shopkeeper/korean_wiki_content_only_120125 huggingface dataset:
매년 약 6백만 톤의 플루오린 광물인 형석이 생산된다. 매년 40만 톤의 플루오린화 수소산이 제조된다. 플루오린 기체는 인산 제조의 부산물로 생산되는 플루오린화 수소산에서 만들어진다. 매년 약 15,000톤의 플루오린 가스가 생산된다.
암염은 염소를 위해 가장 흔히 채굴되는 광물이지만, 카르날라이트와 실바이트 광물도 염소를 위해 채굴된다. 매년 4천만 톤의 염소가 고염수의 전기 분해를 통해 생산된다.
매년 약 45만 톤의 브로민이 생산된다. 생산되는 모든 브로민의 50%는 미국에서, 35%는 이스라엘에서 생산되며, 나머지는 대부분 중국에서 생산된다. 역사적으로 브로민은 황산과 표백 분말을 천연 염수에 첨가하여 생산되었다. 그러나 현대에는 허버트 다우가 발명한 전기 분해 방식으로 브로민이 생산된다. 염소를 해수에 통과시킨 다음 공기를 해수에 통과시키는 방법으로도 브로민을 생산할 수 있다.
2003년에는 22,000톤의 아이오딘이 생산되었다. 칠레는 모든 아이오딘 생산량의 40%를 생산하고, 일본은 30%를 생산하며, 러시아와 미국에서도 소량이 생산된다. 1950년대까지 아이오딘은 다시마에서 추출되었다. 그러나 현대에는 다른 방법으로 아이오딘이 생산된다. 아이오딘이 생산되는 한 가지 방법은 이산화 황을 일부 아이오딘산염을 포함하는 질산염 광석과 혼합하는 것이다. 아이오딘은 또한 천연가스 매장지에서도 추출된다.
아스타틴은 자연적으로 발생하지만, 일반적으로 비스무트에 알파 입자를 충돌시켜 생산된다.
테네신은 사이클로트론을 사용하여 버클륨-249와 칼슘-48을 융합하여 테네신-293과 테네신-294를 생성한다.
소독제.
염소와 브로민은 음용수, 수영장, 신선한 상처, 스파, 식기, 표면의 소독제로 사용된다. 이들은 멸균이라는 과정을 통해 세균 및 기타 잠재적으로 해로운 미생물을 죽인다. 이들의 반응성은 표백에도 활용된다. 염소에서 생산되는 하이포아염소산 나트륨은 대부분의 옷감 표백제의 활성 성분이며, 염소 유래 표백제는 일부 종이 제품 생산에 사용된다.
할로젠등은 텅스텐 필라멘트를 사용하는 백열등의 일종으로, 전구에 아이오딘이나 브로민과 같은 소량의 할로젠이 첨가된다. 이는 동일한 와트에서 비할로젠 백열 전구보다 훨씬 작은 램프를 생산할 수 있게 만든다. 이 가스는 필라멘트의 얇아짐과 전구 내부의 검게 변색되는 것을 줄여 전구의 수명을 훨씬 길게 한다. 할로젠 램프는 다른 백열 전구보다 더 높은 온도(2800~3400 켈빈)에서 더 하얀색으로 빛난다. 그러나 이로 인해 전구는 실리카 유리 대신 석영유리로 제조되어 파손을 줄여야 한다.
약물 성분.
약물 발견에서, 주도적인 약물 후보에 할로젠 원자를 통합하면 일반적으로 더 친유성이고 수용성이 낮은 유사체를 얻을 수 있다. 결과적으로 할로젠 원자는 지질막 및 조직을 통한 침투를 개선하는 데 사용된다. 일부 할로젠화 약물이 지방 조직에 축적되는 경향이 있는 이유도 이 때문이다.
할로젠 원자의 화학적 반응성은 주도체에 결합되는 위치와 할로젠의 종류 모두에 따라 달라진다. 방향족 할로젠 계열은 지방족 할로젠 그룹보다 훨씬 덜 반응적이며, 지방족 할로젠 계열은 상당한 화학적 반응성을 나타낼 수 있다. 지방족 탄소-할로젠 결합의 경우 C-F 결합이 가장 강하며 일반적으로 지방족 C-H 결합보다 화학적으로 덜 반응적이다. 다른 지방족-할로젠 결합은 더 약하며, 주기율표 아래로 갈수록 반응성이 증가한다. 이들은 일반적으로 지방족 C-H 결합보다 화학적으로 더 반응적이다. 결과적으로 가장 흔한 할로젠 치환은 덜 반응적인 방향족 플루오린 및 염소 그룹이다.
플루오린화물 음이온은 유기체의 상아질, 뼈, 치아, 혈액, 알, 소변, 머리카락에서 발견된다. 아주 소량의 플루오린화물 음이온은 인간에게 필수적일 수 있다. 인간 혈액 1리터당 0.5밀리그램의 플루오린이 있다. 인간 뼈는 0.2~1.2%의 플루오린을 포함한다. 인간 조직은 약 50억분의 1의 플루오린을 포함한다. 일반적인 70킬로그램의 인간은 3~6그램의 플루오린을 포함한다.
염화물 음이온은 인간을 포함한 많은 종에게 필수적이다. 시리얼의 건조 중량 중 염소 농도는 10~20 ppm인 반면, 감자의 염화물 농도는 0.5%이다. 흙 속 염화물 수준이 2 ppm 미만으로 떨어지면 식물 성장에 부정적인 영향을 미친다. 인간 혈액은 평균 0.3%의 염소를 포함한다. 인간 뼈는 일반적으로 900 ppm의 염소를 포함한다. 인간 조직은 약 0.2~0.5%의 염소를 포함한다. 일반적인 70킬로그램의 인간에는 총 95그램의 염소가 있다.
브로민화물 음이온 형태의 브로민은 모든 유기체에 존재한다. 인간에게 브로민의 생물학적 역할은 아직 입증되지 않았지만, 일부 유기체는 유기브로민 화합물을 포함하고 있다. 인간은 일반적으로 하루에 1~20밀리그램의 브로민을 섭취한다. 인간 혈액에는 일반적으로 5 ppm의 브로민이, 인간 뼈에는 7 ppm의 브로민이, 인간 조직에는 7 ppm의 브로민이 존재한다. 일반적인 70 kg의 인간은 260밀리그램의 브로민을 포함한다.
인간은 일반적으로 하루에 100마이크로그램 미만의 아이오딘을 섭취한다. 아이오딘 결핍은 지적 장애를 유발할 수 있다. 유기아이오딘 화합물은 인간의 일부 샘, 특히 갑상샘뿐만 아니라 위, 표피, 면역계에서도 발견된다. 아이오딘을 함유한 식품으로는 대구, 굴, 새우, 청어, 바닷가재, 해바라기씨, 바닷말, 버섯 등이 있다. 그러나 아이오딘은 식물에서는 생물학적 역할이 없는 것으로 알려져 있다. 인간 혈액에는 일반적으로 리터당 0.06밀리그램의 아이오딘이, 인간 뼈에는 300억분의 1의 아이오딘이, 인간 조직에는 50~700억분의 1의 아이오딘이 존재한다. 일반적인 70킬로그램의 인간에는 10~20밀리그램의 아이오딘이 있다.
아스타틴은 매우 희소하지만, 지구상에서 마이크로그램 단위로 발견되었다. 높은 방사능과 극심한 희귀성, 그리고 가장 안정한 동위 원소의 반감기가 약 8시간에 불과하기 때문에 알려진 생물학적 역할은 없다.
테네신은 순수하게 인공적으로 만들어졌으며 자연에서 다른 역할은 없다.
할로젠은 무거워질수록 독성이 감소하는 경향이 있다.
