규소

3. 특성

규소는 다이아몬드와 같은 입방 결정 구조를 가지며, sp³ 오비탈 혼성화를 통해 결정을 형성한다.^[40] 규소 원자는 14개의 전자를 가지며, 바닥 상태에서 [Ne]3s²3p²의 전자 배열을 갖는다. 이 중 4개의 원자가 전자는 3s 오비탈과 3p 오비탈에 분포한다.

탄소, 게르마늄, 주석, 납과 같이 규소는 원자가 전자 수와 원자가 오비탈 수가 같아 옥텟 규칙을 만족시키기 위해 sp³ 혼성 오비탈을 형성한다. 이를 통해 규소는 4개의 다른 원자와 전자쌍을 공유하는 사면체 형태의 화합물을 만들 수 있다.^[41]

규소의 처음 네 이온화 에너지는 각각 786.3, 1576.5, 3228.3, 4354.4 kJ/mol이다. 단일 결합 공유 반지름은 117.6 pm로, 탄소(77.2 pm)와 게르마늄(122.3 pm)의 중간 정도이다. 육배위 이온 반지름은 40 pm로 추정되지만, 이는 이론적인 값일 뿐 실제 양이온 형태로 존재하지는 않는다.

규소는 표준 상태에서 다이아몬드 구조를 갖는 반도체이며, 압력을 가하면 β-주석 구조로 구조 상전이하여 금속성을 띠게 된다. 또한, 규소 원자 6개가 고리 모양으로 결합된 실리센이라는 동소체도 존재한다. 주기율표상 바로 위에 위치한 탄소의 안정된 구조인 흑연은 규소에서는 안정적으로 존재할 수 없다.

다음은 탄소와 규소의 결합 에너지를 나타낸 표이다.

규소 화합물, 특히 규산염은 지각에 다양한 형태로 존재하며, 산업적으로도 유리, 도자기, 비료 등 다양한 용도로 활용된다. 섬유 형태의 규산염 광물인 석면은 과거 건축 자재로 널리 쓰였으나, 중피종 유발 문제로 인해 사용이 급감했다.

유기기가 결합된 2차원 및 3차원 규소 산화물은 실리콘이라 불리며, 내열성, 내약품성, 낮은 독성 등의 특성을 지닌다. 실리콘은 밀랍, 열매체, 소포제, 호스, 튜브, 도료, 절연체, 접착제 등 다양한 분야에서 활용된다.

규소 화합물 분말은 폐에 축적될 경우 진폐증을 유발할 수 있으며, 눈, 피부, 호흡기에 자극을 줄 수 있다.^[128] 실레인(SiH₄)과 같은 일부 규소 화합물은 인체에 치명적인 독성을 나타내기도 한다.^[128]

3. 1. 물리적 특성

3. 2. 화학적 특성

결정질 벌크 규소는 다소 비활성이지만 고온에서는 더 반응성이 높아진다. 이웃 원소인 알루미늄과 마찬가지로 규소는 얇고 연속적인 이산화규소 표면층을 형성하여 금속의 산화를 방지한다. 따라서 규소는 900 °C 이하에서는 공기와 측정 가능한 반응을 하지 않지만, 950 °C와 1160 °C 사이에서 유리상 이산화물의 형성이 급격히 증가하고 1400 °C에 도달하면 대기 중 질소와도 반응하여 SiN 및 질화물을 생성한다. 규소는 600 °C에서 기체 황과, 1000 °C에서 기체 인과 반응한다.

그러나 이 산화물 층은 할로젠과의 반응을 막지는 못한다. 플루오린은 상온에서 규소를 강하게 공격하고, 염소는 약 300 °C에서, 브롬과 요오드는 약 500 °C에서 공격한다. 규소는 대부분의 수용액 산과는 반응하지 않지만, 염소 또는 질산을 포함하는 불화수소산 혼합물에 의해 산화되고 착물을 형성하여 헥사플루오로규산을 생성한다. 뜨거운 수성 알칼리에 쉽게 용해되어 규산염을 형성한다.^[49]

표준 상태에서 안정적인 결정 구조는 다이아몬드 구조이다. 비중 2.33, 녹는점 1410 °C(1420 °C(다른 실험값 존재)), 끓는점 2600 °C(다른 실험값으로 2355 °C, 3280 °C 존재)이다. 다이아몬드 구조의 규소는 1.12 eV의 밴드갭(실험값)을 갖는 반도체이다. 비금속 원소이지만, 압력(정수압)을 가하면 β주석 구조로 구조 상전이한다. 이 β주석 구조의 규소는 금속이다.

