -3 산화 상태의 질소를 포함한다). 인은 삼산화 인과 같이 상온에서 안정한 +III 산화물을 형성하고, 아인산과 여러 삼할로젠화물을 형성하지만, 삼아이오딘화물은 불안정하다. 비소는 아비산염, 아비산, 삼산화 비소와 같은 산소와 +III 화합물을 형성하며, 4가지 삼할로젠화물을 모두 형성한다. 안티모니는 삼산화 안티모니와 안티모니화물을 형성하지만 옥시산은 형성하지 않는다. 삼플루오린화 안티모니, 삼염화 안티모니, 삼브로민화 안티모니, 삼아이오딘화 안티모니와 같은 모든 프닉토젠 삼할로젠화물은 각각 삼각뿔형 분자기하를 가진다.
15족 원소 특성
+3 산화 상태는 비스무트의 가장 흔한 산화 상태인데, 이는 더 무거운 원소에 대한 상대론적 특성 때문에 +5 산화 상태를 형성하는 능력이 방해받기 때문이며, 이러한 효과는 모스코븀에 대해서는 훨씬 더 뚜렷하다. 비스무트(III)는 산화물, 옥시염화물, 옥시질산염, 황화물을 형성한다. 모스코븀(III)은 비스무트(III)와 유사하게 행동할 것으로 예측된다. 모스코븀은 4가지 삼할로젠화물을 모두 형성할 것으로 예측되며, 삼플루오린화물을 제외한 모든 화합물은 물에 용해될 것으로 예측된다. 또한 +III 산화 상태에서 옥시염화물과 옥시브로민화물을 형성할 것으로 예측된다.
15족 원소 특성
질소의 경우, +5 상태는 일반적으로 N2O5와 같은 분자에 대한 형식적인 설명일 뿐인데, 질소의 높은 전기 음성도로 인해 전자가 거의 균등하게 공유되기 때문이다. 배위수가 5인 프닉토젠 화합물은 초원자가 분자이다. 질소(V) 플루오린은 이론적일 뿐 합성되지 않았다. "진정한" +5 상태는 본질적으로 비상대론적 전형적인 프닉토젠인 인, 비소, 안티모니에서 더 흔하며, 이들의 산화물인 오산화 인, 오산화 비소, 오산화 안티모니와 플루오린화물인 오플루오린화 인, 오플루오린화 비소, 오플루오린화 안티모니에서 나타난다. 이들은 또한 비배위성 음이온으로 작용하는 관련 플루오린화물 음이온인 육플루오린화 인산염, 육플루오린화 비소산염, 육플루오린화 안티모니산염을 형성한다. 인은 옥시할로젠화물로 알려진 혼합 산화물-할로젠화물인 옥시염화 인과 삼플루오린화 이염화 인과 같은 혼합 오할로젠화물도 형성한다. 오메틸프닉토젠(V) 화합물은 비소, 안티모니, 비스무트에 대해 존재한다. 그러나 비스무트의 경우 6s 오비탈의 비활성 전자쌍 효과로 알려진 상대론적 안정화로 인해 +5 산화 상태가 드물어지며, 6s 전자는 화학적으로 결합하려는 경향이 줄어든다. 이로 인해 오산화 비스무트는 불안정하고 오플루오린화 비스무트는 다른 프닉토젠 오플루오린화물보다 반응성이 높아 매우 강력한 플루오린화제가 된다. 이러한 효과는 모스코븀에 대해 더욱 뚜렷하게 나타나 +5 산화 상태를 얻지 못하게 한다.
하이드라진, 다이포스판, 그리고 이 둘의 유기 유도체에서 질소 또는 인 원자는 -2 산화 상태를 가진다. 마찬가지로, 두 질소 원자가 서로 이중 결합된 다이아젠, 그리고 그 유기 유도체는 -1 산화 상태의 질소를 가진다.
마찬가지로, 계관석은 비소-비소 결합을 가지므로 비소의 산화 상태는 +II이다.
안티모니의 해당 화합물은 Sb2(C6H5)4이며, 여기서 안티모니의 산화 상태는 +II이다.