플루오린 가스는 극도로 유독하다. 25 ppm 농도의 플루오린을 흡입하는 것은 치명적일 수 있다. 플루오린화 수소산 또한 유독하며, 피부를 침투하여 매우 고통스러운 화상을 유발할 수 있다. 또한 플루오린화물 음이온은 유독하지만 순수한 플루오린만큼 유독하지는 않다. 플루오린화물은 5~10그램의 양으로 치명적일 수 있다. 1.5 mg/L 이상의 플루오린화물을 장기간 섭취하는 것은 치아의 심미적 상태인 반상치의 위험과 관련이 있다. 4 mg/L 이상의 농도에서는 뼈의 경화로 인해 골절이 더 흔해지는 골격 플루오린증이 발생할 위험이 증가한다. 치아 우식증을 예방하는 방법인 불소화 처리의 현재 권장 수준은 플루오린의 해로운 영향을 피하면서 동시에 이점을 얻기 위해 0.7~1.2 mg/L 범위로 사용된다. 정상 수준과 골격 플루오린증에 필요한 수준 사이의 수준을 가진 사람들은 관절염과 유사한 증상을 보이는 경향이 있다.
염소 기체는 매우 유독하다. 3 ppm 농도의 염소를 흡입하면 빠르게 유독 반응을 일으킬 수 있다. 50 ppm 농도의 염소를 흡입하는 것은 매우 위험하다. 몇 분 동안 500 ppm 농도의 염소를 흡입하는 것은 치명적이다. 또한 염소 가스를 흡입하는 것은 부식성 때문에 매우 고통스럽다. 염산은 염소의 산이며, 비교적 무독성인 반면, 매우 부식성이 강하고 공기 중에서 매우 자극적이고 유독한 염화 수소 가스를 방출한다.
순수 브로민은 다소 유독하지만 플루오린과 염소보다 독성이 적다. 브로민 100밀리그램은 치명적이다. 브로민화물 음이온도 유독하지만 브로민보다는 독성이 적다. 브로민화물의 치사량은 30그램이다.
아이오딘은 폐와 눈에 자극을 줄 수 있으며, 안전 한도는 세제곱미터당 1밀리그램이다. 경구 섭취 시 3그램의 아이오딘은 치명적일 수 있다. 아이오딘화물 음이온은 대부분 무독성이지만, 다량 섭취하면 치명적일 수도 있다.
아스타틴은 매우 희귀하지만 방사성이어서 매우 위험하다. 그러나 거시적인 양으로 생산된 적이 없으므로 그 독성이 일반인에게 큰 의미가 없을 가능성이 높다.
테네신은 반감기가 너무 짧아 화학적으로 연구할 수 없지만, 방사능으로 인해 매우 위험할 것이다.
초할로젠.
특정 알루미늄 화합물은 초원자 특성을 가지고 있다. 이 알루미늄 클러스터는 헬륨 가스에서 음이온 ( (n = 1, 2, 3, ...))으로 생성되며, 아이오딘을 함유한 가스와 반응한다. 질량 분석법으로 분석한 결과, 한 가지 주요 반응 생성물이 인 것으로 밝혀졌다.&lt;ref name="bergeron/2004"&gt;&lt;/ref&gt; 추가 전자를 가진 13개 알루미늄 원자의 이 클러스터는 동일한 가스 흐름에 산소가 유입될 때 산소와 반응하지 않는 것으로 보인다. 각 원자가 3개의 원자가 전자를 방출한다고 가정하면 40개의 전자가 존재하며, 이는 나트륨의 마법 수 중 하나이며 이 숫자들이 비활성 기체를 반영함을 의미한다.
계산에 따르면 추가 전자는 아이오딘 원자 바로 반대편에 있는 알루미늄 클러스터에 있다. 따라서 이 클러스터는 아이오딘보다 전자에 대한 전자 친화도가 더 높아야 하며, 따라서 이 알루미늄 클러스터는 초할로젠이라고 불린다 (즉, 음이온을 구성하는 부분의 수직 전자 분리 에너지가 어떤 할로젠 원자의 에너지보다 크다). 이온의 클러스터 성분은 아이오딘화 이온 또는 브로민화 이온과 유사하다. 관련 클러스터는 화학적으로 삼아이오딘화물 이온처럼 행동할 것으로 예상된다.&lt;ref name="bergeron/2005"&gt;&lt;/ref&gt;
알칼리 토금속(- 土金屬, Alkaline earth metal)은 주기율표의 2족에 속하는 여섯 화학 원소이다. 베릴륨 (Be), 마그네슘 (Mg), 칼슘 (Ca), 스트론튬 (Sr), 바륨 (Ba), 라듐 (Ra)이 알칼리 토금속에 속한다. 이 원소는 매우 유사한 특성을 가지고 있는데, 모두 표준 온도 압력에서 광택이 나고 은백색을 띠며, 다소 반응성이 있는 금속이다.
헬륨과 함께 이들 원소는 공통적으로 가득 찬 바깥쪽 s 궤도를 가지고 있다. 즉, 이 궤도에는 두 개의 전자가 모두 채워져 있으며, 알칼리 토금속은 이 전자들을 쉽게 잃어 +2 전하를 가진 양이온을 형성하고 +2의 산화수를 갖는다. 헬륨은 비활성 기체에 속하며 알칼리 토금속에 속하지 않지만, 결합을 강제로 형성할 때 베릴륨과 일부 유사성을 가질 것으로 이론화되었으며 때때로 2족에 속할 것으로 제안되기도 했다.
발견된 모든 알칼리 토금속은 자연에서 발견되지만, 라듐은 우라늄과 토륨의 붕괴 사슬을 통해서만 존재하며 원시 원소는 아니다. 이 족의 다음 추정 원소인 120번 원소를 합성하려는 모든 시도는 성공하지 못했다.
다른 족과 마찬가지로, 이 족의 원소는 전자 배열, 특히 최외각 껍질에서 일정한 패턴을 보여 화학적 행동의 경향성을 나타낸다.
대부분의 화학은 이 족의 첫 다섯 원소에서만 관측되었다. 라듐의 화학은 방사성 때문에 잘 확립되어 있지 않다. 따라서 여기에 제시된 라듐의 특성은 제한적이다.
알칼리 토금속은 모두 은색을 띠고 부드러우며, 비교적 낮은 밀도, 녹는점, 끓는점을 가진다. 화학적으로 모든 알칼리 토금속은 할로젠과 반응하여 알칼리 토금속 할로젠화물을 형성하며, 이들은 모두 이온 결정 화합물이다(단, 염화 베릴륨, 베릴륨 브로민화물, 베릴륨 아이오딘화물은 공유 결합성이다). 베릴륨을 제외한 모든 알칼리 토금속은 물과 반응하여 강한 알칼리성 수산화물을 형성하므로, 매우 주의해서 다루어야 한다. 무거운 알칼리 토금속은 가벼운 것보다 더 격렬하게 반응한다. 알칼리 토금속은 유효 핵전하가 다소 낮고 단 두 개의 전자를 잃으면 꽉 찬 최외각 껍질 배열을 이룰 수 있기 때문에 주기율표의 해당 주기에서 두 번째로 낮은 첫 번째 이온화 에너지를 갖는다. 모든 알칼리 토금속의 두 번째 이온화 에너지도 다소 낮다.
베릴륨은 예외이다. 베릴륨은 매우 높은 온도가 아니면 물이나 수증기와 반응하지 않으며, 그 할로젠화물은 공유 결합성이다. 베릴륨이 +2의 이온화 상태를 가진 화합물을 형성한다면, 높은 전하 밀도를 가지고 있어 주변의 전자 구름을 매우 강하게 편극시키고 광범위한 궤도 겹침을 이끌 것이다. 베릴륨을 포함하는 모든 화합물은 공유 결합을 가진다. 가장 이온성인 베릴륨 화합물인 플루오린화 베릴륨조차도 낮은 녹는점과 낮은 용융 시 전기 전도도를 가진다.
