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네온 화합물

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목차

1. 개요

네온 화합물은 네온 원자가 다른 원자 또는 분자와 약하게 결합된 형태를 의미한다. 네온은 런던 분산력에 의해 결합하며, 네온 다량체(Ne₂ , Ne₃, Ne₄)와 같은 판데르발스 분자를 형성할 수 있다. 또한, 금속 원자, 유기 분자, 풀러렌, 제올라이트 등과 결합하여 다양한 화합물을 만들 수 있으며, 고압 환경에서는 고체 화합물도 형성한다. 네온은 리간드, 이온, 엑시머 형태로 존재할 수 있으며, 네오늄(NeH⁺) 이온과 같은 화합물도 알려져 있다.

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네온 화합물
일반 정보
원소 기호Ne
원자 번호10
표준 원자량20.1797(6)
어원그리스어 νέος (neos, "새로운")
물리적 성질
표준 상태기체
녹는점24.56 K (−248.59 °C, −415.46 °F)
끓는점27.104 K (−246.046 °C, −408.883 °F)
임계점온도: 44.4 K (−228.8 °C)
압력: 2.76 MPa
삼중점24.556 K, 43.35 kPa
밀도 (액체)1.207 g/cm3 (끓는점)
융해열0.335 kJ/mol
기화열1.7321 kJ/mol
몰 열용량20.786 J/(mol·K)
원자 정보
산화 상태0
전기 음성도적용 불가 (폴링 척도)
이온화 에너지1차: 2080.7 kJ/mol
2차: 3952.3 kJ/mol
3차: 6122 kJ/mol
공유 반지름69 pm
반데르발스 반지름154 pm
기타 정보
결정 구조면심 입방 구조
열전도율49.1 mW/(m·K)
음속435 m/s (기체, 27 °C)
동위 원소
주요 동위 원소20Ne
21Ne
22Ne
네온 화합물
특징네온은 화학적으로 비활성 기체이기 때문에 화합물 형성이 매우 어렵다.
하지만 특정 조건 하에서 불안정한 화합물이 존재할 수 있다는 이론적 예측이 있다.
예시Ne+
(NeH)+
NeBeO
NeMgCO3

2. 판데르발스 분자

판데르발스 분자는 런던 분산력에 의해 네온이 다른 원자나 분자에 약하게 결합된 형태이다. 런던 분산력은 매우 약하므로, 고체 네온의 온도보다 높은 온도가 되면 분자의 진동이 너무 세져 네온 결합이 깨진다.[58]

2. 1. 네온 다량체

네온 원자는 다른 네온 원자와 결합하여 다량체를 형성할 수 있다. 이에는 네온 이량체(Ne2), 네온 삼량체(Ne3), 네온 사량체(Ne4)가 있으며 모두 쿨룽 폭발 영상화를 통해 특정하였다.[59] 네온 다량체 분자는 네온 기체 초음속 제트가 팽창하면서 만들어진다. 네온 이량체의 원자간 평균 거리는 대략 3.3Å이다.[60] 네온 삼량체는 각 변의 길이가 3.3Å인 정삼각형 모양에 가깝게 결합하고 있다. 하지만 삼량체의 모양은 유동적이며 이등변삼각형에 가까운 결합도 종종 볼 수 있다.[61] 네온 삼량체의 1차 들뜬 상태는 바닥 상태보다 대략 2meV 높다. 네온 사량체는 각 변의 길이가 3.2Å인 정사면체 형태를 가지고 있다.[59]

2. 2. 금속 포함 판데르발스 분자

LiNe와 같이 금속을 포함한 판데르발스 분자도 존재한다.[62]

2. 3. 유기 분자 포함 판데르발스 분자

아닐린,[65] 다이메틸 에터,[66] 1,1-디플루오로에틸렌,[67] 피라미딘,[68] 클로로벤젠,[69] 시클로펜타논,[70] 시아노클로뷰테인,[71] 시클로펜타디에닐[72] 등 다양한 유기 분자와 네온이 결합한 판데르발스 분자가 기체 상태에서 관찰된다. CF4Ne, CCl4Ne, Ne2Cl2, Ne3Cl2,[63] I2Ne, I2Ne2, I2Ne3, I2Ne4, I2NexHey (x=1-5, y=1-4)[64] 등도 알려져 있다.

3. 리간드

네온은 전이 금속 화합물에서 리간드로 작용할 수 있다.

