금속, 준금속, 비금속의 특성

원소는 공유된 물리적 및 화학적 특성에 따라 크게 금속, 준금속, 비금속으로 나눌 수 있다. 모든 금속 원소는 (적어도 갓 연마했을 때) 광택이 나는 외관을 가지며, 열과 전기의 좋은 전도체이고, 다른 금속 원소와 합금을 형성하며, 적어도 하나의 염기성 산화물을 갖는다. 준금속은 금속성 외관을 가지며, 종종 부서지기 쉬운 고체로 반도체이거나 반도체 형태를 띠며, 양쪽성 또는 약한 산성 산화물을 갖는다. 전형적인 원소 비금속은 칙칙하고, 색이 있거나 무색인 외관을 가지며, 고체일 때 종종 부서지기 쉽고, 열과 전기의 전도성이 매우 낮으며 산성 산화물을 갖는다. 각 범주의 대부분 또는 일부 원소는 다양한 다른 특성을 공유하며 소수의 원소는 해당 범주를 고려할 때 변칙적이거나 특별한 특성을 갖는다.

 특성 

금속
섬네일|right|순수(99.97% 이상) 철 조각, 전기 분해로 정제된, 고순도(99.9999% = 6N) 1 cm3 입방체 모양 철도 있다.

금속 원소는 (어떤 동록 아래에서도) 광택이 나고 다른 원소와 결합할 때 화합물(합금)을 형성하며 다른 물질과 반응할 때 전자를 잃거나 공유하는 경향이 있으며 각각 적어도 하나의 주로 염기성 산화물을 형성한다.

대부분의 금속은 은빛을 띠고, 고밀도이며, 비교적 부드럽고 쉽게 변형되는 고체로 전기 전도성과 열전도율이 좋으며, 밀집된 구조를 가지고, 낮은 이온화 에너지와 전기 음성도를 가지며, 자연적으로는 화합물 상태로 발견된다.

일부 금속은 색깔을 띠고(구리, 세슘, 금), 밀도가 낮거나(예: 베릴륨, 알루미늄) 녹는점이 매우 높거나(예: 텅스텐, 나이오븀), 상온 또는 그 근처에서 액체이거나(예: 수은, 갈륨), 취성이 있거나(예: 오스뮴, 비스무트), 쉽게 가공할 수 없거나(예: 타이타늄, 레늄), 귀금속이거나(산화되기 어려운 금, 백금), 또는 비금속 구조를 가지고 있다(망가니즈와 갈륨은 각각 백린과 아이오딘과 구조적으로 유사하다).

금속은 원소의 대다수를 차지하며, 여러 다른 범주로 세분될 수 있다. 이런 세부 분류는 주기율표에서 왼쪽에서 오른쪽으로 각각 반응성이 높은 알칼리 금속, 반응성이 덜한 알칼리 토금속, 란타넘족, 방사성 악티늄족, 전형적인 전이 금속, 물리적, 화학적으로 약한 전이후 금속이 포함된다. 난융 금속과 화학적 귀금속과 같은 특수한 하위 범주도 존재한다.

 준금속 
섬네일|left|드미트리 멘델레예프가 금속과 비금속 사이의 전이 형태를 이룬다고 설명한 텔루륨Mendeléeff 1897, p. 274|alt=줄무늬 표면을 가진 반짝이는 은백색 메달 형태로, 바깥쪽은 불규칙하고 중앙에는 사각형 나선형 패턴이 있다

준금속은 금속성 외관을 가지며 종종 부서지기 쉬운 고체이다. 다른 물질과 반응할 때 전자를 공유하는 경향이 있고 약한 산성 또는 양쪽성 산화물을 가지며 보통 자연에서는 화합물 상태로 발견된다.

대부분은 반도체이며, 중간 정도의 열 전도체이고, 대부분의 금속보다 더 개방된 구조를 가지고 있다.

일부 준금속(비소, 안티모니)은 금속처럼 전기를 전도한다.

가장 작은 주요 원소 범주인 준금속은 더 이상 세분되지 않는다.

 비금속 
섬네일|right|상온에서 진한 적갈색 액체인 브로민 25 ml

비금속 원소는 종종 개방된 구조를 가지며 다른 물질과 반응할 때 전자를 얻거나 공유하는 경향이 있고 뚜렷한 염기성 산화물을 형성하지 않는다.

