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비금속

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목차

1. 개요

비금속은 금속의 일반적인 특성이 부족한 화학 원소를 지칭하며, 광택, 가공성, 열 및 전기 전도성이 낮고, 일반적으로 산성 산화물을 형성한다. 수소, 탄소, 질소, 산소, 황, 플루오린, 염소, 브롬, 요오드, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 라돈 등 14가지 원소가 일반적으로 비금속으로 분류된다. 비금속은 반응성, 물리적 상태, 전기음성도, 단체의 물질 구조에 따라 세분화되며, 우주 및 지구 지각, 생물량, 수권, 대기 등 다양한 곳에 존재하며, 가정용, 산업용, 감쇠, 농업 등 다양한 분야에 활용된다.

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비금속
비금속 원소 개요
유형화학 원소의 한 종류
특징금속의 반대되는 성질을 지님
전기 및 열을 잘 전달하지 못함
광택이 없고 부서지기 쉬움 (고체 상태)
다양한 화학 결합에 참여
위치주기율표의 오른쪽 상단 (주로 p-구역)
상태상온에서 고체, 액체, 기체 상태로 존재
기체 상태가 많음
활용생명체의 기본 구성 요소
다양한 화합물의 재료
산업적으로 중요한 역할 수행
분류
주요 분류반응성 비금속
귀가스
기타 분류준금속 (일부 원소는 비금속으로 분류되기도 함)
준금속붕소, 규소, 저마늄, 비소, 안티모니, 텔루륨
반응성 비금속수소, 탄소, 질소, 산소, 플루오린, 인, 황, 염소, 셀레늄, 브로민, 아이오딘
귀가스헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논, 라돈
일반적인 성질
전기 전도도낮음 (대부분 절연체)
열 전도도낮음
광택없음
인성부서지기 쉬움
밀도일반적으로 낮음
녹는점 및 끓는점변동이 큼
화학적 성질
화학 결합공유 결합을 주로 형성
이온 결합도 가능
산화산화수를 가짐 (양수, 음수)
산화제로 작용
반응성반응성이 다양함 (매우 높은 것부터 낮은 것까지)
금속과 반응하여 화합물 형성
주기율표
위치주기율표의 오른쪽 상단 부분
금속과 금속-비금속 구분선을 경계
s-구역수소 (일반적으로 비금속으로 간주)
p-구역대부분의 비금속 원소 포함
생물학적 역할
생명체 구성생명체를 구성하는 기본 원소 (탄소, 수소, 질소, 산소, 인, 황)
유기 분자의 주요 구성 성분
생체 활동호흡 (산소)
단백질 구성 (질소, 황)
핵산 구성 (인)
효소 및 조효소 구성 (일부 비금속)
추가 정보
역사초기 화학 연구에서 구분되기 시작
다양한 비금속 원소가 순차적으로 발견
응용다양한 산업 및 기술 분야에서 활용
플라스틱, 섬유, 의약품, 반도체 등
에너지 생산 (연료, 배터리)
금속과의 경계명확하지 않음
일부 원소는 준금속으로 분류 (금속과 비금속의 중간 성질)
구분 기준전기 전도도, 열 전도도, 광택 등 여러 기준 활용
명확한 구분은 어려움

2. 정의 및 해당 원소

비금속 화학 원소는 종종 금속의 일반적인 특성, 즉 광택, 가공성, 우수한 열 및 전기 전도성, 그리고 일반적으로 염기성 산화물을 형성하는 능력이 부족하다고 설명된다.[4][265] 널리 받아들여지는 정확한 정의는 없으며,[5] 비금속의 목록은 논쟁의 여지가 있으며 개정될 수 있다.[6] 포함되는 원소는 비금속 또는 금속적 특성을 가장 잘 나타내는 것으로 간주되는 특성에 따라 달라진다.



14가지 원소는 거의 항상 비금속으로 인식된다.[6][7]

일부 자료에서는 "준금속"으로 분류하는[8] 세 가지 원소(탄소, 인, 셀레늄)도 일반적으로 비금속으로 분류된다.[9]

준금속으로 가장 일반적으로 인식되는 붕소, 실리콘, 게르마늄, 비소, 안티모니, 텔루륨 여섯 가지 원소 중 하나 이상은 때때로 비금속으로 간주되기도 한다.

알려진 118가지 원소 중 약 15~20%[10]가 비금속으로 분류된다.

비금속은 다음과 같이 더 자세히 분류할 수 있다.

비금속의 분류
반응성 비금속희유 기체
H, C, N, O, F, P, S, Cl, Se, Br, IHe, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn
고체액체기체
C, P, S, Se, IBrH, N, O, F, Cl, He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn
전기 음성도가 있는 비금속전기 음성도가 강한 비금속희유 기체
H, C, P, S, Se, IN, O, F, Cl, BrHe, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn
다원자 비금속이원자 비금속단원자 비금속(희유 기체)
C, P, S, SeH, N, O, F, Cl, Br, IHe, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn
기타 비금속수소기타 비금속할로겐희유 기체
C, P, S, SeHN, OF, Cl, Br, IHe, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn



위 표는 비금속을 다음과 같이 분류한다.

# 반응성에 따른 분류

# 물리적 상태(상온상압 하)

# 전기음성도

# 단체의 물질 구조

# (4)에서 할로겐을 분리

수소는 수소화물(H-)이 되었을 때의 이온 반지름은 할로겐인 플루오린 음이온보다 크고, 알칼리 금속이나 알칼리 토류 금속과 반응하여 금속 수소화물을 만드는 등 특이한 거동을 한다. 이러한 특징 때문에 수소를 1족 원소의 위치에 두지 않고, 수소가 비금속임을 강조한 주기율표도 있다.

3. 일반적인 성질

비금속은 그 외관이 매우 다양하여, 무색, 유색, 또는 광택이 있을 수 있다. 무색 비금속(수소, 질소, 산소, 그리고 비활성 기체)은 가시광선 영역에서 빛의 흡수가 일어나지 않고 모든 가시광선이 투과된다.[13] 유색 비금속(황, 불소, 염소, 브롬)은 특정 색상(파장)을 흡수하고 상보색 또는 반대색을 투과한다. 예를 들어, 염소의 황록색은 자외선 및 청색 영역에서 광범위한 흡수 영역 때문이다.[14] 붕소, 흑연(탄소), 규소, 흑린, 게르마늄, 비소, 셀레늄, 안티모니, 텔루르, 요오드의 광택은 전자가 들어오는 가시광선을 반사할 수 있는 다양한 정도의 금속 전도성 때문이다.[17]

원소 금속과 비금속의 일반적인 물리적 차이점[18]
특징금속비금속
외관 및 형태신선하게 준비되었거나 파쇄된 경우 광택이 있음, 일부는 유색;[36], 하나를 제외하고 모두 고체[37]광택, 유색 또는 투명;[38], 하나를 제외하고 모두 고체 또는 기체[37]
밀도종종 더 높음종종 더 낮음
소성대부분 전성 및 연성종종 취성 고체
전기 전도도[39]양호불량~양호
전자 구조[258]금속 또는 준금속준금속, 반도체, 또는 절연체


3. 1. 물리적 성질

비금속은 그 외관이 매우 다양하여, 무색, 유색, 또는 광택이 있을 수 있다. 표준 온도 및 압력에서 약 절반은 기체 상태이며, 나머지는 대부분 고체이다. 유일한 액체인 브롬은 일반적으로 적갈색 증기층으로 덮여 있다. 기체 및 액체 비금속은 밀도, 녹는점, 끓는점이 매우 낮고 열 및 전기 전도도가 낮다.[18] 고체 비금속은 밀도와 기계적 강도가 낮으며(단단하고 부서지기 쉬운 경우 또는 부드럽고 부스러지기 쉬운 경우)[19] 전기 전도도 범위가 넓다.