3. 3. 인체에 미치는 영향

• 건강한 신장 기능을 가진 사람의 경우, 일반적인 식품 섭취량으로는 문제가 발생하지 않는다고 생각된다.^[121][123]
• 의약품이나 건강기능식품 등을 통한 규소 함유 화합물의 장기 섭취는 신장 결석, 신장 장애 등을 일으킬 가능성이 있다.^[121]
• 규소 172 mg/L 함유 용천수 섭취에 의한 것으로 추정되는 신장결석 보고가 있다.^[124] 충분히 관리되지 않은 용천수, 지하수, 광천수 등의 천연수에는 고농도의 규소가 포함될 수 있다.
• 규소를 많이 섭취함으로써 얻을 수 있는 인체에 대한 유효성은 확인되지 않았다.^[125]
• 규소를 포함한 분말 흡입으로 규폐증 등 호흡기계 장애를 일으킬 수 있다.

4. 동위 원소

자연계에 존재하는 규소는 세 가지 안정 동위원소 ²⁸Si (92.23%), ²⁹Si (4.67%), ³⁰Si (3.10%)로 구성되어 있다.^[43] 이 중에서 핵 스핀(''I'' = 1/2)을 가지는 ²⁹Si만이 NMR 및 전자상자성공명 분광법에 사용된다.^[43] 세 가지 동위원소 모두 Ia형 초신성^[44][45]에서 산소 연소 과정을 통해 생성되며, ²⁸Si는 알파 과정의 일부로 생성되므로 가장 풍부하다. 별에서 광붕괴 재배열을 통해 알파 입자와 ²⁸Si의 융합은 규소 연소 과정으로 알려져 있으며, 이는 항성 핵합성의 마지막 단계로, 이후 해당 별의 급격한 붕괴와 폭발적인 II형 초신성으로 이어진다.^[46]

22가지의 방사성 동위원소가 확인되었으며, 가장 안정적인 두 가지는 반감기가 약 150년인 ³²Si와 반감기가 2.62시간인 ³¹Si이다.^[43] 나머지 모든 방사성 동위원소의 반감기는 7초 미만이며, 대부분은 1/10초 미만이다.^[43] 규소에는 반감기가 210나노초 미만인 하나의 알려진 핵 이성질체 ^34mSi가 있다.^{[43] 32}Si는 낮은 에너지의 베타 붕괴를 통해 ³²P로 변환되고, 이후 안정한 ³²S이 된다. ³¹Si는 천연 규소의 중성자 활성화에 의해 생성될 수 있으므로 정량 분석에 유용하며, 안정한 ³¹P으로의 특징적인 베타 붕괴를 통해 쉽게 검출할 수 있다. 방출된 전자는 최대 1.48 MeV의 에너지를 운반한다.^[27]

알려진 규소 동위원소의 질량수는 22에서 46까지 다양하다.^[47] 세 가지 안정 동위원소보다 질량수가 작은 동위원소의 가장 일반적인 붕괴 모드는 역 베타 붕괴이며, 주로 알루미늄 동위원소(13개의 양성자)를 붕괴 생성물로 형성한다.^[43] 무거운 불안정 동위원소의 가장 일반적인 붕괴 모드는 베타 붕괴이며, 주로 인 동위원소(15개의 양성자)를 붕괴 생성물로 형성한다.^[43]

규소는 지하수와 하천 수송을 통해 해양으로 유입될 수 있다. 대량의 지하수 유입은 하천 규소 유입과는 구별되는 동위원소 조성을 갖는다. 지하수와 하천 수송의 동위원소 변화는 해양 ³⁰Si 값의 변화에 기여한다. 현재 세계 해양 분지의 심해수 동위원소 값에는 상당한 차이가 있다. 대서양과 태평양 사이에는 0.3퍼밀 이상의 심해수 ³⁰Si 기울기가 존재한다. ³⁰Si는 일반적으로 해양의 생산성과 관련이 있다.^[48]

5. 존재

지각의 27.7%를 차지하며, 산소 다음으로 많이 존재하는 원소이다. 주로 규산염 광물이나 이산화 규소 형태로 존재하며, 순수한 형태로 발견되는 일은 극히 드물다. 규소, 산소 및 다양한 금속 원소들의 화합물로 이루어진 규산염 광물은 지각 전체 질량의 90% 가량을 차지한다. 석질운석을 구성하는 원소이기도 하다.^[11]

6. 용도

규소는 밴드갭이 상온에서 사용하기에 적절하고, 붕소나 인 등의 불순물을 넣어 p형 반도체나 n형 반도체로 만들 수 있어 전자공학적으로 중요하다. 반도체 부품으로 사용하려면 고순도여야 하므로 정제 기술이 활발히 연구되어 왔다. 현재는 99.9999999999999% (15N)까지 순도를 높일 수 있다.^[70] Si(111) 기판은 AFM이나 STM의 표준 시료로 자주 사용된다.