대부분은 상온에서 기체이다. 상대적으로 밀도가 낮고 전기 및 열 전도율이 낮으며 상대적으로 높은 이온화 에너지와 전기 음성도를 가지고 산성 산화물을 형성하며 자연적으로는 상당량이 비결합 상태로 발견된다.

일부 비금속(흑린, 황, 셀레늄)은 상온에서 부서지기 쉬운 고체이다(비록 이들 각각은 가단성, 연성 또는 연성을 가진 동소체도 가지고 있지만).

주기율표에서 왼쪽에서 오른쪽으로 각각 비금속은 반응성 비금속과 비활성 기체로 나눌 수 있다. 준금속에 가까운 반응성 비금속은 흑연, 흑린, 셀레늄 및 아이오딘의 금속성 외관과 같은 일부 금속 특성을 보인다. 비활성 기체는 거의 완전히 화학적으로 반응하지 않는 상태이다.

 특성 비교 

 개요 

금속과 비금속의 특징적인 특성은 아래 표에 나와 있듯이 상당히 다르다. 금속-비금속 경계에 걸쳐 있는 준금속은 대부분 둘 중 어느 한쪽과 구별되지만, 몇몇 특성에서는 한쪽 또는 다른 쪽과 유사하며, 아래 준금속 열의 음영 처리와 이 문단 상단의 작은 표에 요약되어 있다.

여러 저자는 금속과 비금속을 어디에서 나누고 중간 준금속 범주를 인식하는지에 대해 의견이 다르다. 일부 저자는 준금속을 약한 비금속 특성을 가진 비금속으로 간주한다. 다른 저자들은 일부 준금속을 전이후 금속으로 간주한다.

 세부 사항 

 변칙적인 특성 

각 범주 내에서 예상되는 표준과 매우 다르거나 다른 주목할 만한 한두 가지 특성을 가진 원소를 찾을 수 있다.

 금속 
나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘, 바륨, 백금, 금
 "알칼리 금속 이온(1A족)은 항상 +1 전하를 가진다"Brown et al. 2009, p. 137는 일반적인 개념과 "전이 원소는 음이온을 형성하지 않는다"Bresica et al. 1975, p. 137는 교과서적 오류이다. 나트륨 음이온 Na−의 결정질 염 합성은 1974년에 보고되었다. 이후 리튬과 프랑슘을 제외한 모든 다른 알칼리 금속의 음이온과 바륨의 음이온을 포함하는 추가 화합물("알칼라이드")이 제조되었다. 1943년 아르노 조머는 노란색 투명 화합물 CsAu의 제조를 보고했다. 이것은 나중에 세슘 양이온(Cs+)과 금 음이온(Au−)으로 구성된 것으로 밝혀졌지만, 이 결론이 받아들여지기까지는 몇 년이 걸렸다. 이후 여러 다른 금화물(KAu, RbAu)이 합성되었으며, Cs+ 및 Pt2− 이온을 포함하는 것으로 밝혀진 붉은색 투명 화합물 Cs2Pt도 합성되었다.Jansen 2005

망가니즈
 대부분의 금속은 최대 4개의 원자를 가진 단위 격자를 특징으로 하는 결정 구조를 가지고 있다. 망가니즈는 58개의 원자 단위 격자, 네 가지 다른 원자 반지름, 네 가지 다른 배위수(10, 11, 12, 16)를 가진 복잡한 결정 구조를 가지고 있다. 이는 "네 가지 Mn 원자 유형이 마치 다른 원소인 것처럼 결합하는 4원계 금속간 화합물"과 유사한 것으로 묘사되었다.Russell & Lee 2005, p. 246 망가니즈의 반 정도 찬 3d 껍질이 이러한 복잡성의 원인으로 보인다. 이는 각 원자에 큰 자기 모멘트를 부여한다. 727 °C 이하에서 58개의 공간적으로 다양한 원자로 구성된 단위 격자는 0의 순 자기 모멘트를 달성하는 데 에너지적으로 가장 낮은 방법이다.Russell & Lee 2005, p. 244–5 망가니즈의 결정 구조는 낮은 전기 및 열 전도성을 가진 단단하고 부서지기 쉬운 금속으로 만든다. 더 높은 온도에서는 "더 큰 격자 진동이 자기 효과를 무효화"하며 망가니즈는 덜 복잡한 구조로 향한다.Donohoe 1982, pp. 191–196; Russell & Lee 2005, pp. 244–247