흑연 형태의 탄소의 금속성 외관


노란색 덩어리 형태의 황


백색광 하에서 요오드의 금속성 외관


이러한 형태의 다양성은 내부 구조와 결합 배열의 변화에서 비롯된다. 제논과 같이 불연속적인 원자로 존재하거나 산소, 황, 브롬과 같은 작은 분자로 존재하는 공유 결합 비금속은 녹는점과 끓는점이 낮다. 셀레늄 원자의 긴 사슬,[24] 흑연에서 탄소 원자의 시트,[25] 규소 원자의 3차원 격자와 같이 확장된 구조를 형성하는 비금속은 녹는점과 끓는점이 높다. 주기율표의 왼쪽이나 아래쪽에 있는 비금속은 종종 분자, 사슬 또는 층 사이에 금속 상호 작용을 하는데, 이는 붕소,[28] 탄소,[29] 인,[30] 비소,[31] 셀레늄,[32] 안티모니,[33] 텔루르,[34] 요오드에서 발생한다.[35]

공유 결합 비금속은 종종 비활성 기체 전자 배열을 달성하는 데 필요한 전자만 공유한다.[40] 예를 들어, 질소는 각 원자 사이에 삼중 결합을 가진 이원자 분자를 형성하며, 두 원자 모두 비활성 기체 네온의 배열을 얻는다. 안티모니의 더 큰 원자 크기는 삼중 결합을 방지하여 각 안티모니 원자가 근처의 세 원자와 단일 결합된 굽은 층을 형성한다.[41]

양호한 전기 전도도는 금속 결합이 있을 때 발생하지만,[42] 비금속의 전자는 종종 금속성이 아니다. 금속 전자와 관련된 양호한 전기 및 열 전도도는 탄소(흑연의 경우 평면을 따라), 비소, 안티모니에서 볼 수 있다. 붕소, 규소, 인, 게르마늄에서 양호한 열전도도가 관찰된다.[22] 이러한 전도도는 이러한 원소의 결정 격자의 진동을 통해 전달된다.[43] 반도체[44]인 붕소, 규소, 인, 게르마늄, 셀레늄, 텔루르, 요오드에서 중간 정도의 전기 전도도가 관찰된다.

많은 비금속 원소는 단단하고 부서지기 쉽다.[19] 전위가 쉽게 이동할 수 없으므로 변형되기보다는 취성 파괴되는 경향이 있다.[45] 흰 인(상온에서 밀랍처럼 부드럽고 유연하며 칼로 자를 수 있음),[46] 플라스틱 황,[47] 용융 상태에서 와이어로 뽑을 수 있는 셀레늄과 같이 변형되는 것도 있다.[48] 흑연은 표준 고체 윤활제이며, 기저면에서 전위가 매우 쉽게 이동한다.[49]

투명한 전기 절연체


검은색 도체


원소 금속과 비금속의 일반적인 물리적 차이점[18]
특징금속비금속
외관 및 형태신선하게 준비되었거나 파쇄된 경우 광택이 있음, 일부는 유색;[36], 하나를 제외하고 모두 고체[37]광택, 유색 또는 투명;[38], 하나를 제외하고 모두 고체 또는 기체[37]
밀도종종 더 높음종종 더 낮음
소성대부분 전성 및 연성종종 취성 고체
전기 전도도[39]양호불량~양호
전자 구조[258]금속 또는 준금속준금속, 반도체, 또는 절연체


3. 1. 1. 동소체

비금속 원소의 절반 이상은 서로 다른 물리적 특성을 가진 여러 가지 안정성이 낮은 동소체 형태로 나타난다.[50] 예를 들어, 가장 안정적인 형태가 흑연인 탄소는 다이아몬드, 벅민스터풀러렌,[51] 비정질[52] 및 준결정질[53] 변형으로 나타날 수 있다. 질소, 산소, 인, 황, 셀레늄, 요오드에서도 동소체가 나타난다.[54]

3. 2. 화학적 성질

비금속은 전기 음성도 값이 상대적으로 높다.[288] 일반적으로 산화물은 산성을 띤다.[266][270][272] 비금속은 화학 반응 중에 전자를 얻어 음이온이 되는 경향이 있는데, 이는 비활성 기체의 전자 배치가 안정적이기 때문이다.[40]

일반적으로 비금속은 금속보다 이온화 에너지, 전자 친화도, 표준 환원 전위가 더 높다.[286] 비금속이 형성하는 화합물의 수는 방대하다.[9]

성질원소 종류
금속준금속비금속(분류 안됨)할로젠 비금속비활성 기체
일반적인 화학적 거동약한 비금속성중간 정도의 비금속성[261]강한 비금속성[262]
산화물염기성; 일부 양쪽성 또는 산성[265]양쪽성 또는 약산성[266]산성 또는 중성산성메타안정적인 XeO3는 산성.[273] 안정적인 XeO4는 매우 강산성.[274]
유리 형성체가 거의 없음모두 유리 형성체[276]일부 유리 형성체유리 형성체로 보고된 것이 없음유리 형성체로 보고된 것이 없음
이온성, 중합체성, 층상, 사슬상 및 분자 구조[278]중합체 구조[279]
금속과의 화합물합금[18] 또는 금속간 화합물[282]합금 또는 금속간 화합물을 형성하는 경향이 있음[283]주로 이온성[131]상온 상압에서 단순 화합물로 알려진 것이 없음
이온화 에너지 (kJ mol−1)[286] ‡낮음에서 높음까지중간중간에서 높음까지높음매우 높음까지 높음
376~1,007762~947941~1,4021,008~1,6811,037~2,372
평균 643평균 833평균 1,152평균 1,270평균 1,589
전기 음성도 (폴링)[288] ‡낮음에서 높음까지중간중간에서 높음까지높음높음(라돈)에서 매우 높음까지
0.7~2.541.9~2.182.19~3.442.66~3.98약 2.43~4.7
평균 1.5평균 2.05평균 2.65평균 3.19평균 3.3




  • 수소는 합금과 같은 수소화물을 형성할 수도 있음[140]
  • "낮음", "중간", "높음", "매우 높음"이라는 레이블은 표에 나열된 값 범위를 기준으로 임의로 정의됨


3. 3. 추가적인 특징

비금속은 그 외관이 매우 다양하여, 무색, 유색, 또는 광택이 있을 수 있다. 무색 비금속(수소, 질소, 산소, 그리고 비활성 기체)은 가시광선 영역에서 빛의 흡수가 일어나지 않고 모든 가시광선이 투과된다.[13] 유색 비금속(황, 불소, 염소, 브로민)은 특정 색상(파장)을 흡수하고 상보색 또는 반대색을 투과한다. 예를 들어, 염소의 황록색은 자외선 및 청색 영역에서 광범위한 흡수 영역 때문이다.[14] 붕소, 흑연(탄소), 규소, 흑린, 게르마늄, 비소, 셀레늄, 안티모니, 텔루륨, 요오드의 광택은 전자가 들어오는 가시광선을 반사할 수 있는 다양한 정도의 금속 전도성 때문이다.[17]

표준 온도 및 압력에서 비금속 원소의 약 절반은 기체이며, 나머지 대부분은 고체이다. 유일한 액체인 브로민은 일반적으로 적갈색 증기층으로 덮여 있다. 기체 및 액체 비금속은 밀도, 녹는점, 끓는점이 매우 낮고 열 및 전기 전도도가 낮다.[18] 고체 비금속은 밀도와 기계적 강도가 낮으며(단단하고 부서지기 쉬운 경우 또는 부드럽고 부스러지기 쉬운 경우)[19] 전기 전도도 범위가 넓다.

