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물리학이 넓은 범위에 걸친 다양한 주제를 다룸에도 불구하고 모든 물리학자들이 공통적으로 사용하는 핵심 이론들이 있다. 이들 이론에 대한 연구는 여전히 활발히 지속되고 있지만, 그 중에 근본적으로 잘못된 이론이 있으리라고 믿는 물리학자는 거의 없다. 물리 연구의 기본 도구 역할을 하는 이 이론들 각각은 그 적용 범위 내에서 기본적으로 옳은 것으로 믿어지고 있는데, 예를 들어 원자보다 크고 천체에 비해 매우 가벼우며 광속보다 훨씬 느리게 움직이는 일상적인 물체의 움직임은 고전역학으로 비교적 정확히 기술된다. 이러한 특성 때문에 이 이론들은 모든 물리학도들이 기본적으로 이해해야 하는 필수 과목이기도 하다.
물리학은 우주의 법칙을 알아내기 위한 학문이지만, 물리학의 이론은 그것이 적용 가능한 범위 내에 있다. 쉽게 말해서, 고전 물리학의 법칙들은 크기가 원자보다 크고 움직임이 빛의 속도보다 훨씬 느린 계에 대해 설명한다. 이 범위를 벗어나면, 관측 결과는 고전 물리학에서 예측한 것과 일치하지 않게 된다. 알베르트 아인슈타인은 절대 공간과 시간의 개념을 시공간의 개념으로 대체하고 빛의 속도에 근접한 구성요소를 갖고 있는 계에 대한 더 정확한 설명을 가능하게 해준 특수 상대성이론을 제시했다. 막스 플랑크, 에르빈 슈뢰딩거 등을 필두로 한 양자역학은 개연론에 의거한 입자와 상호작용에 대한 개념을 제공했고, 이는 원자나 원자보다 작은 크기에 대한 정확한 설명을 가능하게 했다. 후에 양자장론은 양자역학과 특수 상대성이론을 통일했다. 일반 상대성이론은 동적이고 구부러진 시공간에 대해 서술함으로써 매우 무거운 계나, 거대한 천체에 대해 설명할 수 있게 해준다. 일반 상대성이론은 아직 다른 이론과 통일되지 않았지만, 여러 양자중력이론의 후보 이론들이 성장하고 있다.
물리학에서의 현재 진행 중인 연구 분야는 대략 응집 물질 물리학, 원자 분자 광 물리학(AMO), 입자 물리학, 천체 물리학, 지구 물리학, 생물 물리학으로 나눌 수 있다. 일부 물리학과들은 물리 교육학의 연구를 지원하기도 한다.
20세기 이래로, 물리학의 개별 연구분야는 점점 더 전문화해지면서, 현재에는 대부분의 물리학자들이 평생동안 한 분야에서만 일을 하고 있다. 여러 물리 분야에서 연구했던 알베르트 아인슈타인 (1879-1955)나 레프 란다우 (1908-1968)과 같은 사람들은 이제는 극히 드물다.
작은 공간(미시계).
작은 공간에 적용되는 물리 법칙을 서술하는 분야이다. 끈 이론과 양자론 등이 여기에 속한다. 아주 작은 공간이 아닌 분자수준의 공간은 화학이 서술하는 경우가 많다. 고전 물리학 시대엔 주로 빛과 화학을 연구하였으며, 원자 단위를 연구한것은 비교적 최근의 일이다.
큰 공간(거시계).
큰 공간에 적용되는 물리 법칙을 서술하는 분야이다. 아주 큰 범위로는 우주 전체부터 작은 범위로는 일상적으로 눈에 보이는 범위까지이다. 천체물리학과 역학 등이 여기에 속한다.
생물리학.
물리학적 관점에서 생물학을 연구하기도 한다. 이를 생물리학이라고 부른다. 보통 어떤 한생명체를 두고 구조 역학적으로 분석하거나, 생물 내부의 물질대사를 물리적으로 연구한다. 혹은 물리학적 관점에서 생물군을 관찰하여 정리하기도 한다.
응집 물질.
응집 물질 물리학은 물질의 거시적인 물리적 성질들을 다루는 물리 분야이다. 특히, 계의 구성 성분요소들의 수가 극히 많고 요소들간의 상호작용이 강할 때 나타나는 "응집된" 상태들에 주로 관심을 갖는 분야이다.
가장 익숙한 응집 상태의 예로는 고체와 액체를 들 수 있는데, 이들은 원자들 사이의 결합과 전자기력에 의해 생겨나는 것이다. 보다 특이하고 흥미로운 응집 상태로는 아주 낮은 온도에서 특정한 원자계에서 발견되는 초유체와 보스-아인슈타인 응축상, 특정한 물질에서 전도 전자들에 의해 나타나는 초전도상, 원자 격자에서의 스핀의 정렬에 따른 강자성과 반강자성상 등을 들 수 있다.
응집 물질 물리학은 현재의 물리 분야 중에서 가장 큰 분야를 형성한다. 역사적으로, 응집 물질 물리학은 고체 물리학에서 성장해 나왔고, 여전히 고체 물리학이 주된 세부 분야중의 하나이다. "응집 물질 물리학"이라는 용어는 필립 앤더슨이 본인의 연구 그룹의 이름을 변경하면서 1967년에 창작한 용어로 보인다.
1978년에 미국 물리학회의 고체 물리학 분과는 응집 물질 물리학 분과로 이름을 변경하였다. 응집 물질 물리학은 화학, 재료과학, 나노 기술, 그리고 공학과 관련성이 많다.
물리학의 분류.
자연 현상에 대한 보편 법칙을 찾고자 하는 물리학은 모든 물질세계, 즉 모든 자연 현상을 연구 대상으로 하는데, 연구 대상의 크기에 따라서 세분화되어 있다. 또 어떤 이론 체계(고전역학, 양자역학 등)를 가지고 자연 현상을 설명하느냐, 즉 연구 방법에 따라서도 분류할 수 있다.
물리학 연구는 일반적인 이론 체계(고전역학, 양자역학 등)를 세우는 것, 그 이론 체계를 이용하여 알려진 자연 현상을 설명하는 것, 알려지지 않은 새로운 현상에 대한 예측과 실험, 관찰을 통해 그 예측을 검증하는 것으로 이루어져 있다. 이 중 이론 체계 연구를 하는 것을 이론물리학, 실험과 관찰을 하는 것을 실험물리학이라고 한다.
앞으로의 방향.
응집물질 물리학에서 가장 중요한 미해결 문제는 고온 초전도체이다. 스핀트로닉스와 양자 컴퓨터도 주로 실험 분야에서 노력하고 있다.
입자물리학에서 표준 모형을 넘어서는 실험적인 징후가 있다. 이중 가장 중요한 것으로 중성미자의 질량이 있다는 발견을 들 수 있다. 질량이 있는 중성미자에 의한 영향과 발견이 이론적으로나 실험적으로 활발하게 연구되고 있다. 이러한 실험 결과는 오랫동안 고민해오던 태양의 표준 모형의 태양 중성미자 문제 의 해결로 여겨진다. 입자 가속기의 충돌 에너지 영역이 TeV까지 올라가면서 힉스 보존이 입증되었고 초대칭 입자들과 암흑물질의 발견을 기대하고 있다.
이론 물리학에서는 양자역학과 일반 상대론을 하나로 통합하는 양자 중력을 찾는 노력이 반세기 동안 끊임없이 시도되고 있지만 아직까지 괄목할 만한 성과는 없다. 지금으로서 가장 중요한 분야는 M이론을 포함한 초끈 이론과 루프 양자 중력을 들 수 있다.
많은 천체물리학과 우주론의 문제들도 충분히 이해하지 못했다. 그중 초고 에너지 우주선 문제, 바리온 비대칭과 우주 가속 문제, 은하 회전 문제 등이 있다.