모든 알칼리 토금속은 최외각 껍질에 두 개의 전자를 가지고 있으므로, 채워진 전자 껍질을 만들기 위한 에너지적으로 선호되는 상태는 두 전자를 잃어 이중으로 전하를 띤 양의 이온을 형성하는 것이다.
화합물과 반응.
알칼리 토금속은 모두 할로젠과 반응하여 염화 칼슘()과 같은 이온성 할로젠화물을 형성하며, 산소와 반응하여 산화 스트론튬()과 같은 산화물을 형성한다. 칼슘, 스트론튬, 바륨은 물과 반응하여 수소 가스와 해당 수산화물을 생성하며(마그네슘도 반응하지만 훨씬 느리게), 또한 금속 교환 반응을 통해 리간드를 교환한다.
물리적 및 원자적 특성.
핵 안정성.
여섯 알칼리 토금속의 동위 원소는 모두 지구 지각과 태양계에 다양한 농도로 존재하며, 이는 핵종의 반감기와 핵 안정성에 따라 달라진다. 처음 다섯 원소는 각각 하나, 세 개, 다섯 개, 네 개, 여섯 개의 안정(또는 관찰적으로 안정) 동위 원소를 가지며, 총 19개의 안정 핵종은 각각 베릴륨-9, 마그네슘-24, -25, -26, 칼슘-40, -42, -43, -44, -46, 스트론튬-84, -86, -87, -88, 바륨-132, -134, -135, -136, -137, -138이다. 이 목록에서 밑줄 친 네 동위 원소는 방사성 핵종 붕괴 에너지에 의해 관측적으로만 안정하며 극도로 긴 반감기를 통해 이중 베타 붕괴할 것으로 예측되지만, 2024년 기준으로 이들 동위 원소의 붕괴라고 명확히 보이는 현상이 관측되지 않았다. 라듐은 안정하거나 원시 핵종 동위 원소가 없다.
안정 종 외에도 칼슘과 바륨은 각각 매우 긴 반감기를 가진 원시 방사성 핵종을 하나씩 가지고 있다. 칼슘-48과 바륨-130은 각각 년과 년의 반감기를 가진다. 두 반감기는 현재 우주의 나이보다 훨씬 길며 (각각 4.7×와 117× 억 배 길다), 지구 형성 이후 100억분의 1 미만만이 붕괴했다. 이 두 동위 원소는 현실적으로 사실상 안정하다.
21개의 안정 또는 거의 안정적인 동위 원소 외에도, 여섯 알칼리 토금속 원소는 각각 다수의 알려진 방사성 동위 원소를 가지고 있다. 앞서 언급된 21개 외의 어떤 동위 원소도 원시 핵종이 아니다. 모두 태양계 형성 이후 근처 초신성과 중성자별 충돌로 무거운 핵이 퍼진 후에도 단 하나의 원자도 살아남기에는 반감기가 너무 짧으며, 현재 존재하는 것은 모두 진행 중인 다른 자연 과정에서 유래한다. 베릴륨-7, 베릴륨-10, 칼슘-41은 대기 또는 지각 원자와 우주선의 충돌로 형성되는 미량이자 우주 기원 핵종이다. 이들 중 가장 긴 반감기는 베릴륨-10의 138만 7천 년, 칼슘-41의 9만 9천 4백 년, 라듐-226 (라듐의 가장 긴 반감기를 가진 동위 원소)의 1599년, 스트론튬-90의 28.90년, 바륨-133의 10.51년, 라듐-228의 5.75년이다. 나머지 모든 원소는 반감기가 0.5년 미만이며, 대부분은 훨씬 짧다.
칼슘-48과 바륨-130, 즉 두 개의 원시적이고 불안정한 동위 원소는 이중 베타 방출을 통해서만 붕괴하며 두 베타 붕괴가 동시에 일어날 확률이 극도로 낮기 때문에 극도로 긴 반감기를 가진다. 라듐의 모든 동위 원소는 높은 방사성을 띠며 주로 더 무거운 방사성 핵종의 붕괴를 통해 생성된다. 이들 중 가장 수명이 긴 것은 우라늄-238의 붕괴 사슬에 속하는 라듐-226이다. 스트론튬-90과 바륨-140은 원자로에서 우라늄의 흔한 핵분열 생성물이며, 열중성자에 충돌할 때 우라늄-235의 핵분열 생성물의 각각 5.73%와 6.31%를 차지한다. 두 동위 원소는 각각 28.90년과 12.7일의 반감기를 가진다. 스트론튬-90은 우라늄-235 또는 플루토늄-239 연료로 작동하는 원자로에서 상당량 생산되며, 자연 발생 우라늄의 드문 자발 핵분열 붕괴로 인해 미량의 영년 평형 농도도 존재한다.
칼슘-48은 이중 베타 붕괴를 겪는 것으로 알려진 가장 가벼운 핵종이다. 자연적으로 발생하는 칼슘과 바륨은 매우 약하게 방사성을 띠는데, 칼슘은 약 0.1874%의 칼슘-48을 포함하고 바륨은 약 0.1062%의 바륨-130을 포함한다. 평균적으로 90톤의 천연 칼슘, 또는 230톤의 석회암(탄산 칼슘)당 1초에 하나의 칼슘-48 이중 베타 붕괴가 발생한다. 같은 붕괴 메커니즘을 통해 16,000톤의 천연 바륨, 또는 27,000톤의 중정석 (황산 바륨)당 1초에 하나의 바륨-130 붕괴가 발생한다.
라듐의 가장 긴 반감기를 가진 동위 원소는 1600년의 반감기를 가진 라듐-226이다. 이는 라듐-223, -224, -228과 함께 원시 토륨과 우라늄의 붕괴 사슬에서 자연적으로 발생한다. 베릴륨-8은 형성될 때마다 거의 즉시 두 개의 알파 입자로 분열된다는 점에서 주목할 만하다. 별 내부의 삼중 알파 과정은 베릴륨-8이 붕괴하기 전에 세 번째 알파 입자와 융합하여 탄소-12를 형성할 수 있을 만큼 충분히 높은 에너지에서만 발생할 수 있다. 이 열핵 속도 제한 병목 현상은 대부분의 주계열성이 핵에서 수십억 년 동안 수소 융합에 시간을 보내고, 드물게만 별 잔해로 붕괴하기 전에 탄소를 융합하며, 그마저도 겨우 약 1000년의 시간 규모에 불과한 이유이다. 알칼리 토금속의 방사성 동위 원소는 칼슘과 화학적으로 유사하게 작용하여 뼈의 조밀한 수산화인회석의 필수 성분으로 작용하므로 "뼈 추적자"가 되는 경향이 있으며, 시간이 지남에 따라 인체 골격에 점진적으로 축적된다. 체내에 통합된 방사성 핵종은 주로 알파 입자 방출을 통해 시간이 지남에 따라 골수에 상당한 손상을 입힌다. 이 특성은 특정 골종양의 방사선 요법에서 긍정적인 방식으로 활용되는데, 방사성 핵종의 화학적 특성으로 인해 뼈 조직의 암성 성장을 선택적으로 표적으로 삼아 나머지 신체는 비교적 손상되지 않기 때문이다.
주기율표의 이웃 원소에 비해 알칼리 토금속은 모두 2족 원소로서 짝수 양성자 수를 가지고 있기 때문에 더 많은 수의 안정 동위 원소를 가지는 경향이 있다. 이들의 동위 원소는 일반적으로 핵자 쌍 형성으로 인해 더 안정적이다. 이러한 안정성은 동위 원소가 짝수 중성자 수도 가질 경우 더욱 향상되는데, 이 경우 두 종류의 핵자가 모두 쌍 형성에 참여하고 핵 안정성에 기여할 수 있기 때문이다.
