테네신

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1. 개요
2. 역사
3. 성질
참조

1. 개요

테네신(Tennessine, Ts)은 117번 원소로, 2009년 러시아 핵물리학 합동연구소(JINR) 연구팀이 오크리지 국립연구소(ORNL)와 공동 연구를 통해 발견했다. 2010년 1월에 붕괴 사슬을 통해 새로운 원소의 붕괴를 감지했다고 발표했으며, 2015년 12월 국제순수·응용화학연합(IUPAC)과 국제순수·응용물리연합(IUPAP)의 합동실무단에서 발견을 공식적으로 인정했다. 테네신은 2016년 테네시 지역을 기리기 위해 명명되었으며, 2016년 11월 공식 승인을 받았다. 핵 특성을 제외하고 테네신의 특성은 예측값만 존재하며, 다른 할로겐 원소와는 다른 성질을 보일 것으로 예상된다.

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테네신 - 테네신 동위 원소
테네신 동위 원소는 인공적으로 합성된 117번 원소 테네신의 핵종으로, ²⁹³Ts와 ²⁹⁴Ts 두 종류가 발견되었으며, 알파 붕괴와 짧은 반감기를 특징으로 하여 열융합 반응을 통해 생성, 공동원자핵연구소에서 연구되고 있다.
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테네신
일반 정보
원자 번호	117
명명	테네시 지역의 기여를 기리기 위해 명명됨 (오크리지 국립 연구소, 밴더빌트 대학교, 테네시 대학교)
발견	합동 핵 연구소, 로렌스 리버모어 국립 연구소, 밴더빌트 대학교, 오크리지 국립 연구소
발견 연도	2010년
CAS 등록 번호	54101-14-3
주기율표 정보
원자량	[294]
전자 배치	Rn] 5f¹⁴ 6d¹⁰ 7s² 7p⁵ (예측)
족	17
주기	7
블록	p
전자 껍질 당 전자 수	2, 8, 18, 32, 32, 18, 7 (예측)
녹는점	350~550 °C (예측)
끓는점	550 또는 610 °C (예측)
밀도	7.2 g/cm³
원자 반지름	165 pm
공유 반지름	165 pm
이온화 에너지	1차: 742.9 kJ/mol (예측) 2차: 1435.4 kJ/mol (예측) 3차: 2161.9 kJ/mol (예측)
상태	고체 (예측)
겉모습	준금속 (예측)
물리적 성질 (예측)
밀도 (근사값)	7.1–7.3 g/cm³
녹는점 (예측)	623–823 K (350–550 °C, 662–1022 °F)
끓는점 (예측)	883 K (610 °C, 1130 °F)
원자 반지름 (예측)	138 pm
공유 반지름 (추정)	156–157 pm
동위 원소
주요 동위 원소	동위 원소 294Ts (반감기: 78 (+370, -36) ms, 붕괴 방식: 알파 붕괴 -> 모스코븀-290) 동위 원소 293Ts (반감기: 14 (+11, -4) ms, 붕괴 방식: 알파 붕괴 -> 모스코븀-289)

2. 역사

2004년 12월, 러시아 모스크바주 두브나에 있는 핵물리학 합동연구소(JINR)는 미국 테네시주 오크리지의 오크리지 국립연구소(ORNL)에 117번 원소 합성을 위한 공동 실험을 제안했다.^[4] JINR은 이전 실험을 통해 니호늄(113), 리버모륨(116), 오가네손(118) 등 새로운 원소를 발견한 경험이 있었다. 그러나 당시 ORNL은 버클륨 생산을 일시 중단했고, 생산 재개에는 막대한 비용이 들었기 때문에 117번 원소 합성 계획은 잠시 보류되었다.^[4]^[5]

2005년 2월, JINR 팀의 리더인 유리 오가네시안은 ORNL에서 강연했는데, 이 자리에는 JINR과 함께 113~116번 및 118번 원소 발견에 참여했던 로렌스 리버모어 국립연구소 관계자들과 오가네시안과 공동 연구를 진행한 밴더빌트 대학교의 조셉 해밀턴도 참석했다.^[8] 해밀턴은 ORNL의 고속 중성자 원자로가 상업적 목적으로 캘리포늄을 생산하는지 확인했고, 캘리포늄 생산 과정에서 필요한 버클륨이 부산물로 얻어질 수 있기 때문이었다. 훗날 오가네시안은 해밀턴의 노력을 인정하여 그를 "117번 원소의 아버지"라고 불렀다.^[8]