철, 코발트, 니켈, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 어븀, 툴륨
 자석에 강하게 끌리는 유일한 원소는 상온에서는 철, 코발트, 니켈이고 바로 아래 온도에서는 가돌리늄이며 극저온에서는 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 어븀, 툴륨이다(각각 -54 °C, -185 °C, -254 °C, -254 °C, -241 °C 이하).Jackson 2000

이리듐
 +9의 산화수를 가진 유일한 원소는 [IrO4]+ 양이온의 이리듐이다. 이 외에 알려진 가장 높은 산화수는 루테늄, 제논, 오스뮴, 이리듐, 하슘에서 +8이다.Stoye 2014

금
 금의 가단성은 매우 특이하다. 주먹 크기만한 금 덩어리는 망치로 두드려 백만 장의 문고판 크기의 시트로 나눌 수 있으며, 각 시트는 10 nm 두께로 일반 주방 알루미늄 호일(0.016 mm 두께)보다 1600배 얇다. 

수은
 수은은 물보다 13.5배 밀도가 높기 때문에 벽돌과 볼링공이 수은 표면에 뜬다. 마찬가지로, 고체 수은 볼링공은 약 50파운드(약 22.7kg)가 나갈 것이며, 충분히 차갑게 유지된다면 액체 금 표면에 뜰 것이다.
 일부 비금속(황과 셀레늄)보다 높은 이온화 에너지를 가진 유일한 금속은 수은이다.
 수은과 그 화합물은 독성으로 악명이 높지만, 1에서 10까지의 위험성 척도에서 휘발성 무색 액체인 다이메틸수은((CH3)2Hg)(약어 DMM)은 15로 묘사되었다. 너무 위험해서 과학자들은 가능한 한 독성이 덜한 수은 화합물을 사용하도록 권장되었다. 1997년, 독성 금속 노출을 전문으로 하는 화학 교수 캐런 웨터한은 몇 방울의 DMM이 "보호용" 라텍스 장갑에 닿은 지 10개월 만에 수은 중독으로 사망했다. 웨터한은 당시 발표된 이 화합물 취급 절차를 따랐지만, DMM은 몇 초 만에 장갑과 피부를 통과했다. 현재 DMM은 (일반) 장갑, 피부 및 조직에 매우 투과성이 높은 것으로 알려져 있다. 그리고 그 독성은 피부에 0.1 ml 미만을 바르면 심각하게 독성이 나타날 정도이다.Witt 1991; Endicott 1998

납
 "납 풍선처럼 가라앉다"는 표현은 납이 밀도가 높고 무거운 금속이라는 일반적인 인식에 뿌리를 두고 있다. 납은 수은만큼 밀도가 높다. 하지만 납박으로 만든 풍선을 헬륨과 공기 혼합물로 채우면 떠오르고 작은 짐을 운반할 수 있을 만큼 부력을 가질 수 있다.

비스무트
 비스무트는 자연적으로 발생하는 모든 원소 중 반감기가 가장 길다. 유일한 원시 동위 원소인 비스무트-209는 2003년에 약간 방사성을 띠며, 알파 붕괴를 통해 우주의 추정 연령보다 10억 배 이상 긴 반감기를 가지고 붕괴하는 것으로 밝혀졌다. 이 발견 이전에 비스무트-209는 가장 무거운 자연적으로 발생하는 안정 동위 원소로 여겨졌다.Dumé 2003 이 원소는 이제 납-208이 속한다.

우라늄
 핵분열을 일으킬 수 있는 자연적으로 발생하는 동위 원소를 가진 유일한 원소는 우라늄이다.Benedict et al. 1946, p. 19 우라늄-235가 핵분열을 일으킬 수 있다는 가능성은 1934년에 처음 제안되었고(무시되었으며), 이후 1938년에 성질이 발견되었다.

플루토늄
 일반적으로 금속은 가열되면 전기 전도성이 감소한다. 플루토늄은 약 –175 °C에서 +125 °C 사이의 온도 범위에서 가열되면 전기 전도성이 증가한다. 이러한 행동과 일부 다른 초우라늄 원소의 유사한 행동은 전기 전도성의 단순한 모델로는 설명되지 않는 더 복잡한 상대론적 및 스핀 상호 작용 때문이라는 증거가 있다.