알칼리 토금속은 그 산화물인 알칼리토(alkaline earths)에서 이름을 따왔는데, 이들의 옛 이름은 베릴리아, 마그네시아, 석회, 스트론티아, 바리아였다. 이 산화물은 물과 결합하면 염기성(알칼리성)을 띤다. "토(earth)"는 초기 화학자들이 물에 불용성이며 가열에 강한 비금속 물질에 적용했던 용어였는데, 이 산화물들도 이러한 특성을 공유한다. 이 토들이 원소가 아니라 화합물이라는 사실을 깨달은 공로는 화학자 앙투안 라부아지에에게 있다. 그는 1789년 저서 Traité Élémentaire de Chimie에서 이들을 염 형성 토 원소라고 불렀다. 나중에 그는 알칼리 토가 금속 산화물일 수도 있다고 제안했지만, 이는 단순한 추측이라고 인정했다. 1808년, 라부아지에의 생각에 따라 험프리 데이비는 이들 용융된 토의 전기 분해를 통해 금속 시료를 처음으로 얻어냈고, 이로써 라부아지에의 가설을 지지하고 이 그룹이 알칼리 토금속이라는 이름을 얻게 되었다.
칼슘 화합물인 방해석과 석회는 선사시대부터 알려지고 사용되어 왔다. 녹주석과 에메랄드 같은 베릴륨 화합물도 마찬가지이다. 다른 알칼리 토금속 화합물은 15세기 초부터 발견되기 시작했다. 마그네슘 화합물인 황산 마그네슘은 1618년 엡섬의 한 농부가 처음 발견했다. 탄산 스트론튬은 1790년 스코틀랜드 스트론티안 마을의 광물에서 발견되었다. 마지막 원소는 가장 희귀한 라듐으로, 1898년에 우라니나이트에서 추출되었다.
베릴륨을 제외한 모든 원소는 용융된 화합물의 전기 분해를 통해 분리되었다. 마그네슘, 칼슘, 스트론튬은 1808년 험프리 데이비가 처음 생산했고, 베릴륨은 1828년 프리드리히 뵐러와 앙투안 뷔시가 베릴륨 화합물을 칼륨과 반응시켜 독립적으로 분리했다. 1910년, 라듐은 퀴리와 앙드레-루이 드비에른이 전기 분해를 통해 순수 금속으로 분리했다.
베릴륨.
베릴륨을 함유한 광물인 녹주석은 이집트의 프톨레마이오스 왕국 시대부터 알려져 있었다. 처음에는 녹주석이 알루미늄 규산염으로 생각되었지만, 1797년 루이-니콜라 보클랭이 녹주석에서 수산화 알루미늄을 알칼리에 녹였을 때 당시 알려지지 않은 원소를 함유하고 있음이 밝혀졌다. 1828년 프리드리히 뵐러와 앙투안 뷔시는 염화 베릴륨과 금속 칼륨의 반응을 통해 이 새로운 원소인 베릴륨을 같은 방법으로 독립적으로 분리해냈지만, 이 반응으로는 큰 베릴륨 덩어리를 생산할 수 없었다. 1898년에 폴 르보가 플루오린화 베릴륨과 플루오린화 나트륨 혼합물을 전기 분해하여 대량의 순수한 베릴륨 시료를 생산할 때까지는 대량 생산이 불가능했다.
마그네슘.
마그네슘은 1808년 험프리 데이비가 마그네시아와 산화 수은의 혼합물을 전기 분해하여 잉글랜드에서 처음 생산했다. 앙투안 뷔시는 1831년에 이를 응집된 형태로 만들었다. 데이비의 첫 번째 이름 제안은 마그늄이었지만, 현재는 마그네슘이라는 이름이 사용된다.
칼슘.
석회는 기원전 7000~14000년부터 건축 자재로 사용되었으며, 석회 가마는 기원전 2500년 메소포타미아의 카파자에서부터 존재했다. 칼슘 자체는 적어도 1세기부터 알려져 있었는데, 고대 로마인이 석회로부터 산화 칼슘을 제조하여 사용했던 것으로 알려져 있다. 황산 칼슘은 10세기부터 부러진 뼈를 고정하는 데 사용될 수 있음이 알려졌다. 그러나 칼슘 자체는 1808년에 험프리 데이비가 옌스 야코브 베르셀리우스가 수은에 석회를 전기 분해하여 칼슘 아말감을 만들었다는 소식을 듣고 잉글랜드에서 석회와 산화 수은 혼합물을 전기 분해하여 분리할 때까지는 홑원소로 분리되지 않았다.
스트론튬.
1790년, 의사 아데어 크로퍼드는 독특한 특성을 가진 광석을 발견했고, 이는 1793년 글래스고 대학교의 화학 교수인 토마스 찰스 호프가 스트론타이트로 명명했으며, 그가 크로퍼드의 발견을 확인했다. 스트론튬은 마침내 1808년 험프리 데이비가 염화 스트론튬과 산화 수은의 혼합물을 전기 분해하여 분리했다. 이 발견은 1808년 6월 30일 데이비가 왕립 학회 강연에서 발표했다.
바륨.
바륨을 함유한 광물인 중정석은 1774년 칼 빌헬름 셸레가 새로운 원소를 함유하고 있음을 처음 알아냈지만, 그는 산화 바륨만을 분리할 수 있었다. 산화 바륨은 2년 후 요한 고틀리브 간이 다시 분리했다. 18세기 후반, 윌리엄 위더링은 컴벌랜드 납 광산에서 바륨을 함유하고 있다고 알려진 무거운 광물을 발견했다. 바륨 자체는 1808년 험프리 데이비가 용융 염을 이용한 전기 분해를 통해 최종적으로 분리되었고, 데이비는 바라이트의 이름을 따서 이 원소를 바륨이라고 명명했다. 나중에 로베르트 분젠과 아우구스투스 마티센은 염화 바륨과 염화 암모늄 혼합물의 전기 분해를 통해 순수한 바륨을 분리했다.
라듐.
우라니나이트를 연구하던 중, 1898년 12월 21일 마리 퀴리와 피에르 퀴리는 우라늄이 붕괴한 후에도 생성된 물질이 여전히 방사성을 띤다는 것을 발견했다. 이 물질은 바륨 화합물과 어느 정도 유사하게 행동했지만, 불꽃 반응의 색이나 스펙트럼 선과 같은 일부 특성은 훨씬 달랐다. 그들은 1898년 12월 26일 프랑스 과학 아카데미에 새로운 원소의 발견을 발표했다. 라듐은 1899년에 광선을 의미하는 'radius'라는 단어에서 이름을 따왔는데, 라듐이 광선 형태로 에너지를 방출했기 때문이다.
베릴륨은 지구 지각에 2~6 ppm의 농도로 존재하며, 대부분은 토양에 6 ppm의 농도로 존재한다. 베릴륨은 해수에서 가장 희귀한 원소 중 하나로, 스칸듐과 같은 원소보다도 희귀하여 0.2 ppt의 농도를 가진다. 그러나 담수에서는 베릴륨이 다소 더 흔하며, 0.1 ppb의 농도를 가진다.
마그네슘과 칼슘은 지구 지각에서 매우 흔하며, 각각 다섯 번째와 여덟 번째로 풍부한 원소이다. 알칼리 토금속 중 원소 상태로 발견되는 것은 없다. 흔한 마그네슘 함유 광물은 카날라이트, 마그네사이트, 백운석이다. 흔한 칼슘 함유 광물은 백악, 석회암, 석고, 경석고이다.
스트론튬은 지구 지각에서 15번째로 풍부한 원소이다. 주요 광물은 셀레스틴과 스트론티아나이트이다. 바륨은 약간 덜 흔하며, 대부분은 중정석 광물에 존재한다.
라듐은 우라늄의 붕괴 생성물이므로, 모든 우라늄 함유 광석에서 발견된다. 상대적으로 짧은 반감기 때문에 지구 초기에 생성되었던 라듐은 모두 붕괴했으며, 오늘날 볼 수 있는 샘플은 모두 훨씬 느린 우라늄 붕괴에서 비롯된 것이다.