2008년, 오크리지 국립연구소(ORNL)가 캘리포늄 생산을 재개하면서 버클륨 추출 계약이 체결되었고,^[9] 2009년, 핵물리학 합동연구소(JINR), ORNL, 밴더빌트 대학교, 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL) 등 국제 공동 연구팀이 구성되어 117번 원소 합성을 위한 실험이 시작되었다.^[11]^[18] 2010년, JINR의 플레로프 핵반응 연구소 과학자들은 버클륨-249 표적에 칼슘-48 빔을 충돌시켜 117번 원소의 동위원소인 ²⁹⁴Ts와 ²⁹³Ts를 생성하는 데 성공하였다.^[136]

2015년, 국제순수·응용화학연합(IUPAC)과 국제순수·응용물리연합(IUPAP)의 합동실무단(JWP)은 117번 원소의 발견을 공식적으로 인정하였다.^[137] 2016년 6월, IUPAC은 117번 원소의 발견자들이 공동 연구에 참여한 오크리지 국립연구소, 밴더빌트 대학교, 테네시 대학교가 위치한 테네시주를 기려 '테네신(Tennessine)'이라는 이름을 제안했고, 2016년 11월, '테네신(Tennessine)'이라는 이름과 Ts라는 원소 기호가 공식적으로 승인되었다.^[104]

2. 1. 발견 이전

2004년 12월, 러시아 모스크바주 두브나에 있는 핵물리학 합동연구소(JINR)는 미국 테네시주 오크리지의 오크리지 국립연구소(ORNL)에 117번 원소 합성을 위한 공동 실험을 제안했다.^[4] 이 실험은 버클륨 표적에 칼슘 빔을 충돌시켜 핵융합을 일으키는 방식이었다.^[4] JINR은 이전 실험을 통해 니호늄(113), 리버모륨(116), 오가네손(118) 등 새로운 원소를 발견한 경험이 있었다.

당시 ORNL은 세계에서 유일하게 버클륨을 생산할 수 있는 기관이었지만,^[4] 버클륨 생산을 일시 중단했고,^[5] 생산 재개에는 막대한 비용이 들었다.^[5] 이에 따라 117번 원소 합성 계획은 잠시 보류되었고, 2002년에 생성된 118번 원소(오가네손) 확인 작업으로 대체되었다. 118번 원소는 캘리포늄 표적에 칼슘을 충돌시켜 생성되었다.^[6]

117번 원소 합성에 필요한 버클륨-249는 캘리포늄-252 생산의 부산물로 얻을 수 있었다. 하지만 필요한 양의 버클륨을 확보하는 것은 캘리포늄을 얻는 것보다 더 어렵고 비용이 많이 드는 작업이었다. 약 350만달러의 비용이 소요될 것으로 예상되었고,^[5]^[18] 양측은 버클륨을 추출할 수 있는 캘리포늄의 상업적 주문을 기다리기로 했다.^[5]^[18]

JINR 팀이 버클륨을 사용하고자 한 이유는 빔으로 사용될 칼슘 동위원소인 칼슘-48 때문이었다. 칼슘-48은 양성자 20개와 중성자 28개를 가지고 있어 중성자-양성자 비율이 1.4로, 안정하거나 준안정한 핵종 중 가장 가볍다. 이러한 중성자 과잉 덕분에 생성되는 핵은 더 무거워지고, 목표로 하는 안정성의 섬에 더 가까워질 것으로 예상되었다. 목표로 하는 117번 원소는 양성자가 117개이므로, 칼슘(양성자 20개) 외에 양성자 97개를 가진 버클륨이 필요했다.