3. 1. 전이 금속 카보닐 착물

네온은 Cr(CO)5Ne,[73] Mo(CO)5Ne, W(CO)5Ne와 같이 전이 금속 원자와 리간드 형태로 매우 약하게 결합할 수 있다.[79] NeNiCO의 경우 결합 에너지가 2.16kcal/mol일 것으로 추정된다. Ni-C-O에 네온이 결합하면서 굽힘진동수가 대략 36 cm−1 변화한다.[74][75]

3. 2. 베릴륨 화합물

NeAuF[19] 및 NeBeS[20]는 불활성 기체 매트릭스에서 분리되었다.[21] NeBeCO3는 고체 네온 매트릭스에서 적외선 분광법으로 검출되었으며, 베릴륨 기체, 이산소 및 일산화 탄소로 만들어졌다.[22]

산소와 과량의 비활성 기체 환경에서 레이저로 베릴륨을 증발시켜 고리형 분자인 Be2O2를 만들 수 있다. 비활성 기체 분자 2개를 조정한 후 고체 네온 매트릭스에서 스펙트럼을 측정하여 네온이 함유된 호모렙틱 Ne.Be2O2.Ne 및 헤테로렙틱 Ne.Be2O2.Ar, Ne.Be2O2.Kr을 관측하였다. 네온 원자는 고리형 분자에서 양전하를 띄어 베릴륨과 결합한다.[23]

베릴륨 아황산염(BeO2S) 분자에서도 베릴륨에 네온 원자를 결합시킬 수 있다. 이때 네온의 해리에너지는 0.9kcal/mol이다. 고리형 분자에 네온이 들어가면 ∠O-Be-O 결합 각도는 줄어들고 O-Be 결합 길이는 증가한다.[24]

4. 고체

고압 환경에서 네온은 다른 물질과 함께 고체 화합물을 형성할 수 있다. 초고압 환경에서 판데르발스 고체 (N2)6Ne7가 존재하며,[82] 70K에서 260K 사이 온도에 480MPa의 압력을 가하면 얼음 II에서 네온이 클라스레이트 화합물화되어 "네온 클라스레이트"를 만들 수 있다.[83] 풀러렌 내부에 네온 원자가 갇히거나, C60과 같은 풀러렌과 삽입 화합물을 형성할 수도 있다. 또한, 네온은 금속-유기 골격체, 포름산 철 암모늄, 포름산 니켈 암모늄, TON 제올라이트, 실리카 유리 등에도 흡착되거나 침투될 수 있다.[33][34][35]

4. 1. 판데르발스 고체

초고압 환경에서는 (N₂)₆Ne₇와 같은 판데르발스 고체가 존재한다.[82]

4. 2. 네온 클라스레이트 (포접화합물)

70K에서 260K 사이 온도에 480MPa의 압력을 가할 경우 얼음 II에서 네온이 클라스레이트 화합물화되어 "네온 클라스레이트", "네온 포화물"을 만들 수 있다.[83][26] 네온 클라스레이트는 수소 클라스레이트나 헬륨 클라스레이트와 성질이 비슷할 것으로 추정된다. 여기에는 C0, 얼음 I''h'', 얼음 I''c''이 포함된다.[83][26]

풀러렌 내부에 네온 원자가 갇힐 수 있다. 예를 들어 C70, C60과 같은 풀러렌 내부에 네온 원자가 갇힐 수 있다.

네온은 일부 금속-유기 골격체 화합물 내부에 갇힐 수 있다. NiMOF-74에서 네온은 100 K에서 최대 100 bar의 압력으로 흡수될 수 있으며, 낮은 압력까지 유지되는 히스테리시스를 보인다. 기공은 단위 셀당 6개의 원자를 쉽게 흡수하며, 기공 내에 육각형 배열을 이루고 각 네온 원자는 니켈 원자에 가깝게 위치한다. 일곱 번째 네온 원자는 네온 육각형의 중심에 압력을 가해 넣을 수 있다.[33]

네온은 1.5 GPa에서 포름산 철 암모늄 (NH4Fe(HCOO)3) 및 포름산 니켈 암모늄 (NH4Ni(HCOO)3) 결정에 삽입되어 Ne•NH4Fe(HCOO)3 및 Ne•NH4Ni(HCOO)3을 생성한다. 네온 원자는 다섯 개의 금속 트리포름산염 단위의 케이지에 갇히게 된다. 케이지의 창은 암모늄 이온에 의해 막힌다. 아르곤은 원자 크기가 너무 커서 이 과정을 거치지 못한다.[34]