고에너지 물리, 양자물리학과 천체물리학의 많은 진전이 있었지만 우리의 일상생활에서의 현상인 복잡계나 혼돈, 난류에 대해서는 이해하지 못하고 있다. 복잡계의 문제는 모래톱의 생성이나 물의 흐름, 물방울의 모양, 표면장력 또는 카타스트로피 이론 처럼 역학을 어떻게 잘 적용하느냐의 문제처럼 보이지만 아직도 미해결 문제가 많다. 1970년대 이후로 복잡계의 문제들은 더 큰 주목을 받게 되었으며 이는 현대의 수리물리학이나 컴퓨터의 발전과도 연관이 있다. 복잡계의 물리는 다른 학문과의 상호 연계라는 측면에서도 중요한데 유체역학에서의 난류나 생물학의 패턴 형성 등이 그 예이다.
탄소(炭素, )는 비금속인 화학 원소로, 기호는 C(←)이고 원자번호는 6이다. 원자가 전자는 4개이다. 존재하는 동위 원소는 총 3개로, C와 C는 안정적인 동위 원소지만 C는 반감기가 약 5730년인 방사성 동위 원소이다. 탄소는 오래 전에 존재가 밝혀진 원소들 중 하나이다.
탄소는 지각을 구성하는 원소들 중에 15번째로 풍부하며, 우주에서 수소, 헬륨, 산소 다음인 4번째로 풍부한 원소이다. 이렇게 탄소는 풍부하며, 탄소 화합물로서 다양한 유기 화합물을 구성할 수도 있고, 상온 상태에서 중합체를 형성할 수도 있기 때문에 우리 삶은 탄소와 밀접한 관련이 있다. 예로서 탄소는 우리 몸에서 산소 다음인 두 번째로 풍부한 원소(18.5%)이다.
탄소는 다양한 동소체를 가지고 있으며, 흑연, 다이아몬드, 비정질 탄소 등이 있다. 탄소 동소체들은 물리적 성질에서 많은 차이를 보인다. 흑연은 불투명한 검은색이지만 다이아몬드는 매우 투명하다. 흑연은 종이에다 글씨를 적을 수 있을 정도로 연하지만 다이아몬드는 천연물 중에서는 가장 단단한 물질이다. 흑연은 좋은 전기 전도체이지만 다이아몬드는 전기 전도도가 낮다. 일반적으로 다이아몬드, 탄소 나노 튜브, 흑연은 지금까지 알려진 모든 물질 중에서 열전도율이 가장 높다. 모든 탄소 동소체들은 상온에서 고체이며, 흑연은 열역학으로 가장 안정한 구조이다. 또한 반응성이 큰 산소와 반응할 때도 높은 온도가 필요할 정도로 화학적으로 쉽게 반응하지 않는다.
무기화합물에서 탄소의 산화수는 일반적으로 +4이다. 다만 예외적으로 일산화 탄소와 전이금속 카보닐 복합체에서는 +2이다. 무기 탄소화합물은 대부분 석회암, 백운암, 이산화 탄소이지만, 석탄, 이탄, 석유, 메테인 하이드레이트 같은 유기적 침전물에도 상당히 많이 존재한다. 탄소는 다른 원소와 비교해서 수많은 화합물을 결합한다. 표준 조건 하에서 이론적으로 가능한 화합물은 지금까지 밝혀진 것만 약 1천만 개 정도이다. 그래서 탄소는 종종 '원소의 제왕'이라고 불렸다.
원시 탄소.
탄소의 일부는 대폭발 핵합성 과정에서 생성되었다. 대폭발 핵합성 과정은 흔히 리튬보다 무거우면서 안정한 원소를 생성할 여지가 없다고 알려져 있다. 2007년 이탈리아의 천체 물리학자 파비오 이오코의 계산에 따르면, 대폭발 핵합성 과정에는 100개 이상 가능한 핵반응 경로들이 포함되었다. 탄소, 질소, 산소가 이 시기에 만들어질 수는 있었던 것이다. 단, 450경 개의 수소 원자핵마다 1개의 탄소-12 원자핵이 나타나 우주의 후속 진화에 영향을 미치기에 너무 적었을 뿐이다. 이오코는 초기 별들이 '금속이 없는 환경'에서 진화했다고 결론을 내렸다. 그러나 대폭발 핵합성 과정에 우주에는 최소 1080개의 수소 원자가 생성되어 있었다. 이 숫자는 워낙 크기 때문에 수소 원자 450경 개마다 1개씩 탄소가 생성되더라도 1064개 이상의 원시 탄소 원자가 이 과정에서 만들어졌다. 그 총량은 우주 질량의 아주 작은 부분에 불과하고, 오늘날 우주에서 발견되는 총 탄소 원자의 1조분의 1에 미치지 못하지만, 대폭발 직후에 생성된 원시 탄소 원자는 지금도 우주 전체에 우주 먼지와 가스로 흩어져 있다.
항성 탄소.
현재 우주에 존재하는 탄소 원자 대부분은 별 깊숙한 곳에서 만들어졌다. 대부분 수소로 이루어진 별은 안쪽 깊숙한 곳의 엄청난 온도와 압력으로 인해 '수소 연소'라 불리는 핵융합 반응을 거쳐 헬륨을 생성한다. 별의 핵 주변 수소 대부분이 융합하여 헬륨이 되면, '헬륨 연소' 반응이 시작되고, 그 와중에 베릴륨에 이어서 탄소가 만들어진다. 이 과정을 밝혀낸 사람은 영국 천문학자 프레드 호일이다.
오래된 별의 중심에서 헬륨-4(알파입자)가 농축되고, 충돌하는 두 알파입자는 쉽게 융합해 4개의 양성자와 4개의 중성자를 포함하는 베릴륨-8을 형성한다. 베릴륨-8에 알파입자 하나를 추가하면 탄소-12가 된다. 그러나 베릴륨-8은 극도로 불안정해 1000조 분의 1초도 안 되는 찰나에 더 작은 조각으로 분해된다. 따라서 본래 탄소-12는 자연상태에서 존재하기 어렵다. 하지만 여러 과학자들의 측정에 따르면 우주에서 탄소는 4번째로 풍부한 원소이다. 이러한 모순은 자연의 우연이 해결하는데, 탄소-12의 핵은 7.68메가볼트의 에너지량에 공명하는 특성이 있기에 베릴륨-8이 붕괴하는 것보다 훨씬 빨리 알파입자를 낚아챌 수 있다. 호일은 적당한 조건 아래에서 삼중 알파 과정이 일어나 탄소-12 생성 속도가 약 10억 배 증가할 수 있다고 추정했다. 이런 조건을 호일 상태라 하는데, 나중에 호일 상태의 존재가 실제로 확인되면서 호일은 천제 물리학의 총아로 떠올랐다.
요약하면, 항성 내부의 상상할 수 없는 열과 압력의 영향을 받아 수소는 헬륨으로, 세 개의 헬륨 핵은 탄소로 융합된다. 느린 과정이지만, 우주의 탄소 농도는 점차 증가해 궁극적으로 수소 원자 1000개당 거의 5개의 비율로, 탄소 원자는 우주에서 네 번째로 풍부한 원소가 되었다.&lt;/ref&gt;
우주 탄화.
우주 역사의 첫 수백만 년 동안, 항성 탄소 대부분은 별 내부에 잠겨 있었다. 탄소 핵 일부는 핵연료가 되었고, 헬륨과 융합하여 산소, 규소, 철 같은 더 무거운 원소들로 변화했다. 수백만 년 동안 격렬한 항성 대류 현상이 일어나자 탄소는 점차 항성 표면으로 모습을 드러냈다. 곧이어 자기장과의 격렬한 상호작용으로 인해 외부로 밀려난 강력한 항성풍을 타고 탄소 원자는 별을 탈출했다. 우주 탄화 과정의 시작이다. 그러나 우주 탄화는 대부분 초신성 같은 거대한 별이 죽을 때 일어난다. 별의 죽음과 함께 내부에 있던 엄청난 양의 물질이 우주로 방출되기 때문이다.