프닉토젠은 주기율표에서 아래로 갈수록 비금속에서 금속으로의 전이를 보여준다: 기체 이원자 비금속 (N), 다양한 전도도와 구조를 가진 많은 동소체를 나타내는 두 원소 (P 및 As), 벌크 상태에서만 금속 구조를 형성하는 최소 두 원소 (Sb 및 Bi, 아마도 Mc도 마찬가지로 추정된다). 이 족의 모든 원소는 실온에서 고체이며, 질소는 실온에서 기체이다. 질소와 비스무트는 둘 다 프닉토젠임에도 불구하고 물리적 특성에서 매우 다르다. 예를 들어, STP에서 질소는 투명한 비금속 기체인 반면, 비스무트는 은백색 금속이다.
프닉토젠의 밀도는 무거운 프닉토젠으로 갈수록 증가한다. 질소의 밀도는 STP에서 0.001251 g/cm3이다. 인의 밀도는 STP에서 1.82 g/cm3이고, 비소는 5.72 g/cm3, 안티모니는 6.68 g/cm3, 비스무트는 9.79 g/cm3이다.
질소의 녹는점은 -210°C이고 끓는점은 -196°C이다. 인은 녹는점이 44°C이고 끓는점은 280°C이다. 비소는 표준 압력에서 승화하는 두 원소 중 하나이다. 이는 603°C에서 발생한다. 안티모니의 녹는점은 631°C이고 끓는점은 1587°C이다. 비스무트의 녹는점은 271°C이고 끓는점은 1564°C이다.
질소의 결정 구조는 육방정계이다. 인의 결정 구조는 입방정계이다. 비소, 안티모니, 비스무트는 모두 마름모 결정 구조를 가진다.
안티모니까지의 모든 프닉토젠은 적어도 하나의 안정 동위원소를 가진다. 비스무트는 안정 동위원소가 없지만, 우주의 나이보다 훨씬 긴 반감기를 가진 원시 방사성 동위원소인 209Bi를 가진다. 알려진 모든 모스코븀 동위원소는 인공적이며 매우 방사성이다. 이들 동위원소 외에도, 토륨과 우라늄의 붕괴 사슬에서 13N, 32P, 33P의 미량이 다양한 비스무트 동위원소 (209Bi 제외)와 함께 자연적으로 발생한다.
15족 원소 역사
질소 화합물인 염화 암모늄은 고대 이집트 시대부터 알려져 있었다. 1760년대에 헨리 캐번디시와 조지프 프리스틀리 두 과학자가 공기에서 질소를 분리했지만, 둘 다 미발견 원소의 존재를 깨닫지 못했다. 몇 년 후인 1772년에야 대니얼 러더퍼드가 그 기체가 실제로 질소임을 깨달았다.
연금술사 헤니히 브란트가 1669년 함부르크에서 처음으로 인을 발견했다. 브란트는 증발된 소변을 가열하고 그 결과 생성된 인 증기를 물에 응축시켜 원소를 생산했다. 브란트는 처음에는 현자의 돌을 발견했다고 생각했지만, 결국 그렇지 않다는 것을 깨달았다.
비소 화합물은 최소 5000년 전부터 알려져 있었으며, 고대 그리스의 테오프라스토스는 계관석과 웅황이라는 비소 광물을 인식했다. 원소 비소는 13세기에 알베르투스 마그누스가 발견했다.
안티모니는 고대인에게 잘 알려져 있었다. 거의 순수한 안티모니로 만들어진 5000년 된 꽃병이 루브르 박물관에 존재한다. 안티모니 화합물은 바빌로니아 시대에 염료로 사용되었다. 안티모니 광물인 휘안석은 그리스의 불의 구성 요소였을 수 있다.
15족 원소 역사
비스무트는 1400년에 연금술사가 처음 발견했다. 비스무트가 발견된 지 80년 이내에 인쇄 및 장식된 상자에 응용되었다. 잉카족은 1500년경부터 비스무트를 칼에 사용하고 있었다. 비스무트는 원래 납과 동일한 것으로 생각되었지만, 1753년에 클로드 프랑수아 제프루아는 비스무트가 납과 다르다는 것을 증명했다.
모스코븀은 2003년에 아메리슘-243 원자에 칼슘-48 원자를 충돌시켜 성공적으로 생산되었다.