네온은 압력 하에서 TON 제올라이트에 침투할 수 있다. 각 단위 셀은 600 MPa 미만의 ''Cmc''21 구조에서 최대 12개의 네온 원자를 포함한다. 이는 해당 제올라이트에 삽입될 수 있는 아르곤 원자의 수의 두 배이다. 270 MPa에서 점유율은 약 20%이다. 600 MPa 이상에서 이 네온 침투 상은 ''Pbn''21 구조로 변환되며, 이는 다시 0 압력으로 되돌릴 수 있다. 그러나 압력이 감소하면 모든 네온이 빠져나온다.[35] 네온은 제올라이트가 결정 상태를 유지하도록 하며, 그렇지 않으면 20 GPa의 압력에서 붕괴되어 비정질이 될 것이다.[35]

실리카 유리 또한 압력 하에서 네온을 흡수한다. 4 GPa에서 1nm3당 7개의 네온 원자가 있다.[35]

4. 3. 풀러렌 내 포접

네온 원자는 C60 및 C70과 같은 풀러렌 분자 내부에 갇힐 수 있다.[27] 버크민스터풀러렌을 네온과 함께 압력을 가하여 600 °C로 1시간 동안 3기압으로 가열하면 약 8,500,000개 분자 중 1개가 Ne@C60이 된다.[29] 이때 버키볼 내부의 농도는 주변 가스와 거의 동일하다. Ne@C60은 900 °C로 가열하면 네온이 다시 빠져나온다.[29]

도데카헤드란은 네온 이온 빔을 사용하여 Ne@C20H20을 생성할 수 있다.[30]

동위 원소 22Ne는 탄소질 콘드라이트 운석에서 지구상보다 1,000배 이상 농축되어 있는데, 이는 운석을 가열하면 방출된다.[27] 탄소가 초신성 폭발 후 잔해로부터 응축될 때, 탄소 케이지가 형성되어 나트륨 원자를 우선적으로 가두는데, 이때 풀러렌을 형성하는 것은 네온보다 나트륨을 수십 배 더 자주 가두므로 20Ne@C60보다 Na@C60이 형성된다. 그 후 22Na@C60은 다른 네온 동위 원소 없이 방사성으로 22Ne@C60으로 붕괴된다는 가설이 있다.[28]

4. 4. 풀러렌과의 삽입 화합물

네온은 C60과 같은 풀러렌과 삽입 화합물(또는 합금)을 형성한다. 이 경우 Ne 원자는 공 내부에 있지 않고, 공으로 만들어진 결정의 공간에 채워진다. 압력 하에서 삽입되지만, 표준 조건에서는 불안정하여 24시간 이내에 기체를 방출한다.[31] 그러나 저온에서는 Ne•C60이 안정적이다.[32]

4. 5. 금속-유기 골격체(MOF) 내 흡착

네온은 NiMOF-74와 같은 금속-유기 골격체(MOF)에 흡착될 수 있다. NiMOF-74에서 네온은 100K에서 최대 100bar의 압력으로 흡수될 수 있으며, 낮은 압력까지 유지되는 히스테리시스를 보인다. 기공은 단위 셀당 6개의 원자를 쉽게 흡수하며, 기공 내에 육각형 배열을 이루고 각 네온 원자는 니켈 원자에 가깝게 위치한다. 일곱 번째 네온 원자는 압력을 가해 네온 육각형의 중심에 넣을 수 있다.[33]

네온은 1.5GPa에서 포름산 철 암모늄(NH4Fe(HCOO)3) 및 포름산 니켈 암모늄(NH4Ni(HCOO)3) 결정에 삽입되어 Ne•NH4Fe(HCOO)3 및 Ne•NH4Ni(HCOO)3을 생성한다. 네온 원자는 다섯 개의 금속 트리포름산염 단위의 케이지에 갇히게 된다. 케이지의 창은 암모늄 이온에 의해 막힌다. 아르곤은 원자 크기가 너무 커서 이 과정을 거치지 못한다.[34]