태양 정도의 중간 크기 별에서 별은 마지막에 백색왜성으로 붕괴하면서 핵반응이 끝나고 탄소로 가득한 별이 된다. 백색왜성은 하늘에 박힌 다이아몬드로 탄소 알갱이 대부분이 영원히 그 별에 갇혀 있다. 태양보다 큰 별이 죽을 때는 충분히 높은 내부 압력과 온도가 탄소-12를 알파입자와 융합하여 더 무거운 원소(산소-16, 네온-20, 마그네슘-24 등)으로 변화시킨다. 이러한 변화는 별에 에너지를 더해 주고, 새로운 원소를 만들며, 별을 팽창시키는 핵반응을 일으키고, 핵반응의 최종 산물인 철-56을 생성할 때까지 몇 초 동안 격렬하게 이어진다. 별의 중심이 철로 바뀌면 중력의 힘이 우세해지면서 별의 모든 질량이 거의 빛의 속도로 안으로 당겨지면서 온도와 압력이 엄청나게 치솟아, 결국 중력 붕괴 현상이 일어난다. 초신성 폭발이다. 주기율표 원자의 절반 이상이 이 과정에서 만들어지고, 별의 분해와 함께 온 우주로 퍼져나간다. 현재 우주에 있는 탄소 대부분은 이렇게 만들어졌다.
탄소는 유사 이전부터 숯의 형태로 사용되어 왔으며, “carbon”이라는 이름은 숯을 뜻하는 라틴어 "carbo"에서 왔다. 이 이름은 라부아지에가 명명하였다. 한자어 탄소(炭素)는 독일어 Kohlenstoff에서 유래하였다.
CO2(이산화탄소), CO(일산화탄소), CH4(메테인), C6H12O6(포도당), C2H6(에테인), 탄화수소 등과 같은 상당수의 유기물이 탄소 화합물에 해당한다. 그러나 오늘날에는 탄소가 있다고 해서 무조건 유기물이 될 수 있는 것은 아니다. 이것은 일산화탄소는 무기물에 해당되기 때문이다. 따라서 오늘날에는 홑원소물질인 탄소, 산화탄소, 금속의 탄산염, 시안화물·탄화물 등을 제외한 탄소화합물을 총칭한 분자를 유기물로 본다.
탄소 동소체에는 부드러운 흑연과 가장 단단한 자연물인 다이아몬드가 있다. 탄소 원자는 같은 탄소 원자는 물론 다른 원자와 쉽게 화학 결합을 하며, 적합한 다가 원자와 안정된 다양한 공유 결합을 이룰 수 있다. 지금까지 발견된 화합물 대부분이 약 1천만 개로 추정되는 탄소 화합물이다. 탄소는 가장 높은 승화점을 가지고 있는 원소이다. 삼중점은 10.8 ± 0.2 MPa에 4,600 ± 300 K (~4,330 °C or 7,820 °F)으로 대기압에서 녹는점이 없고, 3,900 K의 승화점을 가진다. 흑연은 열역학적으로 안정하지만 충격에 취약한 비편재화된 π 결합 때문에 표준 조건에서 다이아몬드보다 반응성이 훨씬 크다. 예를 들면 표준 조건에서 높은 온도의 진한 질산은 흑연의 육각형 구조를 보존하는 대신 더 큰 구조를 분해하면서 흑연을 C6(CO2H)6의 멜리트산으로 산화시킨다.
탄소는 온도 의 탄소 아크로 승화한다. 따라서, 어떤 동소체든지 탄소는 텅스텐과 레늄 같은 가장 높은 녹는점을 가진 금속의 녹는점에서도 고체 상태를 유지한다. 열역학적으로 산화되기 쉬우나, 탄소는 철이나 구리 같이 표준 조건에서 약한 환원제로 작용하는 원소보다 산화에 더 효과적으로 저항한다.
탄소는 여섯 번째 원소로, 바닥 상태 전자 배열은 1s22s22p2이며 원자가 전자는 4개이다. 1~4차 이온화 에너지는
1086.5, 2352.6, 4620.5, 6222.7 kJ/mol로 3~7족의 같은 14족 원소보다 크다. 탄소의 전기음성도는 2.5로, 같은 14족 원소(1.8~1.9)보다 훨씬 크지만 대부분의 인근 비금속과 2~3주기의 전이 금속과 가까운 수치다. 탄소의 공유 반지름은 배위수와 결합한 원자에 따라 다양하지만 평균적으로 77.2 pm (C–C), 66.7 pm (C=C), 60.3 pm (C≡C)이다. 일반적으로 공유 반지름은 배위수가 낮을수록, 결합 차수가 높을 수록 감소한다.
탄소 화합물은 지구상 모든 생물들의 삶에 근본적인 영향을 끼치며, 탄소-질소 순환은 태양과 여러 별들에 의해 만들어진 에너지를 제공해주는 역할을 한다. 다양한 화합물을 형성하지만 대체로 표준 조건에서는 상대적으로 반응성이 낮다. 표준 온도 압력에서 매우 강한 산화제를 제외하고는 반응성이 낮다. 황산, 염산, 염소, 그리고 다른 알칼리 금속과 반응하지 않는다. 고온에서 탄소는 산소와 반응하여 일산화 탄소를 형성하며, 금속 산화물을 환원시킨다. 이 발열 반응은 제철 산업에서 철을 제련하고 강철의 탄소 함량을 조절하기 위해 다음과 같이 쓰인다.
그리고 자연에 미량으로 존재하는 14C, 즉 탄소 14는 방사성 원소로서 5730년의 반감기를 통하여 14N으로 변환되는 현상(반감기가 지나면 양이 절반씩 줄어든다)을 이용하여 약 500~5만 년 정도의 화석이나 고고학적 표본의 연대를 측정하는 방사성 탄소연대 측정법에 사용한다. 생물이 살아있을 때는 방사성 탄소도 계속 공급되다가 생물이 죽으면 더 이상 탄소가 공급되지 않아 방사성 탄소의 양이 더 이상 늘어나지 않고 14N로 변화한다.
단일 탄소 원자는 매우 수명이 짧다. 따라서 탄소는 보통 여러 분자 배열을 가진 다양한 원자 구조, 즉 안정적인 동소체로 존재한다. 대표적인 탄소 동소체로는 비정질 탄소, 흑연, 다이아몬드 등이 있다. 신물질인 풀러렌은 오늘날 주로 합성하여 연구에 사용되며, 풀러렌에는 버크민스터풀러렌, 탄소 나노튜브, 탄소 나노돌기, 탄소 나노섬유 등이 있다. 이외에도 론스달라이트, 유리상 탄소
2009년 기준으로 그래핀은 현재까지 실험적으로 검증된 가장 강한 물질이다. 흑연에서 그래핀을 분리하는 공정은 아직까지 경제성이 떨어져 추가적인 기술 발전이 필요하다. 저렴한 공정이 개발된다면, 그래핀은 우주 엘리베이터 건설에 사용될 수 있을 것이다. 그리고 수소 연료 자동차에서 안전한 수소 저장고를 만드는 데 사용될 수도 있다.
탄소 원자들은 결정 구조를 이루지 못하고 불규칙한 비정질 상태로도 존재한다. 이때 탄소는 분말 형태이며, 숯, 카본 블랙(그을음), 활성탄의 주 재료이다. 대기압에서 탄소의 가장 안정한 상은 흑연인데, 각 원자들이 방향족 탄화 수소에서 삼각평면 구조로 결합해 육각 고리 패턴을 형성하고 있다. 따라서 흑연은 판상 구조를 하고 있으며, 각각의 판은 약한 반데르발스 힘으로 결합되어 있다. 각각의 판들은 미끄러지기 쉬우며 충격에 약하기 때문에 흑연은 부드럽고 쉽게 쪼개지는 특성을 가지고 있다. 탄소의 최외각 전자가 4개이므로 흑연에서 세 개의 공유 결합을 이루고 남은 전자는 π-오비탈의 형태로 비편재화되어 있기 때문에 흑연은 전기 전도도가 높은 물질이다. 그런데 전자는 각각의 판 사이에서만 이동할 수 있기 때문에 대부분의 금속보다 낮은 벌크(Bulk) 전기 전도도를 가진다. 비편재화는 실온에서 흑연이 다이아몬드보다 안정한 이유 중 하나이다.