형태의 다양성은 내부 구조와 결합 배열의 변화에서 비롯된다. 제논과 같이 불연속적인 원자로 존재하거나 산소, 황, 브로민과 같은 작은 분자로 존재하는 공유 결합 비금속은 녹는점과 끓는점이 낮다. 이들은 상온에서 기체이며, 원자나 분자 사이에 작용하는 약한 런던 분산력에 의해 결합되어 있지만, 분자 자체는 강한 공유 결합을 하고 있다.[23] 반대로, 셀레늄 원자의 긴 사슬,[24] 흑연에서 탄소 원자의 시트,[25] 또는 규소 원자의 3차원 격자와 같이 확장된 구조를 형성하는 비금속은 녹는점과 끓는점이 높고 모두 고체이다. 더 강한 결합을 극복하는 데 더 많은 에너지가 필요하기 때문이다. 주기율표의 왼쪽이나 아래쪽에 있는 비금속은 종종 분자, 사슬 또는 층 사이에 금속 상호 작용을 한다. 이는 붕소,[28] 탄소,[29] 인,[30] 비소,[31] 셀레늄,[32] 안티모니,[33] 텔루륨[34] 및 요오드에서 발생한다.[35]

원소 금속과 비금속의 일반적인 물리적 차이점[18]
특징금속비금속
외관 및 형태신선하게 준비되었거나 파쇄된 경우 광택이 있음, 일부는 유색[36], 하나를 제외하고 모두 고체[37]광택, 유색 또는 투명[38], 하나를 제외하고 모두 고체 또는 기체[37]
밀도종종 더 높음종종 더 낮음
소성대부분 전성 및 연성종종 취성 고체
전기 전도도[39]양호불량~양호
전자 구조[258]금속 또는 준금속준금속, 반도체, 또는 절연체



공유 결합 비금속은 종종 비활성 기체 전자 배열을 달성하는 데 필요한 전자만 공유한다.[40] 질소는 각 원자 사이에 삼중 결합을 가진 이원자 분자를 형성하며, 두 원자 모두 비활성 기체 네온의 배열을 얻는다. 안티모니의 더 큰 원자 크기는 삼중 결합을 방지하여 각 안티모니 원자가 근처의 세 원자와 단일 결합된 굽은 층을 형성한다.[41]

금속 결합이 있을 때 양호한 전기 전도도가 발생하지만,[42] 비금속의 전자는 종종 금속성이 아니다.[42] 금속 전자와 관련된 양호한 전기 및 열 전도도는 탄소(흑연의 경우 평면을 따라), 비소, 안티모니에서 볼 수 있다. 붕소, 규소, 인, 게르마늄에서 양호한 열전도도가 관찰된다.[22] 이러한 전도도는 이러한 원소의 결정 격자의 진동을 통해 전달된다.[43] 반도체[44] 붕소, 규소, 인, 게르마늄, 셀레늄, 텔루륨, 요오드에서 중간 정도의 전기 전도도가 관찰된다.

많은 비금속 원소는 단단하고 부서지기 쉽다.[19] 전위가 쉽게 이동할 수 없으므로 변형되기보다는 취성 파괴되는 경향이 있다.[45] 흰 인(상온에서 밀랍처럼 부드럽고 유연하며 칼로 자를 수 있음),[46] 플라스틱 황[47] 및 용융 상태에서 와이어로 뽑을 수 있는 셀레늄과 같이 변형되는 것도 있다.[48] 흑연은 표준 고체 윤활제이며, 기저면에서 전위가 매우 쉽게 이동한다.[49]

비금속의 화학적 복잡성을 더하는 요인으로는 불규칙적인 주기적 경향, 높은 산화 상태, 성질 중복 등이 있다.

3. 3. 1. 첫 번째 줄 이상 현상

수소부터 시작하여, 첫 번째 줄 이상 현상은 주로 관련 원소들의 전자 배치에서 비롯된다.[74] 수소는 다양한 결합 행동으로 유명하다. 수소는 가장 일반적으로 공유 결합을 형성하지만, 수용액에서 단일 전자를 잃어 엄청난 극성화 능력을 가진 맨 원자핵을 남길 수도 있다.[75] 결과적으로, 이 양성자는 물 분자의 산소 원자의 비공유 전자쌍에 부착되어 산-염기 화학의 기초를 마련할 수 있다.[76] 또한, 분자 내의 수소 원자는 다른 분자의 원자 또는 원자단과 두 번째, 다소 약한 결합을 형성할 수 있다. 이러한 결합은 "눈송이의 육각형 대칭을 만드는 데 도움이 되고, DNA를 이중 나선으로 결합시키며, 단백질의 3차원 형태를 형성하고, 심지어 물의 끓는점을 차 한 잔을 마시기에 충분할 정도로 높입니다."[77]

수소와 헬륨, 그리고 붕소부터 네온까지는 원자 반지름이 비정상적으로 작다. 이 현상은 1s 및 2p 부껍질에 내부 유사체가 없기(즉, 0s 껍질과 1p 부껍질이 없음) 때문에 더 무거운 원소의 3p, 4p, 5p 부껍질과 달리 전자-전자 교환 상호 작용이 적기 때문이다.[78] 결과적으로, 이러한 원소들의 이온화 에너지와 전기 음성도는 주기적 경향이 시사하는 것보다 높다. 탄소, 질소, 산소의 작은 원자 반지름은 이중 또는 삼중 결합의 형성을 용이하게 한다.[79]

전자 배치 일관성을 고려할 때 수소와 헬륨이 s-블록 원소 위에 배치되는 것이 일반적이지만, 이 두 원소가 보이는 상당한 첫 번째 줄 이상 현상은 대체 배치를 정당화한다. 수소는 1족의 리튬 위가 아니라 17족의 플루오린 위에 배치되는 경우가 있다. 헬륨은 2족의 베릴륨 위가 아니라 18족의 네온 위에 거의 항상 배치된다.[80]

3. 3. 2. 이차 주기성

주기율표의 13족부터 15족까지, 그리고 다소 적은 정도로 16족과 17족까지 아래로 내려갈 때 나타나는 주기적 경향의 변화를 이차 주기성이라고 한다.