4. 6. 제올라이트 내 침투

네온은 압력 하에서 TON 제올라이트에 침투할 수 있다. 각 단위 셀은 600 MPa 미만의 ''Cmc''21 구조에서 최대 12개의 네온 원자를 포함하는데, 이는 해당 제올라이트에 삽입될 수 있는 아르곤 원자 수의 두 배이다. 270 MPa에서 점유율은 약 20%이다. 600 MPa 이상에서 이 네온 침투 상은 ''Pbn''21 구조로 변환되며, 이는 다시 0 압력으로 되돌릴 수 있다. 그러나 압력이 감소하면 모든 네온이 빠져나온다.[35] 네온은 제올라이트가 결정 상태를 유지하도록 하며, 그렇지 않으면 20 GPa의 압력에서 붕괴되어 비정질이 될 것이다.[35]

4. 7. 실리카 유리에 흡수

실리카 유리는 압력 하에서 네온을 흡수할 수 있다. 4 GPa에서 1nm3당 7개의 네온 원자가 존재한다.[35]

5. 이온

네온은 다양한 이온 화합물을 형성할 수 있다. 네온 이온 화합물은 (m은 1-7까지, n은 1-20까지) 형태로 존재할 수 있다.[84] 금속이 강한 전기장에서 엷은 수소와 네온 기체로 증발할 때 네이드(neides)라고 부르는 이온이 형성된다.[86]

SiF2Ne2+는 질량 분석기 기술을 사용하여 네온과 로부터 만들 수 있다. 는 플루오린과의 결합이 매우 약하며 전자 친화도가 높다.[39]

NeCCH+는 치환된 아세틸렌으로, 5.9kcal/mol만큼 에너지가 안정할 것으로 예측되며, 가장 안정적인 유기 이온 중 하나이다.[40]

2020년에는 분자 음이온 [B12(CN)11Ne]−의 관찰이 보고되었다. [B12(CN)11Ne]−는 최대 50K까지 안정하며 25K의 Ne 응축 온도보다 상당히 높다.[41] 금속 이온은 여러 개의 네온 원자를 끌어당겨 클러스터를 형성할 수 있다.[42]

5. 1. 네온-헬륨 이온 클러스터

(m=1-7, n=1-20) 형태의 이온 클러스터가 존재한다.[84][36] HeNe+ (헬륨 네온화물 양이온)은 비교적 강한 공유 결합을 가지고 있으며, 전하는 두 원자에 걸쳐 분산된다.[85][37]

5. 2. 네이드 (Neide)

금속이 강한 전기장 하에서 엷은 수소와 네온 기체로 증발할 때 네이드(neides)라고 부르는 이온이 형성된다. 관찰된 네이드에는 TiNe+, TiH2Ne+, ZnNe2+, ZrNe2+, NbNe2+, NbHNe2+, MoNe2+, RhNe2+, PdNe+, TaNe3+, WNe2+, WNe3+, ReNe3+, IrNe2+, AuNe+ (불확실)이 있다.[86]

5. 3. 기타 이온 화합물

SiF2Ne2+는 질량 분석기 기술을 사용하여 네온과 SiF32+로부터 만들 수 있다. SiF2Ne2+은 네온에서 실리콘으로의 결합을 가지고 있다. SiF32+는 플루오린과의 결합이 매우 약하며 전자 친화도가 높다.[39]

NeCCH+는 치환된 아세틸렌으로, 5.9kcal/mol만큼 에너지가 안정할 것으로 예측되며, 가장 안정적인 유기 이온 중 하나이다.[40]

네온을 포함하는 분자 음이온은 오랫동안 알려지지 않았다. 2020년에는 분자 음이온 [B12(CN)11Ne]−의 관찰이 보고되었다. 음이온 [B12(CN)11]−의 비어있는 붕소는 매우 친전자성이며 네온을 결합할 수 있다. [B12(CN)11Ne]−는 최대 50,000까지 안정하며 25,000의 Ne 응축 온도보다 상당히 높다. 이 온도는 현저하게 높으며 약한 화학적 상호 작용을 나타낸다.[41]

5. 4. 이온성 클러스터

금속 이온은 여러 개의 네온 원자를 끌어당겨 클러스터를 형성할 수 있다. 구리의 경우, 최대 24개의 네온 원자를 가진 네온화물, Cu+Ne1-24이 알려져 있다.[42] Cu+Ne4와 Cu+Ne12는 다른 수의 네온 원자를 가진 클러스터보다 훨씬 더 많이 존재한다.[42]