초고압에서 탄소는 다이아몬드 상을 가진다. 다이아몬드는 흑연보다 밀도가 두 배가량 높다. 다이아몬드에서 각 탄소 원자들은 사면체 결합을 하고 있으며, 규소, 게르마늄과 같은 입방체 구조를 하고 있다. 다이아몬드는 매우 강한 공유결합을 하고 있어, 자연물 중에서는 경도가 가장 높은 물질이다. "다이아몬드는 영원하다"는 통념과는 반대로, 다이아몬드는 STP 하에서 열역학적으로 불안정하며(Δf"G"°(다이아몬드, 298 K) = 2.9 kJ/mol) 흑연으로 상전이한다. 하지만 활성화 에너지 장벽이 매우 높아서 STP에서는 매우 느리게 일어나는 현상이다. 상도표에서 탄소의 저압, 저온 상태는 실험적으로 정확히 확인되지 않았지만, 밀도 함수 이론을 통한 연구를 통해 0 K, 0 Pa에서 다이아몬드가 흑연보다 1.1 kJ·mol−1 더 안정하다는 사실을 밝혀냈다. 특정 조건에서 탄소는 다이아몬드처럼 모든 원자가 공유결합된 육방 결정 격자인 론스달라이트 상을 가진다.
풀러렌은 합성 결정체로, 흑연과 비슷한 구조를 하고 있지만 육각형 고리로만 구성된 흑연과는 달리 오각형 또는 칠각형 고리를 가지고 있다. 탄소 원자들이 흑연 판에서 떨어져 나가거나 새로 추가되면 판은 구, 타원구, 원통 형태로 휘게 된다. 풀러렌은 버크민스터풀러렌(버키볼), 탄소 나노튜브(버키튜브), 탄소 나노돌기로 나눌 수 있다. 풀러렌의 특성은 아직 완전히 밝혀지지 않았으며, 나노 물질 분야에서 활발히 연구되고 있다. 풀러렌과 버크민스터풀러렌(버키볼)이라는 명칭은 디오데식 돔의 발명가인 리처드 버크민스터 풀러의 이름을 딴 것이다. 버크민스터풀러렌은 삼각피라미드 분자 구조를 하고 있는 고분자 물질이며, 회전 타원체 형태이다. (가장 잘 알려져 있고 단순한 것은 축구공 모양의 C 버크민스터풀러렌이다) 탄소 나노튜브는 버크민스터풀러렌과 구조적으로 비슷하지만, 속이 빈 원통 형태로 굽은 판에서 각 원자들이 삼각피라미드 구조로 결합해 있다. 탄소 나노돌기는 2007년에 처음 밝혀졌으며, 버크민스터풀러렌이 탄소 나노튜브에 공유결합되어 있다.
탄소 나노폼은 1997년에 발견된 강자성 동소체이다. 6원자 및 7원자 고리에서 탄소 원자들이 삼각 결합하고 있는 삼차원 망에서 원자들이 저밀도 클러스터 조립으로 뭉쳐져 있다. 탄소 나노폼은 밀도가 2 kg/m밖에 되지 않는다. 유리상 탄소는 밀폐기공률이 매우 높지만, 흑연과는 달리 판이 나란히 쌓이지 않고 불규칙하게 배열되어 있다. 선형 아세틸렌성 탄소의 화학 구조는 ―(C:::C)―이다. "sp" 혼성 오비탈로 선형 결합하고 있으며, 단일 결합과 삼중 결합이 교대로 이어지는 카르빈 중합체이다. 영률이 다이아몬드의 40배이기 때문에 나노 기술 분야에서 상당한 관심이 쏟아지고 있다.
2015년, 노스 캐롤라이나 주립 대학의 한 연구팀은 비정질 탄소 분말에 짧은 시간동안 고에너지 레이저를 쏘아, Q-탄소라 명명한 새로운 탄소 동소체를 발견했다. Q-탄소는 강자성이자 형광 물질이고, 다이아몬드보다 경도가 높은 것으로 밝혀졌다.
유기물(유기 화합물, )는 구조의 기본 골격으로 탄소 원자를 갖는 화합물을 통칭한다. 이에 반하여 무기물(무기 화합물, )은 탄소를 포함하지 않는 화합물의 통칭이나, 영어 명칭에서 보듯이, 유기물은 생명체의 활동에 의해 생기는 것이라는 의미로 생성된 명칭이어서, 탄소를 포함하지만 생물 유래가 아닌 화합물은 무기물로 분류한다.
탄산.
앙금 생성 반응을 통해 산출되는 탄산 칼슘, 탄산 바륨 등은 흰색 앙금이며, 이 앙금들은 산과 쉽게 반응하여 이산화 탄소와 물을 발생한다. 따라서 탄산 이온(CO32-)을 검출할 때, 이러한 앙금이 유용하다.
무기물.
탄소를 포함하지만 무기물로 분류된 화합물 중 대표적인 것이 이산화탄소인데, 최근 지구 온난화와 관련하여 탄소 배출권 등의 형태로 사용량을 규제하려는 움직임이 커지고 있다. 유기물질은 광물에서 얻을 수 있는 무기물질의 상대적 개념으로 살아있거나 있었던 생물에서 얻어지는 물질을 유기화합물이라 했었는데 오늘 날에는 화합물의 구성원자중 탄소를 포함하며 그 물질을 분해하는 과정에서 에너지를 얻을 수 있으면 유기물, 없으면 무기물이라 한다.
과거부터 연필 등의 형태로 사용되어온 흑연과 보석이면서 모든 광물 중 가장 경도가 높은 다이아몬드, 극저온 상태에서 초전도 현상을 보이고 수지의 내구성 및 내열성을 높일 수 있는 풀러렌, 반도체의 성질을 가지는 탄소 나노튜브 등에 사용된다. 다른 동소체로, 그래핀이라는 2차원 구조의 물질이 있다.
붕소(硼素, )는 준금속 화학 원소로 기호는 B(←)이고 원자 번호는 5이다.
붕소는 홑원소 물질로는 자연에 존재하지 않고 붕사나 붕산석 등의 붕산염 광물로 산출된다. 순수한 홑원소 물질로의 분리는 프랑스의 앙리 무아상이 1892년 산화 붕소에서 분리시켰다. 원소명은 아라비아어의 붕사(buraq)에서 유래하였다. 1909년이 되어서야 순도가 높고 불순물이 섞이지 않은 붕소를 얻어낼 수 있었다.
붕소는 홑원소 상태에서 탄소와 비슷한 흑회색이다. 다이아몬드 다음으로 단단하다고 알려져 있다. 하지만 산소나 탄소 등과 반응해, 산화 붕소 또는 탄화 붕소를 만들면 다이아몬드보다 물렁물렁해진다.
붕소의 전자 배치는[He]2s22p1이다.
H3BO3(붕산)
가장 간단한 보레인은 BH3이다. 이 분자는 여섯 개의 원자가 전자만 갖는다. 따라서 팔전자 규칙의 예외이다.
결과적으로 BH3은 자기 스스로 반응하여 다이보레인(diborane, B2H6)을 생성한다.
이 반응은 Lewis 산-염기 반응으로 간주할 수 있다. 각 BH3에서 하나의 BH 결합 전자 쌍이 다른 분자에게 전자 주개 역할을 한다.