3. 3. 3. 높은 산화 상태

일부 비금속 원소는 옥텟 규칙으로 예측되는 산화 상태에서 벗어나는 산화 상태를 나타낸다. 무거운 비금속의 경우, 더 큰 원자 반지름과 더 낮은 전기 음성도 값으로 인해 더 높은 산화수를 갖는 화합물이 형성될 수 있으며, 더 높은 벌크 배위수를 지원한다.[84]

3. 3. 4. 다중 결합 형성

주기 2 비금속 원소, 특히 탄소, 질소, 산소는 이중 또는 삼중 결합을 형성하는 경향이 있다.[79] 예를 들어, 질소는 각 원자 사이에 삼중 결합을 가진 이원자 분자를 형성하며, 두 원자는 모두 비활성 기체 네온의 전자 배열을 갖는다.[40] 이러한 다중 결합 형성은 이들 원소의 작은 원자 반지름 때문이다.[79]

3. 3. 5. 성질 중복

일부 원소는 전통적으로 비금속으로, 다른 원소는 금속으로 분류되어 왔지만, 일부 성질이 중복되는 경우가 있다. 20세기 초, 현대 화학의 시대가 확립된 시점에 험프리는 다음과 같이 언급했다.[87]

:…그러나 이 두 그룹은 서로 완벽하게 구분되지 않습니다. 일부 비금속은 특정 성질에서 금속과 유사하고, 일부 금속은 어떤 면에서 비금속과 유사합니다.

갈색 분말이 들어있는 열린 유리병
붕소(여기서는 덜 안정적인 비정질 형태)는 금속과 일부 유사점을 공유한다


비금속 원소에서 나타나는 금속과 같은 성질의 예는 다음과 같다.

  • 실리콘의 전기 음성도(1.9)는 코발트(1.88), 구리(1.9), 니켈(1.91), 은(1.93)과 같은 금속과 비슷하다.[288]
  • 흑연의 전기 전도도는 일부 금속보다 높다.
  • 셀레늄은 가늘게 뽑아서 전선으로 만들 수 있다.[48]
  • 라돈은 가장 금속적인 비활성 기체이며, 비금속에서는 드문 일부 양이온적 거동을 보이기 시작한다.[90]
  • 극한 조건에서는 비금속 원소의 절반 이상이 동종원자 양이온을 형성할 수 있다.


금속에서 나타나는 비금속과 같은 성질의 예는 다음과 같다.

  • 텅스텐은 때때로 잘 부서지고, 높은 전기음성도를 가지며, 수용액에서 음이온만을 형성하고,[92] 주로 산성 산화물을 형성하는 등 일부 비금속적 성질을 나타낸다.[265][93]
  • 금속의 "왕"인 금은 금속 중 가장 높은 전극 전위를 가지고 있어 전자를 얻는 것을 잃는 것보다 선호한다는 것을 시사한다. 금의 이온화 에너지는 금속 중에서 가장 높은 것 중 하나이며, 전자 친화도와 전기음성도가 높으며, 후자는 일부 비금속보다 높다. 금은 Au– 아우리드 음이온을 형성하고 자신과 결합하는 경향을 보이는데, 이는 금속에서는 예상치 못한 행동이다. 아우리드(MAu, 여기서 M = Li–Cs)에서 금의 거동은 할로젠과 유사하다.[94] 금은 핵 전위가 충분히 커서 전자를 상대론적 효과를 포함하여 고려해야 하며, 이는 일부 성질을 변경한다.[95]


실리콘, 인, 저마늄, 비소, 안티모니와 같은 무거운 p-블록 원소의 특정 화합물이 전이 금속 착물과 일반적으로 관련된 거동을 나타내는 것은 비교적 최근의 발전이다. 이것은 채워진 궤도와 비어있는 궤도 사이의 작은 에너지 간격, 즉 채워진 궤도와 비어있는 궤도 분자 궤도와 관련이 있다. 이는 분자 내에서 전자가 존재하고 화학 반응에 이용될 수 있는 영역이다. 이러한 화합물에서 이것은 수소(H2), 암모니아(NH3) 및 에틸렌(C2H4)과 같은 작은 분자와의 특이한 반응성을 허용하며, 이는 이전에는 주로 전이 금속 화합물에서 관찰된 특징이다. 이러한 반응은 촉매 응용 분야에서 새로운 길을 열 수 있다.[96]

4. 비금속의 유형

비금속은 그 외관이 매우 다양하여, 무색, 유색, 또는 광택을 띨 수 있다. 수소, 질소, 산소, 비활성 기체와 같은 무색 비금속은 가시광선 영역에서 빛을 흡수하지 않고 투과시킨다.[13] 황, 플루오린, 염소, 브로민과 같은 유색 비금속은 특정 파장의 빛을 흡수하고 그 보색을 투과시킨다. 예를 들어, 염소는 자외선 및 청색 영역의 빛을 흡수하여 황록색을 띤다.[14] 붕소, 탄소(흑연), 규소, 인(흑린), 게르마늄, 비소, 셀레늄, 안티모니, 텔루륨, 아이오딘 등은 전자가 가시광선을 반사하여 금속과 비슷한 광택을 낸다.[17]

비금속 원소의 다양한 특성[18]
구분특징예시
무색 비금속가시광선 영역에서 빛을 흡수하지 않음수소, 질소, 산소, 비활성 기체
유색 비금속특정 파장의 빛을 흡수하고 보색을 투과황, 플루오린, 염소, 브로민
광택 비금속전자가 가시광선을 반사하여 금속성 광택을 띰붕소, 탄소(흑연), 규소, 인(흑린), 게르마늄, 비소, 셀레늄, 안티모니, 텔루륨, 아이오딘



표준 온도 및 압력에서 비금속 원소의 약 절반은 기체 상태이며, 나머지는 대부분 고체이다. 유일한 액체 비금속인 브로민은 적갈색 증기층으로 덮여 있다. 기체 및 액체 비금속은 밀도, 녹는점, 끓는점이 매우 낮고 열 및 전기 전도도가 낮다.[18] 고체 비금속은 밀도와 기계적 강도가 낮고, 전기 전도도는 다양하다.[19] 예를 들어, 황의 전기 전도도는 10−18 S•cm−1[22]인 반면, 흑연은 3 × 104,[20] 비소는 3.9 × 104[21]로 망가니즈(0.69 × 104)보다 높다.[22]

이러한 다양성은 내부 구조와 결합 배열의 차이에서 비롯된다. 제논처럼 불연속적인 원자나 산소, 황, 브로민과 같은 작은 분자로 존재하는 공유 결합 비금속은 낮은 녹는점과 끓는점을 가지며, 상온에서 많은 수가 기체 상태이다. 이들은 분자 자체는 강한 공유 결합을 하지만, 원자나 분자 사이에는 약한 런던 분산력이 작용한다.[23] 반면, 셀레늄 원자의 긴 사슬,[24] 흑연의 탄소 원자 시트,[25] 규소 원자의 3차원 격자처럼 확장된 구조를 형성하는 비금속은 높은 녹는점과 끓는점을 가지며 모두 고체이다. 이는 더 강한 결합을 끊는 데 더 많은 에너지가 필요하기 때문이다.[27] 주기율표의 왼쪽이나 아래쪽에 위치한 비금속(금속에 가까운)은 분자, 사슬, 층 사이에 금속 상호 작용을 하는 경우가 많다. 붕소,[28] 탄소,[29] 인,[30] 비소,[31] 셀레늄,[32] 안티모니,[33] 텔루륨,[34] 아이오딘[35]에서 이러한 현상이 나타난다.