2005년 2월, JINR 팀의 리더인 유리 오가네시안은 ORNL에서 강연했다.^[8] 이 자리에는 JINR과 함께 113~116번 및 118번 원소 발견에 참여했던 로렌스 리버모어 국립연구소 관계자들과 오가네시안과 공동 연구를 진행한 밴더빌트 대학교의 조셉 해밀턴도 참석했다.^[8]

해밀턴은 ORNL의 고속 중성자 원자로가 상업적 목적으로 캘리포늄을 생산하는지 확인했다. 캘리포늄 생산 과정에서 필요한 버클륨이 부산물로 얻어질 수 있기 때문이었다. 하지만 해밀턴은 당장 캘리포늄의 상업적 주문이 없다는 사실을 알게 되었다. 그는 상황을 계속 주시하며 수시로 확인 작업을 했다. 훗날 오가네시안은 해밀턴의 노력을 인정하여 그를 "117번 원소의 아버지"라고 불렀다.^[8]

2. 2. 발견

2008년, 오크리지 국립연구소(ORNL)가 캘리포늄 생산을 재개하면서 버클륨 추출 계약이 체결되었다.^[9] 2009년, 핵물리학 합동연구소(JINR), ORNL, 밴더빌트 대학교, 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL) 등 국제 공동 연구팀이 구성되어 117번 원소 합성을 위한 실험이 시작되었다.^[11]^[18] 2010년, JINR의 플레로프 핵반응 연구소 과학자들은 버클륨-249 표적에 칼슘-48 빔을 충돌시켜 117번 원소의 동위원소인 ²⁹⁴Ts와 ²⁹³Ts를 생성하는 데 성공하였다.^[136]

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2015년, 국제순수·응용화학연합(IUPAC)과 국제순수·응용물리연합(IUPAP)의 합동실무단(JWP)은 117번 원소의 발견을 공식적으로 인정하였다.^[137]

2. 3. 명명

2010년 4월, 플레로프 핵반응 연구소 과학자들은 Z=117 (원자번호 117)의 새로운 원소를 발견했다고 발표했다.^[136] 2015년 12월, 국제순수·응용화학연합(IUPAC)은 니호늄, 모스코븀, 오가네손과 함께 117번 원소의 발견을 공식 인정했다.^[137]

2016년 6월, IUPAC은 117번 원소의 발견자들이 공동 연구에 참여한 오크리지 국립연구소, 밴더빌트 대학교, 테네시 대학교가 위치한 테네시주를 기려 '테네신(Tennessine)'이라는 이름을 제안했다고 발표했다. 117번 원소의 발견 및 명명 과정에서 클래리스 필립스는 화학 원소 발견에 참여한 최초의 흑인 여성으로 인정받았다.^[12]^[13]^[14]^[15] 2016년 11월, '테네신(Tennessine)'이라는 이름과 Ts라는 원소 기호가 공식적으로 승인되었다.^[104]

3. 성질

테네신은 할로젠 원소라고 불리는 17족 원소에 속하지만, 반금속성을 보이는 고체라는 특성 때문에 다른 17족 원소들과는 성질이 다를 것으로 추정된다.^[1]

3. 1. 핵 안정성과 동위원소

테네신은 지금까지 발견된 원소 중 두 번째로 무거운 원소이며, 알려진 모든 동위원소의 반감기는 1초 미만이다.^[108] 테네신의 합성은 '안정성의 섬' 이론을 뒷받침하는 증거로 여겨진다.^[110] 안정성의 섬은 특정 수의 양성자와 중성자를 가진 초중원소가 상대적으로 안정할 수 있다는 이론이다. 양자 터널링 모델과 액체방울 모형을 이용한 계산에 따르면, ³⁰³Ts까지 여러 테네신 동위원소가 존재할 수 있으며, 이 중 가장 안정적인 것은 ²⁹⁶Ts (알파 붕괴 반감기 40밀리초)일 것으로 예측된다.^[114]

3. 2. 원자 및 물리적 성질 (예측)