붕소의 색상은 흑회색이지만 유리(주로 이산화규소(SiO2)로 구성됨)에 섞으면 투명해지며, 붕소를 포함한 유리는 열팽창률이 작아 내열유리, 조리용 주전자, 화학실험 플라스크, 비커 등에 사용된다. 붕산을 포함한 붕산수는 고속 중성자를 매우 잘 흡수하기 때문에 고준위 방사성 폐기물을 담구어 보관하거나 원자로의 비상냉각시스템에 쓰인다.
약품.
10B 동위원소는 열중성자를 아주 잘 포획하는데, 중성자의 에너지에 따라 다르지만, 그 능력은 11B의 대략 100만 배 정도이다. 이 때문에 10B 동위원소 화합물들은 원자력 산업에서 핵반응 조절제, 응급 핵반응 중지제, 그리고 핵연료 재충전을 위한 가동 정지제로 사용된다.
Brown 외 4인 [2011년 2월] «일반 화학 제12판», 일반화학교재연구회
베릴륨(, ←)은 알칼리 토금속에 속하는 화학 원소로 기호는 Be(←)이고 원자 번호는 4이다. 실온에서 가볍고 단단하며 부서지기 쉬운 은회색의 금속으로 존재한다. 2가 양이온이 되려는 경향이 있고 자연에서는 순수한 형태로 발견되지 않으며, 주로 녹주석, 금록석 등에서 산출된다. 우주에서는 항성 핵합성에 의해 생성된 베릴륨의 수명이 짧으므로 그 존재 비율이 매우 작다.
베릴륨은 알루미늄, 구리, 철, 니켈 등의 금속과 혼합하여 합금을 만들면 여러 가지 물리적 성질이 향상되는 효과를 볼 수 있다. 또한, 비중이 1.85로 가볍고 단단한데다가 열 전도율이 높아 미사일, 우주선, 인공위성 등 항공우주 분야와 전기·전자, 원자력, 합금 등에 사용된다. 그러나 독성이 있어 베릴륨에 노출되면 베릴륨증 (berylloids) 과 같은 증상이 나타날 수 있으므로 취급할 때 주의가 필요하다.
베릴륨 화합물은 2족 원소의 화합물이 보통 이온 결합 물질인 것과는 다르게 공유 결합 물질로 간주된다. 이는 다른 알칼리 토금속에 비해 원자 반지름의 크기가 작은 것에 기인하며, 같은 이유로 2족 원소의 산화물은 보통 염기성을 띠는 반면, 베릴륨 화합물은 양쪽성 물질로 작용하는 경우가 많다. 이러한 성질은 같은 2족 원소들보다 13족 원소인 알루미늄에 더 가까우며, 이는 베릴륨과 알루미늄에서 전하량과 원자 반지름의 비율이 비슷하기 때문이다. 공기 중에서 반응할 경우, 표면에 산화 피막이 형성되어 1000 °C 이상으로 가열될 때까지 반응하지 않으며, 발화하면 밝은 빛을 내면서 질화 베릴륨(Be3N2)과 산화 베릴륨이 생성된다. 산화 베릴륨은 내화성이 있는 흰색 고체로 열 전도율이 뛰어난 절연체이며, 산화물로서는 특이하게 양쪽성 물질이다. 수산화 베릴륨(Be(OH)2) 또한 양쪽성 물질로, 보통 베릴륨 염을 생성할 때는 이 물질과 산을 반응시켜 얻는다. 또, 베릴륨은 고온에서 할로젠, 수소, 탄소 등과 반응하여 각각 할로젠화 베릴륨, 수소화 베릴륨, 탄화 베릴륨을 형성한다. 이 중 탄화 베릴륨(Be2C)은 적색의 내화성이 있는 고체로 물과 반응하여 메테인을 생성한다. 황, 셀레늄, 텔루륨 등 산소족 원소와는 1:1 비율로 결합하여 화합물을 형성할 수 있으며, 그 결정 구조는 모두 등축정계이다. 그 밖에 인화물과 여러 가지 붕화물(Be5B, Be4B, Be2B, BeB2, BeB6, BeB12)이 알려져 있다. 또, 염산이나 묽은 황산에는 쉽게 녹지만 저온의 진한 질산이나 물에서는 표면에 산화 피막이 형성되므로 잘 반응하지 않으며, 알칼리성 용액에서는 Be(OH)42- 이온을 형성하고 수소 기체를 발생시키며 녹는다. 양쪽성 물질로 작용하는 산화 베릴륨도 알칼리성 수용액에 녹아 같은 이온을 형성한다.
베릴륨은 원자가 전자가 2개이며, 주로 +2의 산화수를 가진다. 따라서 주로 2개의 공유 결합을 형성하여 화학 반응에 참여한다. 옥텟 규칙에 따르면 원자들은 원자가 전자 8개를 채워 비활성 기체와 같이 안정한 상태로 되려는 경향이 있으나, 베릴륨은 배위 결합 화합물에서 배위수가 4가 되려는 경향이 있는데, 이는 2개의 공유 결합이 8개의 전자 중 절반을 채우기 때문이다. 이렇게 배위수가 4가 되려는 성질 때문에 플루오린화 베릴륨이나 염화 베릴륨과 같은 베릴륨 화합물은 고분자의 형태를 가질 수 있다. 또, 베릴륨은 유기 배위 화합물도 형성할 수 있고, 알킬기와 같은 작용기의 탄소 원자와 직접 결합할 수 있다.
베릴륨은 실온에서 은회색의 단단한 금속으로, 육방 밀집 구조의 결정 구조를 가지고 있다. 전성과 연성이 낮고 부서지기 쉬우나, 영률이 287 GPa로 매우 크고 탄성 계수가 강철의 1.33배 정도로 뛰어나며 비중은 1.85로 비교적 낮은 밀도를 가진다. 이러한 특성들이 복합적으로 작용하여 실온에서의 음속이 12890 m/s 정도로 매우 빠르다. 또, 베릴륨의 열 전도율은 216 W·m−1·K−1로 단위 질량 당 열 소산 능력이 가장 뛰어난 금속이다. 반면 열팽창률은 11.3 µm·m−1·K−1로 낮아 열 부하가 큰 곳에서도 안정하다.
이러한 성질을 이용하여 알파 붕괴하는 원소들과의 혼합물이 중성자원으로 많이 사용된다. 그리고 다른 금속 원소들에 비해 X선과 감마선을 투과하는 능력이 월등히 뛰어나 X선관의 창을 만들 때도 사용된다. 열중성자에 대한 산란 단면적도 커서 원자로에서 중성자 감속재와 핵연료의 피복재로도 사용된다.
베릴륨의 동위 원소들은 모두 항성에서 생성되나, 수명이 길지는 않다. 현재 우주에 존재하는 대부분의 안정한 베릴륨은 성간물질에 있는 중원소들이 우주선과 상호작용하여 생성된 것으로 추정된다. 생성된 베릴륨은 현재까지도 9Be의 한 가지 안정 동위 원소로만 이루어져 있으며, 7Be(반감기 약 53일), 10Be(반감기 약 140만 년)을 제외한 나머지 방사성 동위 원소들은 모두 반감기가 15초 미만이다.
미량 방사성 동위 원소인 10Be은 대기 중의 산소와 질소가 우주선 파쇄를 거침으로써 생성된다. 10Be은 토양에 축적되며, 약 140만 년의 반감기를 거쳐 10B로 붕괴한다. 반응식은 아래와 같다.
10Be와 그 붕괴 생성물의 비율은 토양의 형성 및 침식, 라테라이트 연구, 태양 활동의 변화와 빙핵의 연대를 측정하는 데 사용된다. 특히 태양 활동의 활동성과 10Be의 생성 비율은 반비례하는데, 이는 태양 활동이 활발한 동안 태양풍이 강해져 지구에 도달하는 우주선의 양을 감소시키기 때문이다. 또, 고속의 중성자가 대기 중의 이산화 탄소에 일정 비율로 존재하는 13C과 반응할 때도 10Be이 생성되므로 과거에 행해진 핵실험의 증거가 될 수 있다.