금속과 비금속의 일반적인 물리적 차이점[18]
특징금속비금속
외관 및 형태광택 (대부분 고체)광택, 유색, 또는 투명 (대부분 고체 또는 기체)
밀도대부분 높음대부분 낮음
소성대부분 전성 및 연성대부분 취성 고체
전기 전도도양호불량 ~ 양호
전자 구조금속 또는 준금속준금속, 반도체, 또는 절연체



공유 결합 비금속은 비활성 기체 전자 배열을 달성하는 데 필요한 전자만 공유한다.[40] 예를 들어, 질소는 각 원자 사이에 삼중 결합을 가진 이원자 분자를 형성하여 두 원자 모두 네온의 전자 배열을 얻는다. 안티모니의 경우, 큰 원자 크기로 인해 삼중 결합이 어려워 각 원자가 주변 세 원자와 단일 결합된 굽은 층을 형성한다.[41]

금속 결합이 있을 때 양호한 전기 전도도가 나타나지만,[42] 비금속의 전자는 금속성이 아닌 경우가 많다.[42] 탄소(흑연), 비소, 안티모니는 금속 전자와 관련된 양호한 전기 및 열 전도도를 보인다. 붕소, 규소, 인, 게르마늄에서도 양호한 열전도도가 관찰되며, 이는 결정 격자의 진동을 통해 전달된다.[43] 붕소, 규소, 인, 게르마늄, 셀레늄, 텔루륨, 아이오딘은 중간 정도의 전기 전도도를 갖는 반도체이다.[44]

많은 비금속 원소는 단단하고 부서지기 쉽다.[19] 전위가 쉽게 이동하지 못해 변형되기보다는 취성 파괴되는 경향이 있다.[45] 그러나 흰 인(밀랍처럼 부드럽고 칼로 자를 수 있음),[46] 플라스틱 황,[47] 용융 상태에서 와이어로 뽑을 수 있는 셀레늄[48]처럼 변형되는 경우도 있다. 흑연은 표준 고체 윤활제이며, 기저면에서 전위가 매우 쉽게 이동한다.[49]

비금속은 주기율표의 오른쪽에서 시작하여 크게 세 가지 유형으로 구분할 수 있다.



이 외에도, 때때로 비금속으로 분류되는 네 번째 집합의 원소들이 있다.

이러한 유형 간의 경계는 명확하지 않으며, 탄소, 인, 셀레늄, 아이오딘은 준금속과 경계를 이루며 일부 금속적 특성을 보인다.

비금속은 반응성, 물리적 상태, 전기 음성도, 단체의 물질 구조에 따라 더 세분화될 수 있다.

비금속의 분류
구분비금속
(1) 반응성반응성 비금속비활성 기체
수소, 탄소, 질소, 산소, 플루오린, 인, 황, 염소, 셀레늄, 브로민, 아이오딘헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논, 라돈
(2) 물리적 상태고체액체기체
C, P, S, Se, IBrH, N, O, F, Cl, He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn
(3) 전기 음성도전기 음성도가 있는 비금속전기 음성도가 강한 비금속비활성 기체
H, C, P, S, Se, IN, O, F, Cl, BrHe, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn
(4) 물질 구조다원자 비금속이원자 비금속단원자 비금속 (비활성 기체)
C, P, S, SeH, N, O, F, Cl, Br, IHe, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn
(5) 세부 분류기타 비금속수소기타 비금속할로젠비활성 기체
C, P, S, SeHN, OF, Cl, Br, IHe, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn


4. 1. 비활성 기체

비금속 중 여섯 가지 원소는 비활성 기체로 분류된다. 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논, 그리고 방사성 원소인 라돈이 이에 해당한다.[123] 일반적인 주기율표에서 이들은 가장 오른쪽 열에 위치한다. 이들은 매우 낮은 화학적 반응성 때문에 "비활성" 기체라고 불린다.[123]

이 원소들은 무색, 무취, 불연성이라는 공통적인 성질을 보인다. 닫힌 최외각 전자껍질 때문에 비활성 기체는 매우 약한 원자간 힘을 가지며, 이로 인해 매우 낮은 녹는점과 끓는점을 갖는다.[124] 결과적으로, 표준 조건에서는 원자량이 많은 고체 원소보다 큰 원소들조차 모두 기체 상태이다.[125]

화학적으로 비활성 기체는 비교적 높은 이온화 에너지, 무시할 수 있거나 음의 전자 친화도, 그리고 높거나 매우 높은 전기 음성도를 나타낸다. 비활성 기체가 형성하는 화합물의 수는 수백 가지이며 계속 증가하고 있는데,[126] 이들 대부분은 산소 또는 불소와 크립톤, 제논 또는 라돈의 결합을 포함한다.[127]

4. 2. 할로젠 비금속

할로젠 비금속은 매우 반응성이 높고 부식성이 강한 원소이다. 플루오린(F), 염소(Cl), 브로민(Br), 아이오딘(I)이 이에 해당한다. "할로겐"이라는 용어는 "염 형성체"를 의미한다.[128] 예를 들어, 반응성이 높은 나트륨(Na) 금속이 부식성 할로겐 비금속 염소(Cl) 기체와 결합하여 안정적이고 반응성이 낮은 소금(NaCl)을 형성한다.

화학적으로 할로젠 비금속은 높은 이온화 에너지, 전자 친화도 및 전기 음성도 값을 나타내며, 대부분 비교적 강한 산화제이다.[129] 이러한 특성은 할로겐 비금속의 부식성에 기여한다.[130] 네 가지 원소는 모두 주로 금속과 이온 화합물을 형성하는 경향이 있다.[131] 이는 나머지 비금속(산소 제외)이 주로 금속과 공유 결합 화합물을 형성하는 경향과 대조적이다. 할로겐 비금속의 높은 반응성과 강한 전기 음성도는 비금속적 특성을 잘 보여준다.[135]

4. 3. 분류되지 않은 비금속

분류되지 않은 비금속은 반응성이 혼합된 집합으로, 널리 사용되는 명칭이 없다. 여기에는 수소, 탄소, 질소, 산소, 인, 황, 셀레늄이 속한다. 이들의 물리적 및 화학적 특성은 "중간 정도의 비금속적"이라고 할 수 있다.[146]



이 비금속들은 몇 가지 공통적인 특징을 공유한다. 할로젠보다 반응성이 낮아[144] 자연 환경에서 비교적 흔하게 발견된다.[162] 생물학[145]과 지구화학[146]에서 중요한 역할을 담당한다. 금속과 결합할 때는 작은 원자 반지름과 낮은 이온화 에너지 덕분에 침입형 또는 내화성 화합물을 형성할 수 있다.[146] 또한, 고체 화합물에서 자기 결합 경향을 보이며,[150] 주기율표에서 대각선 관계를 통해 준금속과 유사성을 나타내기도 한다.[151]

몇몇은 부식성을 띠기도 한다. 연료 전지에서 탄소 부식이 발생할 수 있으며,[147] 토양에 셀레늄이 과다하게 존재하면 부식성 셀렌화 수소 가스가 생성될 수 있다.[148]

비금속의 물리적 성질은 측정 용이성 순서대로, 화학적 성질은 일반적인 특성에서 세부적인 내용 순서로 아래 표에 요약되어 있다.