여섯 알칼리 토금속의 생산은 다양한 방식으로 이루어질 수 있다.
대부분의 베릴륨은 수산화 베릴륨에서 추출된다. 한 가지 생산 방법은 소결인데, 녹주석, 플루오린화 규산 나트륨, 소다를 고온에서 혼합하여 플루오린화 베릴륨 나트륨, 산화 알루미늄, 이산화 규소를 형성한다. 그런 다음 플루오린화 베릴륨 나트륨과 수산화 나트륨의 물 용액을 사용하여 침전을 통해 수산화 베릴륨을 형성한다. 대안으로, 용융 방법에서는 분말 녹주석을 고온으로 가열하고 물로 냉각한 다음 황산에서 다시 약간 가열하여 결국 수산화 베릴륨을 얻는다. 두 방법 중 하나로 얻은 수산화 베릴륨은 다소 긴 과정을 통해 플루오린화 베릴륨과 염화 베릴륨을 생성한다. 이들 화합물의 전기 분해 또는 가열을 통해 베릴륨을 생산할 수 있다.
일반적으로 탄산 스트론튬은 셀레스틴 광물에서 두 가지 방법으로 추출된다. 하나는 탄산 나트륨으로 셀레스틴을 침출하는 것이고, 다른 하나는 석탄을 포함하는 더 복잡한 방법이다.
바륨을 생산하기 위해 바라이트 (불순한 황산 바륨)는 탄소열 환원 (예: 코크스)을 통해 황화 바륨으로 전환된다. 황화물은 수용성이며 쉽게 반응하여 상업용 안료로 사용되는 순수 황산 바륨이나 질산 바륨과 같은 다른 화합물을 형성한다. 이들은 차례로 소성되어 산화 바륨이 되고, 이는 알루미늄으로 환원된 후 최종적으로 순수 바륨을 생성한다. 가장 중요한 바륨 공급국은 중화인민공화국이며, 전 세계 공급량의 50% 이상을 생산한다.
마그네슘은 주로 마그네사이트 광석과 고회암에서 생산된다. 고회암을 분쇄하고, 구운 다음, 대형 탱크에 해수와 섞으면 수산화 마그네슘이 바닥에 침전된다. 가열하고 코크스를 섞고 염소와 반응시키면 용융 염화 마그네슘이 생성된다. 이를 전기 분해하면 마그네슘이 방출되어 표면으로 떠오른다.
베릴륨은 주로 군사 응용 분야에 사용되지만, 비군사적 용도도 존재한다. 전자 공학에서는 베릴륨이 일부 반도체에서 p형 도펀트로 사용되며, 산화 베릴륨은 고강도 전기 절연체 및 열전도체로 사용된다. 베릴륨 합금은 넓은 온도 범위에서 강성, 경량, 치수 안정성이 요구되는 기계 부품에 사용된다. 베릴륨-9는 반응을 이용하는 소규모 중성자원에 사용되며, 이 반응은 제임스 채드윅이 중성자를 발견했을 때 사용한 반응이다. 낮은 원자량과 낮은 중성자 흡수 단면적 때문에 베릴륨은 중성자 감속재로 적합하지만, 높은 가격과 물, 중수 및 핵흑연과 같은 쉽게 구할 수 있는 대안 때문에 틈새 시장 응용 분야로 제한되어 왔다. 용융염 원자로에 사용되는 FLiBe 공융 혼합물에서 베릴륨의 감속재 역할은 사용을 이끄는 바람직한 특성이라기보다는 부수적인 것이다.
마그네슘은 많은 용도를 가진다. 알루미늄과 같은 다른 구조 재료에 비해 장점이 있지만, 마그네슘의 사용은 가연성으로 인해 방해를 받는다. 마그네슘은 강도와 내식성을 높이기 위해 알루미늄, 아연, 망가니즈와 자주 합금된다. 마그네슘은 철과 강철 생산, 티타늄 생산을 위한 크롤 공정에서의 역할과 같이 다른 많은 산업 응용 분야를 가지고 있다.
칼슘은 광석에서 우라늄과 같은 다른 금속을 분리하는 데 환원제로 사용된다. 칼슘은 많은 합금, 특히 알루미늄 및 구리 합금의 주요 구성 요소이며, 합금을 탈산하는 데도 사용된다. 칼슘은 치즈, 모르타르, 시멘트 제조에 중요한 역할을 한다.
스트론튬과 바륨은 가벼운 알칼리 토금속보다 응용 분야가 적다. 탄산 스트론튬은 붉은색 불꽃놀이 제조에 사용된다. 순수 스트론튬은 신경세포에서 신경전달물질 방출 연구에 사용된다. 방사성 스트론튬-90은 RTG에서 붕괴열을 이용하여 일부 사용된다. 바륨은 진공관에서 기체를 제거하기 위한 게터로 사용된다. 황산 바륨은 석유 산업 및 기타 산업에서 다양한 용도로 사용된다.
라듐은 방사능을 기반으로 하는 많은 과거 응용 분야가 있었지만, 건강에 미치는 악영향과 긴 반감기로 인해 더 이상 일반적으로 쓰지 않는다. 라듐은 야광 페인트에 자주 사용되었지만, 작업자를 병들게 한 후 이 사용은 중단되었다. 라듐의 건강상의 이점을 주장하는 핵사기는 한때 식수, 치약 및 기타 여러 제품에 라듐을 첨가하게 만들었다. 라듐은 긴 반감기로 인해 안전한 폐기가 어렵기 때문에 방사성 특성이 필요한 경우에도 더 이상 사용되지 않는다. 예를 들어, 근접 치료에서는 일반적으로 이리듐-192와 같이 반감기가 더 짧은 대안이 대신 사용된다.
알칼리 토금속의 대표적인 반응.
할로젠과의 반응
무수 염화 칼슘은 흡습성 물질로, 건조제로 사용된다. 공기에 노출되면 공기 중의 수증기를 흡수하여 용액을 형성한다. 이 특성은 조해성으로 알려져 있다.
산소와의 반응
황과의 반응
탄소와의 반응
탄소와 직접적으로 반응하여 아세틸리드를 형성한다. 베릴륨은 탄화물을 형성한다.
질소와의 반응
베릴륨과 마그네슘만 질화물을 직접 형성한다.
수소와의 반응
알칼리 토금속은 수소와 반응하여 물에서 불안정한 염기성 수소화물을 생성한다.
물과의 반응
칼슘, 스트론튬, 바륨은 물과 쉽게 반응하여 수산화물과 수소 가스를 생성한다. 베릴륨과 마그네슘은 불투과성 산화물 층으로 인해 부동태화된다. 그러나 아말감 마그네슘은 수증기와 반응한다.
산성 산화물과의 반응
알칼리 토금속은 산화물에서 비금속을 환원시킨다.
산과의 반응
염기와의 반응
베릴륨은 양쪽성 특성을 나타낸다. 농축된 수산화 나트륨에 용해된다.
알킬 할로젠화물과의 반응
마그네슘은 삽입 반응을 통해 알킬 할로젠화물과 반응하여 그리냐르 시약을 생성한다.
알칼리 토금속 양이온의 식별.
불꽃 반응
아래 표는 알칼리 토금속 염이 분젠 버너의 불꽃에 노출될 때 관찰되는 색상을 보여준다. 베릴륨과 마그네슘은 크기가 작아 불꽃에 색을 부여하지 않는다.
용액 내에서
Mg2+
인산이수소 나트륨은 마그네슘 이온에 대해 매우 선택적인 시약이며, 암모늄 염과 암모니아가 존재할 때 인산 암모늄 마그네슘의 흰색 침전을 형성한다.
Ca2+는 옥살산 암모늄과 함께 흰색 침전을 형성한다. 옥살산 칼슘은 물에 불용성이지만, 광산에 용해된다.
Sr2+
스트론튬 이온은 가용성 황산염 염과 함께 침전된다.