한편, 베릴륨은 최외각 전자가 아닌 가장 안쪽 전자껍질의 전자도 화학 결합에 참여할 수 있다. 반감기가 약 53.2일인 7Be은 미량 방사성 동위 원소이며, 10Be과 같이 태양 활동에 따라 그 양이 변한다. 이 동위 원소는 전자 포획을 통해 붕괴하는데 이 때 결합에 참여하는 원자 궤도를 도는 전자를 포획할 수 있다. 이러한 점 때문에 전자 배치에 따라 붕괴 속도가 달라지는 현상이 나타나는데, 이는 방사성 붕괴에서 매우 드문 현상이다.
베릴륨이 포함된 광물인 녹주석과 에메랄드는 이집트 프톨레마이오스 왕조 이전부터 알려져 있던 것으로 추정된다. 1798년에 르네쥐스트 아위가 녹주석과 에메랄드를 비교하여 매우 유사하다는 것을 밝혀냈으며, 같은 해 프랑스의 화학자 루이 니콜라 보클랭이 에메랄드와 녹주석에서 산화 알루미늄과 비슷한 베릴륨 염을 발견하고, 단맛이 난다는 사실을 밝혔다. 1828년에는 독일의 화학자 프리드리히 뵐러와 프랑스의 앙투안 뷔시가 각각 아래와 같은 화학 반응식처럼 염화 베릴륨(BeCl2)을 칼륨과 반응시켜 처음으로 순수한 베릴륨을 발견하였다.
1898년에는 프랑스의 화학자 폴 르뷰(Paul Lebeau)가 플루오린화 베릴륨과 플루오린화 나트륨의 혼합물을 용융시킨 후 전기분해하는 방식을 이용하여 처음으로 고순도(99.5 ~ 99.8%)의 베릴륨을 얻는 데 성공하였다. 한편, 최초로 베릴륨을 발견한 당시에는 단맛을 내는 베릴륨 염에서 이름을 따 달다는 뜻의 그리스어 '글루코스()'에서 유래한 글루시늄(Glucinium, 원소 기호: Gl)으로 명명되었으나, 1957년 녹주석(, )의 이름을 딴 베릴륨으로 공식 변경되었다.
1932년에는 제임스 채드윅이 폴로늄에서 방출되는 알파 입자를 베릴륨 판에 충돌시킨 후에 방출되는 투과력이 강한 방사선을 파라핀에 쬐는 실험을 통해 중성자를 발견하였다. 이후로는 알파 붕괴를 통해 붕괴하는 원소들과 베릴륨을 혼합하여 중성자원으로 사용하였으며, 1942년 엔리코 페르미가 최초로 제어된 핵분열 연쇄 반응을 일으킬 때도 알파 붕괴하는 라듐과 베릴륨을 섞은 중성자원이 사용되었다. 제2차 세계 대전 기간 동안에는 베릴륨 생산량이 급격하게 증가하였는데, 이는 단단한 베릴륨구리와 형광등 제조에 사용되었다. 그러나 베릴륨의 독성이 알려지면서 1949년 이후 베릴륨 화합물을 이용한 형광등 제조는 중단되었다.
지구의 지각에는 약 2.8 ppm 정도의 베릴륨이 포함되어 있으며, 그 중 토양에서 6 ppm 정도로 가장 많이 축적되어 있다. 해수에는 0.0006 ppb 정도로 미량 포함되어 있으며, 담수에는 0.1 ppb 정도 존재한다. 대기 중에서도 극소량 발견된다.
베릴륨은 100종류 이상의 광물에서 발견되나, 대부분은 희귀한 광물이다. 주요 원료는 녹주석(Al2Be3(SiO3)6), 금록석(Al2BeO4), 페나카이트(Be2SiO4) 등이 있으며, 드물게 아쿠아마린이나 에메랄드 등으로 산출되는 경우도 있다. 이들 광물이 띠는 색은 그 안에 포함된 소량의 크로뮴의 농도에 따라 달라진다. 아르헨티나, 브라질, 인도, 마다가스카르, 러시아, 미국 등지에 많이 분포되어 있으며, 전 세계 베릴륨 광석의 매장량은 40만 톤 이상이다. 인체에도 미량 포함되어 있다.
베릴륨은 고온에서 산소와의 결합력이 매우 크고 산화 피막을 제거했을 경우 물을 환원시키는 능력이 커서 순수한 형태로 분리하는 것이 상당히 어렵다. 주요 생산국은 미국과 중국이다.
베릴륨은 주로 녹주석(Be3Al2(SiO3)6)에서 추출하여 얻는다. 녹주석을 규불화 나트륨(Na2SiF6)과 함께 700 °C 이상으로 가열하면 수용성의 플루오린화 베릴륨(BeF2)을 생성된다. 플루오린화 베릴륨은 다시 1,300 °C 이상에서 마그네슘으로 환원시키거나 수용액을 pH 12로 조절하여 수산화 베릴륨(Be(OH)2)을 침전시켜 얻기도 한다. 마그네슘으로 환원시켜 얻을 경우의 반응식은 아래와 같다.
한편, 수산화 베릴륨은 가열하면 산화 베릴륨(BeO)이 되며, 이것을 탄소와 염소와 반응시키면 염화 베릴륨(BeCl2)이 생성된다. 이 물질을 염화 나트륨(NaCl)과 함께 용융시킨 후 전기분해하면 순수한 베릴륨을 얻을 수 있다.
베릴륨은 항공우주, 원자력, 금속 공업, 세라믹 제조 등에 널리 사용되며, 합금의 형태로 치과용 재료, 전자 제품, 스포츠 용품, 휠체어 및 각종 도구를 제작하는 데 쓰인다. 그러나 대부분 군사적으로 사용되는 것으로 추정되므로 관련 정보가 공개되지 않은 것도 있다.
베릴륨은 구리나 니켈, 철과 혼합하여 강도가 높은 합금을 만드는 데 사용된다. 구리에 베릴륨을 2%가량 첨가하여 만든 베릴륨구리는 구리보다 강도가 약 6배 정도 커지고 내마모성 합금이기 때문에 내마모성이 필요한 강력 용수철, 자이로스코프, 가속도계, 항공기 엔진, 도구 등에 사용된다. 특히 폭발의 위험이 있는 곳에서는 충격을 가해도 불꽃이 튀지 않는 도구를 사용해야 하는데, 베릴륨구리는 그 강도가 매우 커서 불꽃이 잘 튀지 않는다.
니켈에 2% 정도의 베릴륨을 첨가한 합금은 용수철, 용접 도구, 클립, 전열기의 제작에 사용되며, 치과에서는 의치로도 사용된다. 베릴륨 합금은 고속 항공기, 미사일, 인공위성, 우주선의 여러 가지 부품에 사용되며, 자전거 프레임과 골프채 등 스포츠 용품에도 사용된다. 또, 베릴륨은 마그네슘이나 은 합금 등 다른 금속의 산화 방지에도 이용되며, 한때는 군용기의 브레이크에 사용되다가 환경오염 문제로 인해 다른 금속으로 대체되었다.
베릴륨은 다른 중성자원에 비해 상대적으로 적은 양의 중성자를 발생시켜야 하는 실험에서 중성자원으로 쓰인다. 베릴륨의 유일한 안정 동위 원소인 베릴륨-9가 알파 입자와 충돌하면 중성자를 발생시키는 점을 이용한 것으로, 보통 알파 붕괴를 통해 붕괴하는 폴로늄, 라듐, 플루토늄, 아메리슘 등의 방사성 동위 원소를 사용한다. 베릴륨-9 원자핵과 알파 입자가 충돌하면 탄소-12 원자와 중성자가 생성되며, 그 반응식은 아래와 같다.