성질원소 종류
금속준금속비금속(분류되지 않음)할로젠 비금속비활성 기체
일반적인 물리적 외관금속 광택[18]금속 광택[241]무색[246]
형태 및 밀도[247]고체
(수은 액체)		고체고체 또는 기체고체 또는 기체
(브로민 액체)		기체
종종 고밀도 (예: 철, 납, 텅스텐)낮음에서 중간 정도의 밀도낮은 밀도낮은 밀도낮은 밀도
일부 경금속 (예: 베릴륨, 마그네슘, 알루미늄)모두 철보다 가벼움수소, 질소는 공기보다 가벼움[248]헬륨, 네온은 공기보다 가벼움[249]
소성대부분 전성 및 연성[18]종종 취성[241]인, 황, 셀레늄은 취성아이오딘은 취성[253]해당 없음
전기 전도율양호style="border-right:2px dashed #CDCDCD; border-left:2px dashed #CDCDCD"|불량
전자 구조[258]금속 (베릴륨, 스트론튬, α-주석, 이터븀, 비스무트는 준금속임)준금속 (비소, 안티몬) 또는 반도체반도체 (아이오딘) 또는 절연체절연체



성질원소 종류
금속준금속비금속(분류 안됨)할로젠 비금속비활성 기체
일반적인 화학적 거동약한 비금속성중간 정도의 비금속성[261]강한 비금속성[262]
산화물염기성; 일부 양쪽성 또는 산성[265]양쪽성 또는 약산성산성 또는 중성산성메타안정적인 XeO3은 산성이다.[273] 안정적인 XeO4는 매우 강산성이다.[274]
유리 형성체가 거의 없음모두 유리 형성체임[276]일부 유리 형성체유리 형성체로 보고된 것이 없음유리 형성체로 보고된 것이 없음
이온성, 중합체성, 층상, 사슬상 및 분자 구조[278]중합체 구조[279]
금속과의 화합물합금[18] 또는 금속간 화합물[282]합금 또는 금속간 화합물을 형성하는 경향이 있음[283]주로 이온성[131]상온 상압에서 단순 화합물로 알려진 것이 없음
이온화 에너지 (kJ mol−1)[286] ‡낮음에서 높음까지중간중간에서 높음까지높음매우 높음까지 높음
762~947941~1,4021,008~1,6811,037~2,372
평균 833평균 1,152평균 1,270평균 1,589
전기 음성도 (폴링)[288] ‡낮음에서 높음까지중간중간에서 높음까지높음높음(라돈)에서 매우 높음까지
0.7~2.541.9~2.182.19~3.442.66~3.98약 2.43~4.7
평균 1.5평균 2.05평균 2.65평균 3.19평균 3.3





† 수소는 합금과 같은 수소화물을 형성할 수도 있음[140]

‡ "낮음", "중간", "높음", "매우 높음"이라는 레이블은 표에 나열된 값 범위를 기준으로 임의로 정의됨

4. 3. 1. 수소

수소는 어떤 면에서는 금속 원소와 같고, 다른 면에서는 비금속과 같은 성질을 보인다.[137] 예를 들어, 금속 원소처럼 수용액에서 용매화된 양이온을 형성할 수 있다.[138] NaCl과 HCl 같은 염화물, KNO3과 HNO3 같은 질산염 화합물에서 알칼리 금속을 대체할 수 있으며, 특정 알칼리 금속 착물에서도 이러한 현상이 나타난다.[139][140] 하지만 비금속으로서[141] 공유 결합이나 이온 결합을 형성하거나,[142] 초기 전자를 잃은 경우에는 비공유 전자쌍에 결합함으로써 이러한 배열을 달성한다.[143]

4. 4. 준금속



준금속은 때때로 금속과 비금속과 구별되는 세 번째 범주로 간주되는, 일반적으로 불활성인[108][109][110][111][115][116] 원소이다. 붕소, 규소, 게르마늄, 비소, 안티모니, 텔루륨이 이에 해당한다.

준금속 "경계 영역"은 저자 간에 가장 큰 차이를 보인다.[119] 일부는 준금속을 금속 및 비금속과 구별되는 것으로 간주하는 반면, 다른 일부는 준금속을 비금속으로 분류한다.[120] 중금속과의 유사성 때문에 비소와 안티모니와 같은 특정 준금속을 금속으로 분류하는 경우도 있다.[121] 준금속은 상대적으로 낮은 밀도, 높은 전기 음성도 및 유사한 화학적 거동을 가지고 있다는 점에서 보편적으로 "비금속"으로 간주되는 원소와 유사하다.[117]

5. 존재비, 추출 및 용도

수소, 탄소, 질소, 산소, 규소는 지구의 지각, 생물량, 수권, 대기의 대부분을 구성하는 주요 비금속이다.[158] 특히 규소와 산소는 매우 안정적인 규산염 구조를 형성하여 지구 지각을 이루는 중요한 역할을 한다.[158] 생물량에서 비금속이 풍부한 이유는 작은 원자 크기와 충분한 전자를 가져 서로 결합하고 자기 복제 시스템을 만들기 쉽기 때문이다.[159]

비금속 원소는 다양한 방법으로 추출된다. 기체 비금속인 수소는 메탄에서, 헬륨은 천연가스에서 추출하고, 질소, 산소, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논은 액체 공기를 분별 증류하여 얻는다.[160] 황은 과거 프라슈 공정으로 추출했으나 현재는 천연가스에 있는 황화수소를 산소와 반응시켜 얻는다.[161] 염소, 브롬, 요오드는 염수에서 추출한다. 고체 비금속인 붕소는 붕산염에서, 탄소는 천연 흑연에서, 실리콘은 실리카에서, 인은 인산염에서, 요오드는 요오드산나트륨에서, 라돈은 우라늄 광석의 붕괴 생성물에서, 불소는 형석에서, 저마늄, 비소, 셀레늄, 안티몬, 텔루륨은 황화물에서 추출한다.[162]

비금속은 가정, 산업, 감쇠(윤활, 지연, 절연, 냉각), 농업 등 다양한 용도로 사용된다.[1] 가정 용품, 의약품, 레이저, 조명, 무기산, 플러그인 하이브리드 자동차, 스마트폰 등에 사용되며, 윤활제, 난연제, 소화기, 불활성 공기 대체물, 극저온공학, 냉매, 비료 등에도 활용된다. 또한, 폭약이나 용접 가스와 같은 특수 용도로도 사용된다.