 준금속 
붕소
 붕소는 가장 열역학적으로 안정한 결정형에서 부분적으로 무질서한 구조를 가진 유일한 원소이다.Dalhouse University 2015; White et al. 2015

붕소, 안티모니
 이 원소들은 초강산 화학 분야에서 기록을 보유하고 있다. 70년 동안 플루오로술폰산 HSO3F와 트라이플루오로메탄술폰산 CF3SO3H는 단일한 화합물로 분리할 수 있는 가장 강한 산이었다. 둘 다 순수한 황산보다 약 1000배 더 산성이었다. 2004년, 붕소 화합물인 카보레인산 H(CHB11Cl11)의 합성으로 이 기록을 1000배나 깼다. 또 다른 준금속인 안티모니는 카보레인산보다 100억 배 더 강한 알려진 가장 강한 산, 플루오로안티몬산 H2F[SbF6] (오플루오린화 안티모니 SbF5와 플루오린화 수소산 HF의 혼합물)에 나타난다.

규소
 규소의 열전도율은 대부분의 금속보다 우수하다.
 스펀지 같은 다공성 규소 (p-Si)는 일반적으로 플루오린화 수소산 용액에서 규소 웨이퍼를 전기화학적으로 에칭하여 제조된다.DuPlessis 2007, p. 133 p-Si 조각은 때때로 붉은색을 띤다.Gösele & Lehmann 1994, p. 19 띠틈은 1.97–2.1 eV이다.Chen, Lee & Bosman 1994 다공성 규소의 수많은 작은 기공은 최대 1,000 m2/cm3에 달하는 거대한 내부 표면적을 만든다.Kovalev et al. 2001, p. 068301-1 산화제,Mikulec, Kirtland & Sailor 2002 특히 액체 산화제에 노출되면 p-Si의 높은 표면적 대 부피비는 나노 폭발과 함께 매우 효율적인 연소를 생성하며, 때로는 직경 0.1–0.8 m, 속도 최대 0.5 m/s, 수명 최대 1s와 같은 구상번개와 유사한 플라스모이드를 생성한다.Bychkov 2012, pp. 20–21; see also Lazaruk et al. 2007 2012년 최초로 구상번개 현상을 분광학적으로 분석한 결과 규소, 철, 칼슘이 존재하며, 이러한 원소들은 토양에도 존재한다는 것이 밝혀졌다.Slezak 2014

비소
 금속은 녹는다고 하는데, 이로 인해 옛날 화학에서는 비소가 진정한 금속인지, 비금속인지, 혹은 그 중간인지에 대한 혼란이 있었다. 비소는 비금속인 탄소와 적린처럼 표준 대기압에서 녹는 대신 승화한다.

안티모니
 고에너지 폭발성 안티모니는 1858년에 처음 생산되었다. 이는 저온에서 염산 용액에 더 무거운 안티모니 삼할로겐화물(SbCl3, SbBr3, SbI3) 중 하나를 전기 분해하여 제조된다. 이는 비정질 안티모니와 일부 포획된 안티모니 삼할로겐화물(삼염화물의 경우 7–20%)로 구성된다. 긁히거나, 부딪히거나, 분쇄되거나, 200 °C로 빠르게 가열되면 "섬광을 내고, 스파크를 방출하며 폭발적으로 저에너지 결정성 회색 안티모니로 전환된다".Wiberg 2001, p. 758; see also Fraden 1951

 비금속 
수소
 수소의 잘 알려진 산화물인 물 (H2O)은 놀라운 변칙성을 띈다.Sacks 2001, p. 204 더 무거운 수소 칼코겐화물, 즉 황화 수소 H2S, 셀레늄화 수소 H2Se, 텔루륨화 수소 H2Te에서 외삽하면 물은 "악취가 나고 독성이 있으며 인화성 기체이며... 약 –100 °C에서 불쾌한 액체로 응축되는" 것이어야 한다. 대신 수소 결합 때문에 물은 "안정하고, 마실 수 있고, 무취이며, 무해하고, ... 생명에 필수적이다".Sacks 2001, pp. 204–205
 수소의 산화물 중 덜 알려진 것은 수소 삼산화물 H2O3이다. 마르셀랭 베르텔로는 1880년에 이 산화물의 존재를 제안했지만, 당시 기술로는 이를 시험할 방법이 없어 그의 제안은 곧 잊혀졌다.Cerkovnik & Plesničar 2013, p. 7930 수소 삼산화물은 1994년 과산화수소를 만드는 산업 공정에 사용되는 산소를 오존으로 대체하여 제조되었다. 수율은 –78 °C에서 약 40%이며, 약 –40 °C 이상에서는 물과 산소로 분해된다.Emsley 1994, p. 1910 ("비스(트라이플루오로메틸) 삼산화물")와 같은 수소 삼산화물의 유도체는 알려져 있다. 이들은 상온에서 준안정하다. 멘델레예프는 1895년에 한 걸음 더 나아가 수소 사산화물 이 과산화수소 분해의 일시적 중간체로 존재한다고 제안했다; 이는 1974년에 매트릭스 분리 기술을 사용하여 제조되고 특성화되었다. 알려지지 않은 수소 오존화물(HO3)의 알칼리 금속 오존화물 염도 알려져 있으며, 이들은 MO3 공식을 가지고 있다.Wiberg 2001, p. 497