모든 알칼리 토금속 이온은 염화 암모늄과 암모니아가 존재하는 조건에서 탄산 암모늄과 함께 흰색 침전을 형성한다.
알칼리 토금속 화합물.
산화물
알칼리 토금속 산화물은 해당 탄산염의 열분해를 통해 형성된다.
실험실에서는 수산화물로부터 얻어진다.
또는 질산염으로부터:
산화물은 염기성 특성을 나타낸다: 페놀프탈레인을 붉게, 리트머스를 푸르게 만든다. 물과 반응하여 발열 반응을 통해 수산화물을 형성한다.
산화 칼슘은 탄소와 반응하여 아세틸리드를 형성한다.
수산화물
이들은 해당 산화물과 물의 반응을 통해 생성된다. 염기성 특성을 나타내며, 페놀프탈레인을 분홍색으로, 리트머스를 파란색으로 만든다. 수산화 베릴륨은 양쪽성 특성을 나타내는 예외이다.
염
칼슘과 마그네슘은 백운석, 아라고나이트, 마그네사이트 (탄산염 암석)와 같은 많은 화합물 형태로 자연에서 발견된다. 칼슘 및 마그네슘 이온은 센물에서 발견된다. 센물은 여러 가지 문제를 일으킨다. 이러한 이온을 제거하여 물을 연화하는 것은 매우 중요하다. 이 과정은 수산화 칼슘, 탄산 나트륨 또는 인산 나트륨과 같은 시약을 사용하여 수행될 수 있다. 더 일반적인 방법은 Ca2+와 Mg2+를 포획하고 대신 Na+를 방출하는 이온 교환 알루미노실리케이트 또는 이온 교환 수지를 사용하는 것이다.
생물학적 역할 및 주의사항.
마그네슘과 칼슘은 보편적으로 존재하며 알려진 모든 생명체에 필수적이다. 이들은 여러 역할에 관여하는데, 예를 들어 마그네슘 또는 칼슘 이온 펌프는 일부 세포 과정에서 역할을 하고, 마그네슘은 일부 효소의 활성 중심 역할을 하며, 칼슘 염은 특히 뼈에서 구조적 역할을 한다.
스트론튬은 해양 수생 생물, 특히 딱딱한 산호가 외골격을 형성하는 데 스트론튬을 사용하기 때문에 중요한 역할을 한다. 스트론튬과 바륨은 의학에서 일부 용도로 사용되는데, 예를 들어 방사선 촬영 영상에서 "바륨 식사"가 사용되며, 스트론튬 화합물은 일부 치약에 사용된다. 과도한 양의 스트론튬-90은 방사능으로 인해 독성이 있으며, 스트론튬-90은 칼슘을 모방하여("뼈 추적자"처럼 행동) 생물 축적되어 상당한 생물학적 반감기를 가진다. 뼈 자체는 다른 조직보다 높은 방사선 내성을 가지지만, 빠르게 분열하는 골수는 그렇지 않으므로 스트론튬-90에 의해 심각하게 손상될 수 있다. 이온화 방사선이 골수에 미치는 영향은 급성방사선증후군이 빈혈과 유사한 증상을 보이는 이유이자, 적혈구 기증이 생존율을 높일 수 있는 이유이기도 하다.
그러나 베릴륨과 라듐은 독성이 있다. 베릴륨의 낮은 수용성은 생물학적 체계에 거의 이용될 수 없음을 의미한다. 베릴륨은 알려진 생물학적 역할이 없으며, 생명체에 노출될 경우 일반적으로 매우 독성이 강하다. 라듐은 가용성이 낮고 방사능이 강하여 생명에 독성이 있다.
라듐 다음의 알칼리 토금속은 120번 원소로 생각되지만, 상대론적 효과 때문에 이는 사실이 아닐 수도 있다. 120번 원소의 합성은 2007년 3월 두브나의 플레로프 핵반응 연구소 팀이 플루토늄-244에 철-58 이온을 충격시켰을 때 처음 시도되었지만, 원자는 생성되지 않아 연구된 에너지에서 단면적 400 fb의 한계로 이어졌다. 2007년 4월, GSI 팀은 우라늄-238에 니켈-64를 충격시켜 120번 원소를 만들려고 시도했지만, 원자는 감지되지 않아 반응에 대해 1.6 pb의 한계로 이어졌다. 더 높은 감도로 합성 시도가 다시 이루어졌지만, 원자는 감지되지 않았다. 다른 반응들도 시도되었지만, 모두 실패로 끝났다.
120번 원소의 화학적 특성은 바륨이나 라듐보다는 칼슘이나 스트론튬과 더 가깝다고 예측된다. 이는 주기적 경향에 따르면 120번 원소가 바륨과 라듐보다 더 반응성이 높을 것이라고 예측하는 것과는 눈에 띄게 대조된다. 이러한 반응성 감소는 120번 원소의 이온화 에너지를 증가시키고 금속 및 이온 반지름을 감소시키는 예상되는 120번 원소의 원자가 전자 에너지 때문이다.
120번 원소 다음의 알칼리 토금속은 아직 명확하게 예측되지 않았다. 쌓음 원리를 이용한 간단한 외삽법은 170번 원소가 120번 원소의 동족체라고 제안하지만, 상대론적 효과는 이러한 외삽법을 무효화할 수 있다. 알칼리 토금속과 유사한 특성을 가진 다음 원소는 166번 원소로 예측되었지만, 겹치는 궤도와 9s 부껍질 아래의 낮은 에너지 간격 때문에 166번 원소는 대신 12족에 코페르니슘 아래에 위치할 수도 있다.
란타넘족()은 원자번호 57 란타넘(La)에서 원자번호 71 루테튬(Lu)까지의 희토류 원소이다. 란탄족은 루테튬을 제외하고 모두 f-구역 원소에 속한다. 란타넘족은 성질이 서로 비슷하기로 유명한데, 두 원소를 가지고 같은 원소인지 다른 원소인지 사람들이 몇 년에 걸쳐 논쟁을 벌이기도 하였다.
란타넘(57)
세륨(58)
프라세오디뮴(59)
네오디뮴(60)
프로메튬(61)
사마륨(62)
유로퓸(63)
가돌리늄(64)
터븀(65)
디스프로슘(66)
홀뮴(67)
어븀(68)
툴륨(69)
이터븀(70)
루테튬(71)
전희철족(Actinium族)은 악티늄부터 로렌슘까지 원자 번호가 89부터 103까지인 15개의 금속 원소를 포함하고 있는 족이다.
악티늄족은 악티늄족의 제일 처음 원소인 악티늄의 이름에서 따왔다. 기호 Ac은 악티늄족의 화학적 성질을 연구할 때 쓰이는 기호다. 로렌슘을 제외한 모든 원소들의 전자껍질이 f-block에 속하며, 로렌슘은 d-block에 속한다. 하지만 역시 악티늄족으로 취급받고 있다. 란타넘족과 비교하면, 대부분 F-block에 속해 있으며, 악티늄족은 원자가 더 강한 변화를 보인다. 원자 반지름과 이온 반지름이 매우 크며, 매우 큰 물리적 성질이 발견된다. 악티늄족 뒷부분은 (아메리슘부터 로렌슘까지) 란탄족과 유사하다. 토륨부터 넵투늄까지는 전이 금속에 더 가깝다고 볼 수 있다.
악티늄족은 모두 방사성 원소이며 붕괴할 때 에너지를 발생시킨다. 자연적으로 만들어진 우라늄과 토륨, 그리고 인공 합성할 수 있는 플루토늄은 지구에 다량으로 존재하는 악티늄족 원소이다. 이 원소는 원자로와 핵무기에 쓰인다. 우라늄과 토륨도 역사적으로나 다양한 곳에 쓰이고, 아메리슘은 이온화 상자나 대부분의 현대적 연기 감지기에 쓰인다.