YAL-1 공중 레이저로 알려진 보잉 747 변형기에 장착된 COIL(화학 산소 요오드 레이저) 시스템


컴퓨터 서버 장비를 손상시키지 않고 화재를 진압하는 데 사용되는 아르곤 가스가 들어있는 실린더

5. 1. 존재비

수소, 탄소, 질소, 산소, 규소의 다섯 가지 비금속은 지구의 직접 관측 가능한 구조 대부분을 구성한다. 이들은 지구 지각의 약 73%, 생물량의 93%, 수권의 96%, 대기의 99% 이상을 차지한다.[158] 규소와 산소는 규산염으로 알려진 매우 안정적인 사면체 구조를 형성하는데, 여기서 "산소와 규소 이온을 결합하는 강력한 결합은 지구 지각을 하나로 묶는 시멘트 역할을 한다."[158]

생물량에서 상위 네 가지 비금속(그리고 인, 황, 셀레늄은 약간)의 상대적 풍부도는 상대적으로 작은 원자 크기와 충분한 여분의 전자의 조합으로 설명된다. 이 두 가지 특성은 이들이 서로 결합하고 "다른 원소들과 결합하여 자기 복제 시스템을 구축하기에 충분한 분자 수프를 생성할 수 있게 한다."[159]

5. 2. 추출

비금속 원소 23개 중 9개는 기체이거나 기체 화합물을 형성하며, 천연가스 또는 액체 공기에서 추출된다. 여기에는 수소, 헬륨, 질소, 산소, 네온, 황, 아르곤, 크립톤, 크세논이 포함된다. 예를 들어, 질소와 산소는 액체 공기의 분별 증류를 통해 공기에서 추출된다. 이 방법은 각 원소의 끓는점 차이를 이용하여 효율적으로 분리한다.[160] 황은 프라슈 공정을 사용하여 추출되었는데, 이는 지하 매장지에 과열된 물을 주입하여 황을 녹이고 표면으로 펌핑하는 것을 포함한다. 이 기술은 다른 지질학적 물질에 비해 황의 낮은 녹는점을 활용했다. 현재는 천연가스에 있는 황화수소를 산소와 반응시켜 얻는다. 물이 생성되고 황이 남는다.[161]

나머지 비금속 원소들은 다음과 같은 원천에서 추출된다.[162]

  • '''기체 (3):''' 수소(메탄에서 추출), 헬륨(천연가스에서 추출), 황(천연가스의 황화수소에서 추출)
  • '''액체 (9):''' 질소, 산소, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논(액체 공기에서 추출), 염소, 브롬, 요오드(염수에서 추출)
  • '''고체 (12):''' 붕소(붕산염에서 추출), 탄소(천연 흑연), 실리콘(실리카에서 추출), 인([인산염에서 추출), 요오드(요오드산나트륨에서 추출), 라돈(우라늄 광석의 붕괴 생성물), 불소(형석에서 추출), 저마늄, 비소, 셀레늄, 안티몬, 텔루륨(황화물에서 추출)

5. 3. 용도

비금속 및 비금속 원소의 용도는 크게 가정용, 산업용, 감쇠(윤활, 지연, 절연 또는 냉각), 농업용으로 분류된다.

많은 비금속들이 가정 용품, 의약품 및 의료품, 레이저 및 조명 등에 가정용 및 산업용으로 사용된다.[1] 무기산의 구성 요소이며, 플러그인 하이브리드 자동차와 스마트폰에도 널리 사용된다.

상당수의 비금속들은 감쇠 및 농업 용도로 사용된다. 윤활제, 난연제 및 소화기에 사용되며, 불활성 공기 대체물로 사용되고, 극저온공학 및 냉매에도 사용된다. 비료 사용을 통한 농업에도 중요한 역할을 한다.

또한, 소수의 비금속 또는 비금속 원소는 폭약 및 용접 가스와 같은 특수한 용도로 사용된다.

6. 분류의 역사

기원전 340년경, 고대 그리스 철학자 아리스토텔레스는 그의 저서 『기상학』 제3권에서 지구 내부에서 발견되는 물질을 금속과 "화석(fossiles)"으로 분류하였다.[180] 중세 시대까지 광물의 분류는 용어가 다를 뿐 대체로 변함없이 남아 있었다. 14세기에 영국의 연금술사 리카르두스 앵글리쿠스는 그의 저서 『연금술 교정서』에서 광물을 "주요 광물"과 "부차적 광물" 두 가지 유형으로 나누어 분류를 확장하였다.[181]

"비금속"이라는 용어는 적어도 16세기부터 사용되었다. 프랑스의 의사 루이 드 로네는 1566년 그의 의학 논문에서 식물에서 유래한 물질을 금속성 토양이나 비금속성 토양에서 유래했는지에 따라 구분하였다.[182] 1700년대 후반 현대적인 화학 원소 개념이 등장하면서 금속과 비금속의 구분이 발전했다. 앙투안 라부아지에는 1789년 저서 ''화학 원론(Traité élémentaire de chimie)''에서 최초의 현대적인 화학 원소 목록을 발표하고, 원소를 기체, 금속 물질, 산화될 때 산을 형성하는 비금속 물질,[186] 토류(내열성 산화물)[187]의 네 가지 그룹으로 분류했다.[188]

1802년에는 금속의 물리적 성질을 가지고 있지만 비금속의 화학적 성질을 가진 원소를 나타내는 "준금속"이라는 용어가 도입되었다.[189] 1811년 베르셀리우스는 모든 비금속 원소를 설명하기 위해 "준금속"이라는 용어를 사용했다.[190]

돌에 새겨진 뛰어난 프랑스 신사의 옆모습
두파스키에(1793–1848)의 흉상 (리옹, 프랑스)


1844년, 프랑스의 의사이자 약사, 화학자인 가스파르 알퐁스 두파스키에(Gaspard Alphonse Dupasquier)[201]는 비금속 연구에 도움이 되는 비금속의 기본적인 분류 체계를 확립했다.[202] 그는 비금속을 유기원소, 황족, 염소족, 붕소족의 네 그룹으로 분류했다.[202]

두파스키에의 분류는 현대 비금속 유형과 유사하다. 유기원소와 황족은 분류되지 않은 비금속과 비슷하고, 염소족은 나중에 할로겐으로 불리게 되었다.[203] 붕소족은 1864년부터 시작된 분류를 통해 준금속으로 발전했다.[194] 1800년대 후반에 발견된 비활성 기체는 당시에는 알려지지 않아 별개의 비금속 그룹으로 인식되었다.[204]

금속과 비금속을 구별하기 위해 다양한 물리적, 화학적, 원자적 특성들이 제안되었다.[209]

금속과 비금속 구분을 위해 제안된 특성
연도특성 및 유형분류
1803일반적인 특성[209]물리적 특성
1906가수분해된 할로겐화물[210]화학적 특성
1911양이온 형성[211]화학적 특성
1927골드해머-헤르츠펠트 금속화 기준[212][213]물리적 특성
1931전자 띠 구조[214]원자적
1949벌크 배위수[215]물리적 특성
1956저항의 온도 계수[216]화학적 특성
1956산-염기 산화물의 특성[217]화학적 특성
1962금속성 소리[218]물리적 특성
1969녹는점과 끓는점, 전기 전도도[219]물리적 특성
1977황산염 형성[56]화학적 특성
1977산에서의 산화물 용해도[220]화학적 특성
1986증발열[221]물리적 특성
1991액체 범위[222]물리적 특성
1998절대 영도에서의 전기 전도도[214]물리적 특성
1999원소 구조(벌크)[223]물리적 특성
2001충전 효율[224]물리적 특성
2020모트 파라미터[225]원자적



몇몇 저자들은[232] 비금속이 일반적으로 낮은 밀도와 높은 전기 음성도를 갖는다는 점을 지적했다. 에즐리[234]는 단일 특성만으로는 원소를 명확하게 분류할 수 없다고 주장했다.