이러한 중성자원은 초기의 핵무기에 사용되기도 하였다. 또, 베릴륨은 감마선을 쬘 때도 중성자가 방출되므로 감마 붕괴하는 방사성 동위 원소들과 함께 사용하여 중성자원으로 쓰기도 한다.
베릴륨 화합물은 원자로에서 냉각재나 감속재로 사용되기도 한다. 플루오린화 베릴륨은 용융염 원자로에서 감속재, 냉각재, 용매의 성분으로 사용되며, 산화 베릴륨(BeO)은 중성자 감속재로 사용된다.
전기·전자.
베릴륨은 방열을 요하는 전자 회로에서 인쇄 회로 기판과 방열판으로 사용되며, 반도체 첨가물, 트랜지스터와 X선관의 창으로 사용되기도 한다. 특히 산화 베릴륨은 절연체이면서도 열 전도율이 뛰어나며, 매우 단단하고 녹는점도 높아 고출력 트랜지스터와 라디오 송신기에 사용된다. 그리고 베릴륨은 가볍고 단단한 성질이 있어 고성능 스피커의 떨림판으로 이용된다. 또, 베릴륨 화합물은 한때 형광등 제조에 사용되기도 했으나, 현재는 독성으로 인해 그 사용이 중단되었다.
인체에는 0.4 ppb 정도로 미량의 베릴륨이 포함되어 있으나, 인체에 해가 될 정도의 양은 아니다. 그러나 베릴륨은 화학적으로 마그네슘과 비슷하여 체내의 효소에서 마그네슘을 치환하는 역할을 하는데, 이로 인해 효소가 제 기능을 수행하지 못하므로 독성을 띠게 된다. 또, 베릴륨은 금속 형태일 때는 반응성이 낮으나, 미세한 분진의 형태일 때는 폭발의 위험성도 있다. 국제 암 연구 기관(IARC)은 베릴륨과 그 화합물을 1급 발암물질로 규정했다. 따라서 베릴륨을 포함하는 물질을 취급할 때는 주의가 필요하다.
1분류 베릴륨증은 1933년 유럽에서 최초로 보고되었으며, 주로 고농도의 베릴륨에 노출되었을 경우에 발생한다. 반면 2분류 베릴륨증은 비교적 저농도의 베릴륨에 노출되었을 때도 일어나며, 폐와 순환계에 악영향을 미친다. 특히 폐에 들어가면 폐부종, 폐암 등의 심각한 폐 질환을 일으킨다. 유육종증과 여러 면에서 유사하여 감별 진단이 어렵다. 2분류에 속하는 베릴륨증은 베릴륨에 노출되더라도 여러 달 정도의 기간을 두고 일어나지만 아예 증상이 나타나지 않는 경우도 있다. 주로 베릴륨을 포함하는 먼지나 매연 등을 호흡기를 통해 직접 흡입하는 것이 원인이며, 피부나 눈에 노출되어도 염증이 생길 수 있다.
한편, 베릴륨이 발견된 이후 그 특성을 연구하던 초기 화학자들은 베릴륨 화합물에서 단맛이 난다는 점을 이용하여 직접 맛을 보아 베릴륨 화합물을 확인하였으나, 이는 매우 위험한 방법이다. 최초로 핵분열 연쇄 반응을 일으키는 데 성공한 엔리코 페르미도 실험에 베릴륨 분말을 취급하다가 거기에 노출되어 폐렴에 걸렸다. 한때는 베릴륨 화합물이 형광등 제조에 사용되었으나, 이후 베릴륨의 독성이 알려지면서 생산이 중단되었다. 현대에는 원자력, 항공우주, 전자 제품 제조업, 베릴륨 합금과 같이 베릴륨이 포함된 물질을 다루는 곳에서 베릴륨 노출 위험이 남아 있다. 대한민국에서는 치과용 합금으로 사용되는 베릴륨의 독성으로 인해 논란이 된 적이 있다.
리튬(, ←)은 알칼리 금속에 속하는 화학 원소로, 기호는 Li(←)이고 원자 번호는 3이다. 돌을 뜻하는 그리스어 리토스(λίθος, líthos)에서 이름이 유래되었는데, 이유는 나트륨이나 칼륨과는 달리 광석에서 처음으로 발견했기 때문이다. 무르고 은백색이며 부식을 유발한다. 합금으로 열전달이나 전지 등에 사용할 수 있으며, 미네랄 오일에는 리튬 염의 형태로 첨가되어 있는 경우가 많다. 하얀 석유라고 불린다.
리튬이 포함된 엽장석(葉長石, petalite)은 브라질의 학자인 조제 보니파시우 데 안드라다 에 시우바(José Bonifácio de Andrada e Silva)가 18세기 말에 발견하였다. 1817년, 스웨덴의 요한 아우구스트 아르프벳손(Johan August Arfwedson)은 우퇴 섬(Utö)에서 발견한 리튬휘석(spodumene, (LiAl[(SiO3)2])과 운모(雲母, K(Li,Al)3[(Al,Si)4O10](F,OH)2)를 분석하던 중 리튬의 존재를 확인하게 되었다. 1818년, 독일의 화학자 크리스티안 고틀로프 그멜린(Christian Gottlob Gmelin)은 리튬 염들을 가열하면 화염이 붉은 색으로 변한다는 것을 알아내었다. 이후 아르프벳손과 그멜린은 리튬을 광석에서 유리시키려는 시도를 했지만 성공하지 못했고, 대신 같은 해에 영국에서 윌리엄 토머스 브란드(William Thomas Brande)와 험프리 데이비(Sir Humphry Davy)가 산화 리튬(Li2O)의 전기 분해를 통해 순수한 리튬을 얻는 데에 성공했다.
1855년, 로베르트 분젠(Robert Bunsen)과 오거스터스 매티슨(Augustus Matthiessen)은 염화 리튬(LiCl)의 전기 분해로 더 많은 양의 순수 리튬을 추출하는 방법을 터득했고, 1917년, 빌헬름 솅크(Wilhelm Schenk)는 유기 수은 화합물에서 최초의 유기 리튬 화합물을 합성했다. 1923년에는 독일 금속회사(Deutsche Metallgesellschaft, 오늘날의 )가 염화 리튬과 염화 칼륨(KCl)의 용액을 전기 분해하는 방법을 사용해 리튬의 상업적 생산을 시작했다.
2차 대전 직후까지 리튬은 대부분 윤활제로나 유리 공업에서만 쓰였는데, 미국이 리튬을 통해 획득할 수 있는 삼중수소를 수소 폭탄의 제조에 필요로 하게 되자 상황이 급변했다. 산출량은 급격히 증가했고, 노스캐롤라이나주의 킹스 마운튼(Kings Mountain)이 특히 중요한 산출 지역이 되었다. 삼중수소의 짧은 반감기를 의식했기 때문에 1953년부터 1963년까지 리튬은 대량으로 비축되었고, 이는 냉전이 끝난 1993년부터 시장으로 유통되기 시작했다.
지구 내.
리튬은 몇 가지 광물에 포함되어 있다. 가장 중요한 예로는 리튬 함유량이 최대 9%인 인반석(燐磐石, LiAlPO4F)과 역시 함유량이 비교적 높은 리튬휘석, 운모, 엽장석을 들 수 있다. 덜 흔한 예로는 리튬 함유량이 광물 중에서 제일 높은 빙인운모(氷鱗雲母, cryolithionite, Li3Na3(AlF6)2)나 리티오필라이트(lithiophilite, Li(FeII,MnII)[PO4]), 진왈다이트(zinnwaldite, K(Li,Fe,Al)3[(Al,Si)4O10](F,OH)2)가 있다. 리튬 광물은 많은 규산염 암석에서 발견할 수 있으나, 많은 양이 함유되어 있지는 않으며, 큰 노천 광산도 없다. 리튬을 이들 광물에서 추출하는 작업은 매우 번거로우므로 오늘날에는 리튬이나 리튬 화합물을 구할 때 더 이상 이렇다 할 역할을 하지 않으며, 캐어낸 광물을 갈아서 유리 공업에 사용하는 일은 아직도 있다. 리튬의 비축량은 1300만 톤 이상으로 추정된다.