악티늄족에는, 원시적으로 자연에 일정량 존재한 토륨과 우라늄, 그리고 적은 양이지만 플루토늄이 존재한다. 우라늄의 방사성 붕괴는 잠깐동안 악티늄과 프로탁티늄, 그리고 넵투늄 원자를 만들어 낸다. 그리고 플루토늄은 가끔 우라늄 광석에서 핵변환 반응을 만들어 낸다. 다른 악티늄족은 모두 인공 합성으로 만들어진 것이다. 핵무기 실험은 플루토늄보다 무거운 적어도 여섯 개의 악티늄족을 발견하게 했다. 1952년 수소 폭탄 폭발 잔해를 분석하던 중 아메리슘, 퀴륨, 버클륨, 캘리포늄, 아인슈타이늄 그리고 페르뮴을 발견했다.
주기율표에 따르면, 란타넘족과 악티늄족은 주기율표 본체의 아래쪽의 두 개의 추가적인 줄에 위치해 있다. 란타넘족이나 악티늄족을 표기할 때 특정한 하나의 원소로 족의 이름을 표기한다. (란타넘 아니면 루테튬, 그리고 악티늄 아니면 로렌슘으로 표기한다.) 이것은 주기율표 본체에 표기된다. (바륨과 하프늄 사이, 그리고 라듐과 러더포듐 사이에 존재한다.)이 족은 실제 주기율표 설정에서 드물게 아랫쪽에 길게 뻗어있는 표에 (주기율표 6주기와 7주기에 포함된다.) 란타넘족과 함께 넣어진다.
발견, 분리와 합성.
란타넘족과 같이, 악티늄족은 유사한 성질의 원소들을 모아둔 것이다. 악티늄족 내에는 초우라늄 원소라는 주기율표에서 우라늄을 따르는 원소와, 초플루토늄 원소라는 플루토늄을 따르는 원소, 두 개의 겹치는 그룹이 있다. 란타넘족과 비교하면, (프로메튬을 제외한) 자연에서 찾을 수 있지만, 대부분의 악티늄족 원소들은 흔치 않다. 가장 풍부하거나, 또는 가장 합성하기 쉬운 악티늄족은 우라늄과 토륨이다. 그 뒤로 플루토늄, 아메리슘, 악티늄, 프로탁티늄 그리고 넵투늄이 뒤를 잇는다.
초우라늄 원소의 존재는 1934년, 엔리코 페르미가 그의 연구를 바탕으로 제안한 것이다. 그러나, 그 당시 악티늄족은 4개의 원소밖에 존재하지 않아, 란타넘족과 비슷해진다는 개념을 사람들은 이해하지 못했다. 그 당시에 우세했던 주장은 초우라늄은 악티늄족이 아닌, 7주기에 들어가야 한다고 했던 것이다. 토륨과 프로탁티늄, 우라늄이 각각 6주기인 하프늄, 탄탈럼 그리고 텅스텐 아래에 있어야 한다는 것이었다. 초우라늄의 합성은 서서히 악티늄족의 중심을 파헤쳐갔다. 1944년에 악티늄족 가설을 완성시키기 위해 글렌 T. 시보그가 담당한 퀴륨의 산화 4- 이상의 산화 상태 실험 실패를 관찰하였다. (6주기인 백금 아래에 있을 것으로 추정되었던 것인데, 백금은 산화 6-까지 가능했기 때문이다.) 알려진 악티늄족의 가르침과 더 많은 초우라늄 원소들의 합성이 만들어낸 자료가 중심을 더 파고들어갔지만, 이 문장 "악티늄족 가설"("가설"의 영향은 결정적으로 입증되지 못했다.)은 남아서 1950년대 후반에 과학자들에 의해 적극적으로 활용하게 된다.
현재로써는, 초플루토늄 원소의 동위원소를 만드는 방법이 2가지가 존재한다. 중성자들 또는 가속된 입자에 초플루토늄보다 더 가벼운 원소를 조사(照射)하는 것이다. 첫번째 방법은 응용에 가장 중요한 방법이다. 핵 원자로에서 오직 중성자 조사만 이용하여 상당한 양의 인공 악티늄족을 만드는 것이었다. 그러나, 이 방법은 경원소일때만 해당되었다. 두번째 방법의 보완점은 플루토늄보다 무거운 원소를 이용하여, 중성자 조사를 기반으로 하지 않고 중성자가 부족한 동위원소를 획득할 수 있다.
1962년부터 1966년까지, 미국에서 여섯 종류의 지하 핵폭발을 이용해 초플루토늄 동위원소를 만들려고 한 시도가 있었다. 폭발이 끝나고 즉시 폭발구역의 폭발 산물에서 견본으로 쓸 적은 양의 암석이 추출되었다. 그러나 각 동위원소가 각각 알파 붕괴까지의 긴 반감기를 가지고 있었을 것이라고 예측되었음에도 불구하고 257보다 더 큰 질량수를 가진 동위원소는 발견되지 않았다. 이런 눈에 띄지 않는 것의 결과는 자발 핵분열과 큰 속도에 의해 생성된다. 다른 붕괴 경로로 가기도 하는데, 중성자 배출이나 핵분열로 만들어지기도 한다.
우라늄과 토륨은 처음으로 발견된 원소였다. 우라늄은 1789년에 독일 화학자 마르틴 하인리히 클라프로트가 피치블렌드 광석에서 발견되었고 인정되었다. 그는 천왕성에서 원소의 이름을 고안했다. 다른 과학자보다 단 8년 빠르게 발견한 것이다. 클라프로트는 피치블렌드를 질산에 담가 녹인 상태에서 수산화나트륨에 중화시키고 촉진시켜 (이우라늄산 나트륨 같은) 노란색 화합물을 만들었다. 그는 목탄과 발견한 노란 가루를 환원시켰고, 검은색 물질을 추출했다. 60년이 지난 뒤에, 프랑스의 과학자 페리고가 산화 우라늄을 발견했다. 또한 그는 사염화 우라늄과 칼륨을 함께 가열하여 금속 우라늄을 분리해냈다. 우라늄의 원자량은 120으로 계산되었었으나, 1872년에 드미트리 멘델레예프가 그의 주기율법을 통해서 240으로 밝혀내었다. 이 질량은 1882년에 K. 지머맨에 의해 실험적으로 밝혀졌다.
산화 토륨은 1827년에 노르웨이에서 획득한 광물을 연구하던 중 프리드리히 뵐러에 의해 발견되었다. 옌스 야코브 베르셀리우스는 1828년에 이 광물의 특징을 더 밝혀냈다. 사염화 토륨을 칼륨과 함께 가열시키던 중 환원되어 나왔다. 그는 금속을 분리시키고 북유럽 신화에 나오는 천둥의 신 토르에서 이름을 얻어 이름을 토륨이라 붙였다. 이 분리 방법은 후에 페리고가 우라늄을 분리할 때 같은 방법으로 이용되었다.
악티늄은 1899년에 마리 퀴리의 도움으로 드비에른에 의해 발견되었다. 라듐과 폴로늄을 빼고 남은 피치블렌드 찌꺼기에서 발견된 것이다. 1899년 당시, 그는 이 물질이 티타늄과 비슷했다고 하였다. 또, 1900년 당시에는 토륨과도 비슷했다고 했다. 1971년에 악티늄의 발견자가 드비에른이 맞는 지에 대한 논쟁이 일어나기도 하였다. 그리고 2000년에도 일어났는데, 발표가 1904년에 되었는데 1899–1900년에 했던 실험이 모순점이라는 것이었다. 악티늄의 어원은 그리스어로 빛, 광선을 뜻하는 "aktis, aktinos" (ακτίς, ακτίνος)를 사용하였다. 이 금속은 자기 자신은 방사성이 아니지만 딸핵종은 방사성이 존재했기 때문이다. 란타넘족과 악티늄족의 유사점이 서서히 밝혀지게 되었다. 자연에 존재하는 적은 양의 원소이었던 것이다. 순수한 악티늄은 1950년이 되어서야 만들어졌다. 악티늄족은 1937년에 빅터 골드슈미트에 의해 소개되었을 것으로 추정된다.