6. 1. 배경

기원전 340년경, 고대 그리스 철학자 아리스토텔레스는 그의 저서 『기상학』 제3권에서 지구 내부에서 발견되는 물질을 금속과 "화석(fossiles)"으로 분류하였다.[180] 후자의 범주에는 웅황, 황토, 적토, 황, 주사 등 다양한 광물들이 포함되었다.

중세 시대까지 광물의 분류는 용어가 다를 뿐 대체로 변함없이 남아 있었다. 14세기에 영국의 연금술사 리카르두스 앵글리쿠스는 그의 저서 『연금술 교정서』에서 광물을 "주요 광물"과 "부차적 광물" 두 가지 유형으로 나누어 분류를 확장하였다. "주요 광물"에는 금, 은, 구리, 주석, 납, 철과 같은 금속이, "부차적 광물"에는 염, 아트라멘타(황산철), 명반, 감청, 비소, 비황, 황, 그리고 금속체가 아닌 유사한 물질들이 포함되었다.[181]

"비금속"이라는 용어는 적어도 16세기부터 사용되었다. 프랑스의 의사 루이 드 로네는 1566년 그의 의학 논문에서 식물에서 유래한 물질을 금속성 토양이나 비금속성 토양에서 유래했는지에 따라 구분하였다.[182]

6. 2. 원소 유형별 구성

1700년대 후반 현대적인 화학 원소 개념이 등장하면서 금속과 비금속의 구분이 발전했다. 앙투안 라부아지에는 1789년 저서 ''화학 원론(Traité élémentaire de chimie)''에서 최초의 현대적인 화학 원소 목록을 발표하고, 원소를 기체, 금속 물질, 산화될 때 산을 형성하는 비금속 물질,[186] 토류(내열성 산화물)[187]의 네 가지 그룹으로 분류했다.[188]

1802년에는 금속의 물리적 성질을 가지고 있지만 비금속의 화학적 성질을 가진 원소를 나타내는 "준금속"이라는 용어가 도입되었다.[189] 1811년 베르셀리우스는 모든 비금속 원소를 설명하기 위해 "준금속"이라는 용어를 사용했다.[190] 1866년 초부터 일부 저자들은 비금속 원소를 설명하기 위해 "준금속"보다 "비금속"이라는 용어를 선호하기 시작했다.[199]

6. 3. 유형 개발



1844년, 프랑스의 의사이자 약사, 화학자인 가스파르 알퐁스 두파스키에(Gaspard Alphonse Dupasquier)[201]는 비금속 연구에 도움이 되는 비금속의 기본적인 분류 체계를 확립했다.[202] 그는 비금속을 다음과 같이 네 가지 그룹으로 분류했다.[202]

두파스키에의 분류는 현대 비금속 유형과 유사하다. 유기원소와 황족은 분류되지 않은 비금속과 비슷하고, 염소족은 나중에 할로겐으로 불리게 되었다.[203] 붕소족은 1864년부터 시작된 분류를 통해 준금속으로 발전했다.[194] 1800년대 후반에 발견된 비활성 기체는 당시에는 알려지지 않아 별개의 비금속 그룹으로 인식되었다.[204]

두파스키에의 분류 체계는 자연적인 기반을 바탕으로 한 것으로 주목받았지만,[205] 산소, 질소, 수소, 탄소를 함께 묶은 점은 당시의 다른 분류와는 상당한 차이를 보였다.[207]

6. 4. 구별 기준 제안

금속과 비금속을 구별하기 위해 다양한 물리적, 화학적, 원자적 특성들이 제안되었다.[209] 1803년 해리스 목사의 ''소규모 백과사전''에는 다음과 같은 포괄적인 특성들이 명시되었다.

:''자연사와 화학에서 금속은 단순한 물질의 한 종류의 이름이며, 다음과 같은 특징을 가지고 있는 것으로 관찰됩니다. 광택이 나고, 불투명하며, 용융될 수 있으며, 지금까지 발견된 어떤 물질보다 비중이 크고, 다른 어떤 물질보다 전기 전도도가 높으며, 가단성이 있고, 연성이 있다는 것입니다.''

1809년 험프리 데이비가 나트륨과 칼륨을 분리했을 때,[226] 이들의 낮은 밀도는 금속적인 외관과 대조되어 밀도 특성에 대한 의문이 제기되었다.[227]

존슨[228]은 물리적 상태, 전기 전도도, 기계적 특성, 산화물의 산-염기 특성을 기준으로 금속과 비금속을 구분했다.

  • 기체 원소는 비금속이다(수소, 질소, 산소, 불소, 염소, 비활성 기체).
  • 액체(수은, 브롬)는 금속이거나 비금속이다. 수은은 좋은 전도체이므로 금속이며, 브롬은 전도도가 낮으므로 비금속이다.
  • 고체는 연성 및 전성, 경도 및 취성, 또는 연성 및 부서지기 쉬운 성질을 가진다.
  • 연성 및 전성을 가진 원소는 금속이다.
  • 단단하고 부서지기 쉬운 원소에는 붕소, 규소, 게르마늄이 포함되며, 이들은 반도체이므로 금속이 아니다.
  • 부드럽고 부서지기 쉬운 원소에는 탄소, 인, 황, 비소, 안티몬, 텔루르, 요오드가 포함되며, 이들은 비금속적 성격을 나타내는 산성 산화물을 가지고 있다.


금속과 비금속 구분을 위해 제안된 특성
연도특성 및 유형분류
1803일반적인 특성[209]P
1906가수분해된 할로겐화물[210]C
1911양이온 형성[211]C
1927골드해머-헤르츠펠트 금속화 기준[212][213]P
1931전자 띠 구조[214]A
1949벌크 배위수[215]P
1956저항의 온도 계수[216]C
1956산-염기 산화물의 특성[217]C
1962금속성 소리[218]P
1969녹는점과 끓는점, 전기 전도도[219]P
1977황산염 형성[56]C
1977산에서의 산화물 용해도[220]C
1986증발열[221]P
1991액체 범위[222]P
1998절대 영도에서의 전기 전도도[214]P
1999원소 구조(벌크)[223]P
2001충전 효율[224]P
2020모트 파라미터[225]A
P/C/A: 물리적 특성/화학적 특성/원자적



몇몇 저자들은[232] 비금속이 일반적으로 낮은 밀도와 높은 전기 음성도를 갖는다는 점을 지적했다. 밀도 7 g/cm3 미만, 전기 음성도(수정된 폴링) 1.9 이상을 기준으로 하면, 모든 비금속은 낮은 밀도와 높은 전기 음성도를 가진다. 반대로 모든 금속은 높은 밀도 또는 낮은 전기 음성도를 가진다.

에즐리[234]는 단일 특성만으로는 원소를 명확하게 분류할 수 없다고 주장했다.

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