테네신(Tennessine)은 주기율표 17족(할로젠 원소)에 속하며, 7s²7p⁵ 형태의 원자가 전자 배치를 가질 것으로 예측된다.^[100] 그러나 스핀-궤도 상호작용 등 상대론적 효과로 인해 다른 할로젠 원소와는 다른 성질을 보일 것으로 예상된다. 테네신 원자에서 전자는 매우 빠른 속도로 움직여 7s와 7p 궤도의 에너지 준위가 낮아지고, 7p 부껍질(subshell)은 7p_1/2 (안정도 높음)와 7p_3/2 (안정도 낮음)로 분리된다. 이 7p 부껍질 분리 효과는 테네신의 화학적 성질에 큰 영향을 미친다.^[120]

7p 부껍질 분리를 고려하면 테네신의 원자가 전자 배치는 7s²7p²_1/27p³_3/2로 표현할 수 있다.^[100] 7p_1/2와 7p_3/2 준위 간 에너지 차이는 9.8 eV로 매우 크며, 이는 아스타틴의 6p 부껍질 분리(3.8 eV)보다 훨씬 크다.^[120]

테네신의 첫 번째 이온화 에너지는 7.7 eV로 예측되어 다른 할로젠 원소보다 낮다.^[100] 전자 친화도는 2.6 eV 또는 1.8 eV로 예측되며, 17족 원소 중 가장 작다.^[100]

테네신의 녹는점과 끓는점은 아직 실험적으로 측정되지 않았지만, 초기 예측에서는 녹는점 350-500 ℃ 또는 350-550 ℃, 끓는점 550 ℃ 또는 610 ℃로 아스타틴보다 높을 것으로 보았다.^[100]^[122] 그러나 이후 연구에서는 테네신의 끓는점을 345 ℃로 예측하기도 했다.^[123] 테네신의 밀도는 7.1-7.3 g/cm³로 예측되어 아스타틴보다 높다.^[129]

3. 3. 화학적 성질 (예측)

테네신(Tennessine)은 주기율표의 17족 원소로, 다른 할로겐 원소들과 달리 독특한 화학적 성질을 보일 것으로 예측된다. 특히, 스핀-궤도 상호작용의 영향으로 7s 및 7p 전자 에너지 준위가 변화하여 테네신의 화학적 거동에 큰 영향을 미친다.^[57]

테네신은 다른 할로겐 원소들과 달리 -1 산화수를 선호하지 않을 것으로 예측된다. Ts/Ts^-의 표준 산화환원 전위는 -0.25 V로 음수 값을 가지므로, 테네신은 표준 상태에서 -1 산화 상태로 환원되지 않는다.^[133] 대신, +1, +3, +5 산화 상태를 가질 수 있다. 특히, +1 상태는 7p_3/2 전자의 불안정화로 인해, +3 상태는 7p_3/2 전자가 불안정화되기 때문에 안정적이다.^[100] 반면, +5 상태는 7p_1/2 전자의 안정화로 인해 일반적이지 않을 것으로 예측된다.^[100]

테네신은 두 개의 테네신 원자가 결합하여 Ts₂ 이원자 분자를 형성할 수 있는데, 이 분자는 강한 파이 결합 특성을 보인다.^[100] 일염화 테네신(TsCl) 분자는 단일 파이 결합으로 결합될 것으로 예측된다.^[100]

TsH 분자에서 Ts-H 결합은 테네신의 7p_3/2 전자에 의해 형성된다.^[134] 스핀-궤도 상호작용의 영향으로 결합 길이가 17 pm만큼 길어지고, 결합 해리 에너지는 감소한다.^[134] TlTs와 NhTs 분자에서도 비슷한 효과가 나타나며, 특히 NhTs에서는 테네신 원자에서 니호늄 원자로 전자가 이동할 만큼 강한 효과가 예측된다.^[134]

TsF 분자는 17족 일플루오르화물 중 가장 강한 결합을 가질 것으로 예상된다.^[134] 이는 스핀-궤도 상호작용으로 테네신의 전기 음성도가 낮아지고, 플루오린과의 결합이 이온적인 성질을 띠기 때문이다.^[134]

TsF₃ 분자는 기존 할로겐 삼플루오르화물과 달리 평면 삼각형 분자 구조를 가질 것으로 예측된다.^[135] 이는 원자가 껍질 전자쌍 반발 이론이 초중원소에는 적용되지 않는다는 것을 보여준다.^[135]

참조

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