Cu+Ne2는 선형일 것으로 예측된다. Cu+Ne3은 Ne-Cu-Ne 각도가 91°인 평면 T자형으로 예측된다. Cu+Ne4는 정사면체가 아닌 정사각형 평면(D4h 대칭)으로 예측되며, 알칼리 금속 및 알칼리 토금속의 M+Ne4 클러스터는 정사면체이다. Cu+Ne5는 사각 피라미드 형태, Cu+Ne6은 심하게 왜곡된 팔면체 형태를 가질 것으로 예측된다. Cu+Ne12는 이코사헤드랄 형태를 갖는다. 그 이상의 네온 원자가 추가되면 안정성이 떨어지며, 추가 네온 원자는 이코사헤드랄 코어 주위에 추가 껍질을 만들어야 한다.[42]

6. 네오늄 (Neonium)

NeH+ 이온은 네오늄이라고 불린다. 네온과 수소 혼합물에 교류 전기 방전을 일으켜 생성할 수 있으며, 네온 분자가 수소 분자보다 36:1로 많을 때 더 많이 생성된다.[43] 쌍극자 모멘트는 3.004 D이다.[43]

네오늄은 또한 들뜬 이수소 양이온이 네온과 반응하여 형성된다: Ne + H2+* → NeH+ + H[44]

20Ne1H+, 20NeD+, 22NeH+, 22NeD+의 원적외선 스펙트럼[43]
전이관측 주파수 (GHz)
J20Ne1H+20NeD+22NeH+22NeD+
1←01 039.255
2←12 076.5732 067.667
3←23 110.0221 647.0263 096.706
4←34 137.6732 193.5494 119.9972 175.551
5←45 157.6072 737.9432 715.512
6←53 279.6793 252.860
7←63 818.2323 787.075
8←74 353.0754 317.643
9←84 883.686



3μm 부근의 적외선 스펙트럼도 측정되었다.[45]

7. 엑시머 (Excimer)

Ne2* 분자는 마이크로 중공 음극을 사용하는 엑시머 램프에서 여기 상태로 존재한다. 이 분자는 83 nm에서 피크를 가지며 75~90 nm 사이의 진공 자외선에서 강하게 방출된다. 이러한 짧은 파장을 투과할 수 있는 창 재료가 없다는 문제가 있어 진공 상태에서 사용해야 한다. 수소 가스를 1000분의 1 정도 포함하면 Ne2* 에너지의 대부분이 수소 원자로 전달되어 121.567 nm에서 강한 단색 라이먼 알파 방출이 발생한다.[46]

세슘은 네온과 CsNe* 엑시머 분자를 형성할 수 있다.[47]

수소-네온 엑시머가 존재하는 것으로 알려져 있다. 묄러(Möller)는 NeH*의 리드베리 분자에서 결합 자유 전이에 의한 형광을 관찰했다. NeH는 준안정 상태이며, NeH+ 이온을 중화시킨 다음 재이온화하는 질량 분석법으로 그 존재가 증명되었다.[48] NeH의 스펙트럼에는 1.81, 1.60, 1.46 eV에서 선이 포함되어 있으며, 1.57 eV에서 작은 띠가 있다.[49] NeH의 결합 길이는 1.003 Å로 계산된다.[48]

헬륨과 네온 혼합 플라즈마에서 헬륨-네온 엑시머를 찾을 수 있다.[50]

Ne2+O-는 11.65 eV 부근에서 발광하고, Ne2+F-는 10.16–10.37 eV 및 8.55 eV 부근에서 발광하는 것을 포함하여 고체 네온에서 다른 엑시머를 찾을 수 있다.[51]

8. 예측되는 화합물

베릴륨 산화물(BeO)의 불활성 기체 부가물인 ArBeO나 HeBeO와 유사하게, NeBeO도 존재할 것으로 추정되나 결합 해리 에너지가 9 kJ/mol로 매우 낮다.[87] 베릴륨의 쌍극자로 네온이 양전하로 유도되어 네온과 마주하는 베릴륨의 σ 궤도 공극으로 결합이 강하게 이뤄질 것으로 추정된다.[87]

9. 광물

보키의 광물 결정화학 분류에는 "네온 화합물"이 82형으로 포함되어 있지만, 그러한 광물은 아직 알려진 바가 없다.[52]

참조

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