프로탁티늄은 1900년에 윌리엄 크룩스에 의해 분리되었다. 1913년에, 카지미에시 파얀스와 오스발트 헬무트 괴링은 238U 붕괴 연구에서 짧은 반감기를 가진 234mPa (반감기: 1.17분)를 발견했다. 그들은 새로운 원소의 이름을 "브레븀"이라고 명칭했다.(라틴어로 짧다는 뜻의 "brevis"에서 유래되었다.); 이름은 후에 "프로탁티늄"으로 바뀐다. (그리스어로 πρῶτος + ἀκτίς, "광선 원소보다 먼저"의 뜻을 가지고 있다.) 1918년에 두 그룹의 과학자들이 231Pa를 발견하였다. (독일의 오스트리아인 리제 마이트너와 오토 한, 그리고 영국의 프레더릭 소디와 존 크랜스턴) 이름은 1949년에 "프로탁티늄"으로 좁혀졌다.이 원소는 1960년까지 특별한 일이 있었는데, 영국에서 A. G. 매덕과 그의 동업자들이 우라늄을 추출하고 남은 60톤의 찌꺼기들을 분석해서 130그램의 프로탁티늄을 만들어냈다.
넵투늄 이후.
넵투늄(우라늄이라는 이름이 지어지고 나서, 천왕성보다 바깥쪽에 있는 해왕성에서 고안해낸 이름이다.)은 1940년, 캘리포니아 버클리에서 에드윈 맥밀런과 필립 H. 아벨슨이 발견했다. 그들은 우라늄에 느린 중성자를 충돌시켜 239Np 동위원소를 (반감기 = 2.4일)만들어 냈다. 이것은 인공적으로 만들어 낸 첫 초우라늄 원소였다.
초우라늄 원소들은 자연에서 발견되지 않거나 거의 없으며, 주로 핵반응에 의해 만들어진다. 핵 원자로에서 주로 만들어진다. 대표적 예로, 원자로 중성자에 조사(照射)를 하여, 우라늄-238이 부분적으로 플루토늄-239로 변환되기도 한다:
악티늄족 원소 중 큰 원소는 입자 가속기로 우라늄, 플루토늄, 퀴륨 그리고 캘리포늄에 질소, 산소, 탄소, 네온 또는 붕소를 충돌시켜서 만들어진다. 그래서, 우라늄-238에 네온-22를 충돌시켜 노벨륨이 만들어졌다.
산화물과 수산화물.
어떤 악티늄족들은 An2O3, AnO2, An2O5 and AnO3처럼 산화 형태로 존재할 수 있다. 모든 악티늄족, 그리고 악티늄족의 산화물(AnO3)은 양쪽성을 가지고 있고, An2O3, AnO2 그리고 An2O5는 염기성을 나타낸다. 염기성을 나타내는 악티늄족의 산화물은 물에 큰 반응을 한다.
이 염기성 물질은 물속에서 잘 녹지 않고, 이 물질들의 활동은 희토류 원소의 수산화물과 비슷하다. 가장 강한 염기성을 나타내는 화합물의 원소는 악티늄이다. 악티늄의 모든 화합물의 색은 무색이지만, 황화 악티늄은 검은색으로 예외다 (Ac2S3). 4+ 이산화 악티늄족의 결정 형태는 입방정계이며, 플루오린화 칼슘과 같다.
이산화토륨은 산화된 화합물 중에서 가장 높은 녹는점을 가진 내화 금속이다(3390 °C). 텅스텐에 0.8–1%의 ThO2을 넣으면 텅스텐의 구조가 안정되며, 그로 인해 필라멘트의 역학적 안정성이 더 나아져 진동에도 더 잘 버틸 수 있게 된다. ThO2를 산성 물질로 용해시킬 때, 온도가 500–600 °C까지 올라간다. 600 °C 이상까지 가열하면 ThO2의 다른 형태를 생산하는데, 이것은 산성 물질에 매우 큰 저항을 일으킨다. 소량의 플루오린화 이온은 촉매 작용을 하여 이산화토륨이 산성 물질에 용해되게 한다.
프로트악티늄의 산화물은 2개가 발견되었다(PaO2 (흑색) 그리고 Pa2O5 (백색)). 전자는 ThO2와 동형이며, 후자는 획득하기 쉽다. 전자와 후자 모두 염기성이며, Pa(OH)5는 약한 가용성을 가진 염기물이다.
우라늄을 특정 염기물로 분해할 때(예시로 UO2(NO3)·6H2O로 공기 중에서 400 °C로 분해하였을 때), 주황색이나 황색인 UO3을 만든다. 이 산화물은 양쪽성을 가지고 있고 여러 수산화물의 형태를 하고 있으며, UO2(OH)2형태일 때 가장 안정하다.
우라늄(VI) 산화물과 수소의 반응은 이산화우라늄을 만들고, 이것은 ThO2와 성질이 비슷하다. 이 산화물은 또한 염기성 물질이고 수산화우라늄(U(OH)4)과 일치한다.
플루토늄, 넵투늄, 아메리슘은 각각 두 개의 염기성 산화물의 형태로 변한다. (An2O3와 AnO2). 삼산화넵투늄은 불안정하다. 그러므로, 현재로써는 오직 Np3O8만 획득할 수 있는 것이다. 그러나, 화학식이 AnO2와 An2O3인 넵투늄과 플루토늄의 산화물은 특징이 잘 나타난다.
염기 화합물.
악티늄족은 염과 할로겐과 큰 반응을 일으킨다. 공식은 MX3과 MX4 (X = 할로겐)이다. 첫 버클륨 화합물은, BkCl3이다. 이 물질은 1962년에 3나노그램 정도 합성되었다. 희토류 원소의 할로겐 화합물 같은 것으로는, 악티늄족 염화물, 브로민화물, 그리고 아이오딘화물은 수용성이고, 플루오린화물은 비수용성이다. 우라늄은 주로 육플루오린화를 하는데, 56.5 °C가 되면 승화를 한다. 이 물질의 휘발성은, 기체 원심 분리기 또는 가스확산법으로 우라늄 동위원소로 분리할 수 있다. 육플루오린화 악티늄족은 무수물의 성질을 가지고 있다. 그것들은 수분에 매우 민감하며 가수분해를 한다.(AnO2F2) 오염화우라늄과 흑색 육염화우라늄은 인공 합성했지만, 둘 다 불안정하다.
그러나, 이 반응에서는 무한한 수소가 있으면 금속에 반응을 하고 수소화물의 형태를 하게 된다. 우라늄은 토륨보다 산과 물에 더 잘 반응한다.
악티늄족 염은 수산화물을 산으로 용해하는 과정에서도 얻을 수 있다. 악티늄족의 질산염, 염화물, 황산염 그리고 과염소산염은 가용성이 있다. 수용액에서 결정을 만들 때, 악티늄족 염은 수소화물의 형태를 한다(Th(NO3)4·6H2O Th(SO4)2·9H2O 그리고 Pu2(SO4)3·7H2O). 높은 원자가를 지닌 악티늄족 염들은 쉽게 가수분해된다. 그래서, 토륨의 무색 황산염, 염화물, 과염소산염 그리고 질산염은 Th(OH)2SO4 and Th(OH)3NO3의 화학식을 가진 염기성 염으로 형태를 바꾼다. 악티늄족의 3+와 4+의 가용성과 불용성은 란타넘족 염과 비슷하다. 그래서 악티늄족의 인산염, 플루오린화염, 옥살산염, 아인오딘화염 그리고 탄산염은 물에 약한 가용성을 가진다; 악티늄족 염은 수소화물 같은 침전물이 생긴다. (ThF4·3H2O 그리고 Th(CrO4)2·3H2O)