15족 원소 역사
"프닉토젠(pnictogen)" (또는 "프니고젠(pnigogen)")이라는 용어는 "질식시키다"를 의미하는 고대 그리스어 πνίγειν (pnígein)에서 유래했으며, 질소 기체의 질식 또는 숨 막히게 하는 특성을 가리킨다. 이는 또한 가장 흔한 두 원소인 P와 N의 기억술로도 사용할 수 있다. "프닉토젠"이라는 용어는 1950년대 초 네덜란드 화학자 안톤 에두아르트 판 아르켈에 의해 제안되었다. 이 용어는 "pnicogen" 또는 "pnigogen"으로도 표기된다. "pnicogen"이라는 용어는 "pnictogen"보다 드물게 사용되며, "pnictogen"을 사용하는 학술 연구 논문과 "pnicogen"을 사용하는 논문의 비율은 2.5대 1이다. 이는 그리스어 어근 πνιγ- (질식시키다, 목 졸라 죽이다)에서 유래하며, 따라서 "pnictogen"이라는 단어는 질소에 대한 네덜란드어와 독일어 이름(각각 stikstof 및 Stickstoff, "질식 물질", 즉, 공기 중의 물질로 호흡을 돕지 않음)을 참조하기도 한다. 따라서 "pnictogen"은 "질식 유발자"로 번역할 수 있다. "프닉타이드(pnictide)"라는 단어도 같은 어근에서 유래한다.
펜텔이라는 이름(그리스어 πέντε, pénte, 5에서 유래)도 한때 이 족을 지칭했다.
15족 원소 존재
질소는 지구의 지각의 25 ppm, 토양의 평균 5 ppm, 해수의 100~500 ppt를 차지하며, 건조 공기의 78%를 구성한다. 지구상의 대부분의 질소는 질소 기체 형태로 존재하지만, 일부 질산염 광물도 존재한다. 질소는 일반적인 인간 체중의 2.5%를 차지한다.
인은 지구 지각의 0.1%를 차지하며, 11번째로 풍부한 원소이다. 인은 토양의 0.65 ppm, 해수의 15~60 ppb를 구성한다. 지구상에는 200 메가톤의 접근 가능한 인산염이 존재한다. 인은 일반적인 인간 체중의 1.1%를 차지한다. 인은 인회석 계열의 광물에서 발견되며, 이는 인산염 암석의 주요 구성 요소이다.
비소는 지구 지각의 1.5 ppm을 차지하며, 53번째로 풍부한 원소이다. 토양에는 1~10 ppm의 비소가 포함되어 있고, 해수에는 1.6 ppb의 비소가 포함되어 있다. 비소는 일반적인 인간 체중의 100 ppb를 구성한다. 일부 비소는 원소 형태로 존재하지만, 대부분의 비소는 비소 광물인 웅황, 계관석, 황비철석, 에나자이트에서 발견된다.
15족 원소 존재
안티모니는 지구 지각의 0.2 ppm을 차지하며, 63번째로 풍부한 원소이다. 토양에는 평균 1 ppm의 안티모니가 포함되어 있고, 해수에는 평균 300 ppt의 안티모니가 포함되어 있다. 일반적인 인간은 체중의 28 ppb의 안티모니를 가진다. 일부 원소 안티모니는 은 매장지에서 발견된다.
비스무트는 지구 지각의 48 ppb를 차지하며, 70번째로 풍부한 원소이다. 토양에는 약 0.25 ppm의 비스무트가 포함되어 있고, 해수에는 400 ppt의 비스무트가 포함되어 있다. 비스무트는 가장 흔하게 휘수연석 광물로 존재하지만, 원소 형태 또는 황화물 광석에서도 발견된다.
모스코븀은 입자 가속기에서 몇 개의 원자만 생산된다.
15족 원소 생산
질소는 공기의 분별 증류를 통해 생산할 수 있다.
인 생산의 주요 방법은 전기로에서 탄소로 인산염을 환원시키는 것이다.
대부분의 비소는 황비철석 광물을 공기 존재 하에서 가열하여 얻어진다. 이 과정에서 As4O6가 형성되며, 이로부터 비소를 탄소 환원을 통해 추출할 수 있다. 그러나 산소 없이 황비철석을 650~700°C로 가열하여 금속 비소를 만드는 것도 가능하다.