6. 1. 화합물

• 일산화규소(SiO)
• 이산화규소(SiO) - 석영 등
• 규산
• 질화규소(SiN)
• 탄화규소(SiC)
• 규산염(MgSiO 등)
• 사염화규소(SiCl) - 연막
• 실란(SiH)
• 실리콘
• 규소수지
• 고리형 실록산(D3, D4 등)
• 유기규소화합물 - 트리메틸실릴기(-Si(CH)) 등을 갖는 유기화합물. 보호기와 탈리기로서 유기합성에 널리 쓰인다.

6. 2. 전자 재료

6. 3. 기타 용도

7. 제법

96~99% 순도의 규소는 고순도 코크스를 이용하여 석영암 또는 모래를 탄열 환원시켜 제조한다. 환원은 전기 아크로에서 이루어지며, 탄화 규소(SiC)의 축적을 막기 위해 과량의 이산화 규소()를 사용한다.^[58] 반응식은 다음과 같다.

:SiO₂ + 2 C → Si + 2 CO

:2 SiC + SiO₂ → 3 Si + 2 CO

이 반응은 일반적으로 소량의 인과 황을 함유한 철 스크랩이 존재하는 상태에서 수행되어 규소철을 생성한다.^[58] 규소철은 원소 규소와 철의 비율이 다양한 철-규소 합금으로, 세계 원소 규소 생산량의 약 80%를 차지한다.

7. 1. 원료

7. 2. 정제

8. 생물학적 역할

규조류, 방산충, 규질 해면은 골격 구조 재료로 생물 기원 규산을 사용한다.^[78][82][79] 벼와 같은 일부 식물은 조직 내에 규소를 축적하고 성장에 규소가 필요하다. 규소는 오르토규산(모노규산) 형태로 식물에 흡수되어 물관을 통해 이동하며, 세포벽 성분과 비결정질 복합체를 형성한다. 이는 일부 식물에서 세포벽 강도와 구조적 무결성을 향상시켜 해충의 식식 활동과 병원균 감염을 줄이는 것으로 나타났다.^[78][82][79]

• 서구 국가: 20~50 mg/일
• 인도: 143~204 mg/일
• 중국: 139 mg/일

대한민국에서는 쌀을 주식으로 하기 때문에, 평균적인 규소 섭취량이 상대적으로 높을 수 있다.

9. 안전성

규소 원소는 흡입, 섭취, 피부나 눈 접촉을 통해 노출될 수 있다. 섭취하거나 피부에 접촉하는 경우 자극제로서 약간의 위험을 초래하지만, 흡입 시에는 유해하다.^[99] 미국 산업안전보건청(OSHA)는 작업장 내 규소 노출에 대한 허용 노출 한계를 8시간 근무일 기준 총 노출 15 mg/m³, 호흡기 노출 5 mg/m³로 설정했다. 미국 국립 산업안전보건연구소(NIOSH)는 8시간 근무일 기준 총 노출 10 mg/m³, 호흡기 노출 5 mg/m³의 권장 노출 한계(REL)를 설정했다.^[100] 결정성 실리카 분진을 흡입하면 규폐증이 발생할 수 있는데, 이는 폐 상부에 결절 병변 형태의 염증과 흉터가 특징인 직업성 폐 질환이다.^[101]

규소는 필수 영양소가 아니며, 쥐나 조류 등 일부를 제외한 대부분 동물의 체내에는 거의 축적되지 않는다. 사람이 경구 섭취한 규소의 대부분은 흡수되지 않고 배설물로 배출되며,^[118] 일부는 소량이 물에 녹아 오르토규산이 되어 장에서 흡수된다. 혈중에서는 수용성 오르토규산으로 존재하지만, 단백질 등의 고분자 화합물과 결합하지 않고 소변으로 배출된다. 따라서 특별히 인체에 영향을 미치지는 않는다. 그러나 규소 섭취로 인해 실리카 결석이 생길 수 있으며, 마그네슘 트리실리케이트의 장기 섭취에 의한 발병이나, 규소를 많이 함유한 용천수(172mg/L)에 의해 10개월 된 유아가 실리카 결석이 된 사례가 보고되는 등 과다 섭취에는 주의가 필요하다.^[119]

• 건강한 신장 기능을 가진 사람의 경우, 일반적인 식품 섭취량으로는 문제가 발생하지 않는다고 생각된다.^[121][123]
• 의약품이나 건강기능식품 등을 통한 규소 함유 화합물의 장기 섭취는 신장 결석, 신장 장애 등을 일으킬 가능성이 있다.^[121]
• 규소 172mg/L 함유 용천수 섭취에 의한 것으로 추정되는 신장 결석 보고가 있다.^[124] 충분히 관리되지 않은 용천수, 지하수, 광천수 등의 천연수에는 고농도의 규소가 포함될 수 있다.
• 규소를 많이 섭취함으로써 얻을 수 있는 인체에 대한 유효성은 확인되지 않았다.^[125]
• 규소를 포함한 분말 흡입으로 규폐증 등 호흡기계 장애를 일으킬 수 있다.

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