헬륨
 각각 0.3 K와 0.8 K 이하의 온도에서 헬륨-3과 헬륨-4는 각각 음의 융해열을 가진다. 이는 적절한 일정한 압력에서 이 물질이 열을 가하면 얼어붙는다는 것을 의미한다.
 1999년까지 헬륨은 상압에서 우리형 클러스레이트(게스트 원자 또는 분자가 호스트 분자에 의해 형성된 우리 안에 캡슐화되는 화합물)를 형성하기에는 너무 작다고 생각되었다. 그 해에 마이크로그램 양의 He@C20H20의 합성은 최초의 그러한 헬륨 클러스레이트이자 (묘사된 바와 같이) 세계에서 가장 작은 헬륨 풍선을 나타냈다.Cross, Saunders & Prinzbach; Chemistry Views 2015

탄소
 흑연은 가장 전기 전도성이 높은 비금속이며, 일부 금속보다 우수하다.
 다이아몬드는 최고의 천연 열 전도체이며, 만지면 차갑게 느껴진다. 열전도율(2,200 W/m·K)은 가장 전도성이 높은 금속(은)보다 5배 높고(은은 429), 가장 전도성이 낮은 금속(플루토늄)보다 300배 높으며(플루토늄은 6.74), 물(0.58)보다 거의 4,000배, 공기(0.0224)보다 100,000배 높다. 이 높은 열전도율은 보석상과 보석학자가 다이아몬드를 모조품과 구별하는 데 사용된다.
 2012년 탄소 나노튜브와 산화 흑연 시트 용액을 동결 건조하고 화학적으로 산소를 제거하여 생산된 그래핀 에어로젤은 공기보다 7배 가볍고, 헬륨보다 10% 가볍다. 이것은 알려진 가장 가벼운 고체(0.16 mg/cm3)이며, 전도성이 있고 탄성이 있다.Sun, Xu & Gao 2013; Anthony 2013

인
 인의 가장 불안정하고 반응성이 높은 형태는 백린 동소체이다. 이것은 위험하고 인화성이 높고 독성이 있는 물질이며, 공기 중에서 자연 발화하여 인산 잔류물을 생성한다. 따라서 일반적으로 물 속에 보관된다. 백린은 또한 가장 흔하고 산업적으로 중요하며 쉽게 재현할 수 있는 동소체이며, 이러한 이유로 인의 표준상태로 간주된다. 가장 안정한 형태는 흑린 동소체인데, 이것은 금속성 외관을 가지고 있고, 부서지기 쉬우며, 상대적으로 비반응성 반도체이다(백린 동소체는 흰색 또는 황색 외관을 가지고 있고, 유연하며, 반응성이 높고 반도체인 것과는 대조적이다). 원소의 물리적 특성에서 주기성을 평가할 때, 인의 인용된 특성은 다른 모든 원소의 경우와 마찬가지로 가장 안정한 형태가 아니라 가장 불안정한 형태의 특성인 경향이 있다는 점을 염두에 두어야 한다.

아이오딘
 할로젠 중 가장 약한 아이오딘은 소독제인 요오드팅크의 활성 성분이다. 이것은 가정용 의약품 상자나 비상 생존 키트에서 찾을 수 있다. 요오드팅크는 왕수(질산과 염산의 고부식성 혼합물)를 일반적으로 사용해야 하는 작업을 금을 빠르게 용해시킨다.Nakao 1992

 내용주 

 각주 

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