리튬 염 중에서도 특히 염화 리튬(LiCl)은 염호(鹽湖)의 소금물에 최대 1%가 함유되어 있다. 비교적 많은 양의 리튬을 얻을 수 있는 곳은 볼리비아(데 우유니 염호, Salar de Uyuni), 칠레(데 아타카마 염호, Salar de Atacama), 아르헨티나, 미국(노스캐롤라이나와 네바다주), 캐나다, 오스트레일리아, 짐바브웨, 중국(티베트, 차카 염호(扎布耶盐湖, Chabyêr Caka))에 있다. 한국이나 유럽에는 리튬 광산이나 염호가 없으나, 한국의 경우 지질자원연구원이 바닷물에서 리튬을 체광하는 기술을 확보했다.
지구 바깥.
빅뱅 이후 수소와 헬륨 외에도 7Li의 상당량이 만들어졌으나, 항성 내에서 리튬과 수소 사이에 일어난 양성자-양성자 연쇄 반응 PP II에 의해 더 무거운 원소로 변화하면서 현재까지 대부분이 사라졌다. 갈색 왜성의 경우는 수소의 핵융합을 불러일으키기에 필요한 75 목성 질량(1,8986·1027)에 미달하고 온도도 충분히 높지 않은 까닭에 빅뱅으로 탄생한 리튬을 현재까지도 제대로 보존하고 있다. 따라서 리튬은 지구 외부에서는 흔하지 않은 축에 들고 갈색 왜성의 존재를 규명하는 데 쓰일 수 있다.
별들은 질량, 나이, 중원소 함량이 비슷하더라도 리튬 분포에서는 차이가 많이 날 수 있는데, 이는 행성의 유무와 관계가 있다. 주위에 행성이 없으면 리튬의 함량이 높고, 반대로 태양과 같이 행성을 가질 경우 함량은 줄어든다.
배터리 핵심 원재료 중 하나이다.
리튬의 추출.
리튬을 포함하는 소금물에서 물을 증발시키고 탄산 나트륨을 첨가해 탄산 리튬을 얻는다. 이때 소금물을 리튬 함유량이 0.5%를 초과할 때까지 농축하며, 물에 잘 녹지 않는 탄산 리튬을 건져낸다.
리튬 금속을 합성하려면 탄산 리튬을 염산과 섞는다. 이산화 탄소는 기체로 흩어지고 염화 리튬이 용해된 상태로 남는다. 이 용액을 진공 증발기 내에서 염화물이 결정체가 될 때까지 농축한다.
소금물은 부식성이 매우 강하기 때문에, 염화 리튬을 얻을 때 쓰는 도구들은 특수한 강철이나 니켈로 만들어진 것이어야 한다. 352 °C에서 녹게 되는 52%가 염화 리튬, 48%가 염화 칼륨으로 이루어진 공융(共融) 혼합물(eutectic mixture)을 물 대신 녹은 설탕을 전해물로 사용한 전기 분해로 순수 리튬을 유리한다.
또는:
전극전위가 더 높은 칼륨은 여기서 같이 분리되지 않으나, 미량의 나트륨이 섞이게 되며, 이는 리튬을 강한 반응제로 만든다. 이런 리튬은 유기화학용으로는 도움이 되나 리튬 전지용으로는 질이 떨어진다. 전해질의 표면에 모이는 액체 리튬은 전해전지에서 내보내기가 비교적 수월하다. 이외에도 염화 리튬을 피리딘 속에서 전기 분해하는 방법이 있으며, 실험실에서 시험하기에 적당하다.
물리적 속성.
리튬은 상온 상태에서는 가장 가벼운 고체(밀도: 0,534 g/cm3)로 -260 °C에서 고체를 형성하는 수소만이 더 가볍다(밀도: 0,0763 g/cm3). 리튬은 다른 알칼리 금속과 마찬가지로 결정체로는 입방정계 형식의 구슬 모양을 이룬다. 알칼리 금속 중에서는 녹는점과 끓는점이 가장 높고, 제일 단단하기도 하지만, 모스 경도 0.6으로 자르는 것이 여전히 용이하다. 리튬 조각은 나이프로 쉽게 절단할 수 있다. 절단면은 은백색의 금속 광택을 가지나 곧 공기중의 산소와 수증기 따위에 의해 산화되며 검은색으로 변한다. 전도율과 열전도율은 높은 편이다(전도율: 구리의 18% 정도).
리튬에는 마그네슘과 비슷한 점이 있다. 마그네슘은 6각형으로, 리튬은 정육면체 형태로 조합할 때 가장 조밀하지만, 어느 한도까지는 둘을 섞은 고용체(固溶體)를 만들 수 있다. 이런 고용체 내에서는 두 원소 중 수가 더 많은 쪽이 자신의 결정 격자(格子)를 관철시킨다.
리튬 이온은 -520kJ/mol로 알칼리 메탈 중에서 가장 높은 수화 엔탈피를 가지고 있으며, 이로 인해 물 속에선 완전히 수화물이 되어 물 분자를 강하게 끌어들인다. 이때 리튬 이온은 주위에 두 개의 H2O 분자층을 형성하는데, 가까운 층은 4개의 물 분자로 이루어지고, 이 분자층은 수소 결합을 통해 바깥쪽의 다른 분자들과 다시 연결된다. 이렇게 수소화한 리튬 이온의 지름은 질량은 더 높지만, 수소 분자를 이만큼 세게 끌어당기지 않는 루비듐이나 세슘의 수소화 이온보다도 더 커진다.
리튬 원소는 독자적으로 기체 형태로 변할 수 있고, 두 원자가 결합해 이중 리튬(Li2) 형태의 기체를 이룰 수도 있다. 이중 리튬의 결합 길이는 267.3pm이며, 결합 에너지는 101 kJ/mol이다. 기체 상태의 리튬은 질량의 1% 정도가 이중 리튬을 형성한다.
화학적 속성.
리튬은 알칼리 금속 중에서 반응률이 가장 낮음에도 불구하고 여전히 매우 쉽게 반응하고, 열을 발산하면서 다종의 다른 원소들과 화합물을 이룬다. 상온 상태의 완전히 건조한 공기 내에서는 비교적 안정된 편이지만, 습도가 높으면 급격히 수산화 리튬(LiOH) 층을 형성하며, 상온 상태의 건조한 공기 내에서도 다른 알칼리 금속과는 달리 천천히 질소와 반응해 질화 리튬(Li3N)을 형성한다. 물과 접촉하면 급격히 산화한다.
Li+ 이온의 높은 전하 밀도와 그에 비례해 역시 높은 질화 리튬의 격자 에너지에 의해 이 반응이 가능하다. 리튬은 표준 환원 전위는 −3,04 V이며, 이는 모든 원소 중의 최저치를 기록한다.
다른 알칼리 금속과 마찬가지로 공기를 구성하는 산소나 질소와의 반응을 막기 위해 등유 또는 파라핀유에 담구어 보관한다. 유리 앰플 안에 넣어 진공 또는 아르곤 대기 하에 보존할 수 있다. 그러나 다른 알칼리 금속처럼 유리 앰플 안에서 용융시켜 보존할 수 없는데 리튬이 유리를 침식하기 때문이다.
리튬과 마그네슘은 대각 방향 관계(diagonal relationship)를 이루며, 이들의 화합물 들에서도 역시 유사한 점을 발견할 수 있다. Li+와 Mg2+ 이온의 지름은 비슷하다.
리튬은 나트륨과는 달리 부틸 리튬이나 메틸 리튬 등의 여 러 유기 금속 화합물을 이룰 수 있다. 거의 모든 유기리튬화합물은 대기와 격렬히 반응한다. 베릴륨과 알루미늄, 붕소와 규소 사이의 관계도 이와 유사하다.