황화물 광석의 경우, 안티모니 생산 방법은 원광석에 포함된 안티모니의 양에 따라 달라진다. 광석에 안티모니가 중량 기준 25%에서 45% 포함되어 있다면, 용광로에서 광석을 제련하여 조안티모니를 생산한다. 광석에 안티모니가 중량 기준 45%에서 60% 포함되어 있다면, 광석을 가열하여 안티모니를 얻는데, 이를 액화라고도 한다. 안티모니가 중량 기준 60% 이상 포함된 광석은 용융 광석에서 철 조각으로 화학적으로 치환되어 불순한 금속을 얻는다.
15족 원소 생산
산화물 광석에 안티모니가 중량 기준 30% 미만으로 포함되어 있다면, 광석은 용광로에서 환원된다. 광석에 안티모니가 중량 기준 50%에 가까이 포함되어 있다면, 광석은 대신 반사로에서 환원된다.
황화물과 산화물이 혼합된 안티모니 광석은 용광로에서 제련된다.
비스무트 광물, 특히 황화물과 산화물 형태가 존재하기는 하지만, 납 광석 제련의 부산물로, 또는 중국의 경우 텅스텐 및 아연 광석의 부산물로 비스무트를 생산하는 것이 더 경제적이다.
모스코븀은 입자 가속기에서 칼슘-48 이온 빔을 아메리슘-243에 발사하여 핵이 융합될 때까지 한 번에 몇 개의 원자씩 생산된다.
15족 원소 생물학적 역할
질소는 DNA와 아미노산과 같이 지구 생명체에 필수적인 분자의 구성 요소이다. 질산염은 식물 뿌리혹에 존재하는 박테리아 때문에 일부 식물에서 발생한다. 이는 완두콩이나 시금치, 상추와 같은 콩과 식물에서 볼 수 있다. 전형적인 70 킬로그램 인간은 1.8 kg의 질소를 포함한다.
인의 인산염 형태는 DNA 및 ATP와 같이 생명에 중요한 화합물에서 발견된다. 인간은 하루에 약 1g의 인을 섭취한다. 인은 생선, 간, 칠면조, 닭고기, 달걀과 같은 식품에서 발견된다. 인산염 결핍은 저인산혈증이라는 문제이다. 전형적인 70 kg 인간은 480 g의 인이 몸에 있다.
비소는 닭과 쥐의 성장을 촉진하며, 인간에게도 소량은 필수적일 수 있다. 비소는 아미노산인 아르기닌 대사에 도움이 되는 것으로 나타났다. 전형적인 70 kg 인간에게는 7 mg의 비소가 있다.
안티모니는 생물학적 역할이 알려져 있지 않다. 식물은 극미량의 안티모니만 흡수한다. 전형적인 70 kg 인간에게는 약 2 mg의 안티모니가 있다.
15족 원소 생물학적 역할
비스무트는 생물학적 역할이 알려져 있지 않다. 인간은 하루 평균 20 μg 미만의 비스무트를 섭취한다. 전형적인 70 kg 인간에게는 500 μg 미만의 비스무트가 있다.
모스코븀은 너무 불안정하여 자연적으로 발생하지 않으며 알려진 생물학적 역할도 없다. 모스코븀은 일반적으로 유기체에서 의미 있는 양으로 존재하지 않는다.
질소 기체는 완전히 무독성이지만, 순수 질소 기체를 들이마시는 것은 치명적인데, 이는 질소 질식을 유발하기 때문이다. 스쿠버 다이빙 중에 발생할 수 있는 혈액 내 질소 기포 축적은 "잠수병"(감압병)이라는 상태를 유발할 수 있다. 사이안화 수소 및 질소 기반 폭발물과 같은 많은 질소 화합물도 매우 위험하다.
인의 동소체인 백린은 독성이 있으며, 체중 킬로그램당 1 mg이 치사량이다. 백린은 보통 섭취 후 일주일 이내에 간을 공격하여 인간을 사망에 이르게 한다. 기체 형태의 인을 들이마시면 "인악"이라는 직업병을 유발하여 턱뼈를 침식할 수 있다. 백린은 또한 인화성이 매우 높다. 일부 유기 인 화합물은 인체 내 특정 효소를 치명적으로 차단할 수 있다.