동소체

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1. 개요
2. 역사
3. 동소체의 성질
4. 동소체의 종류
5. 나노동소체
참조

1. 개요

동소체는 동일한 원소로 구성되지만, 원자 배열이나 결합 방식이 달라 물리적, 화학적 성질이 다른 물질을 의미한다. 이 용어는 1840년 베르셀리우스에 의해 처음 제안되었으며, 외부 요인에 의해 동소체 간의 변화가 유발된다. 동소체는 비금속 원소와 준금속 원소에서 두드러지게 나타나며, 금속 원소에서도 발견된다. 탄소의 다이아몬드와 흑연, 산소의 산소와 오존 등이 대표적인 예시이다. 최근에는 나노 규모에서 구조가 다른 나노동소체 개념도 제안되었다.

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동소체
종류
예시	산소 (O2)와 오존 (O3) 다이아몬드와 흑연 황
관련 개념
동소체와 혼동 금지	이성질체 동위 원소
관련 개념	동소 현상
역사
어원	그리스어 "ἄλλος" (allos, 다른) + "τρόπος" (tropos, 방식, 형태)

2. 역사

동소체의 개념은 1840년 스웨덴 과학자 옌스 야코브 베르셀리우스(1779~1848)에 의해 처음 제안되었다.^[2]^[3] 이 용어는 그리스어 'άλλοτροπἱα' (allotropia)에서 유래되었으며, 변화성, 가변성을 의미한다.^[4] 1860년 아보가드로 가설이 받아들여진 후, 원소는 다원자 분자로 존재할 수 있다는 것이 이해되었고, 산소의 두 가지 동소체(O₂와 O₃)가 인식되었다.^[3] 20세기 초에는 탄소와 같은 다른 경우는 결정 구조의 차이 때문이라는 것이 인식되었다.

1912년, 빌헬름 오스트발트는 원소의 동소체 현상이 화합물에 대해 알려진 다형성(polymorphism) 현상의 특수한 경우일 뿐이며, 동소체(allotrope)와 동소체 현상(allotropy)이라는 용어를 버리고 다형체(polymorph)와 다형성(polymorphism)으로 대체할 것을 제안했다.^[5]^[3] 많은 다른 화학자들이 이러한 조언을 반복했지만, IUPAC과 대부분의 화학 교재는 여전히 원소에 대해서만 동소체(allotrope)와 동소체 현상(allotropy) 용어를 선호한다.^[6]

3. 동소체의 성질

동소체는 같은 원소로 이루어져 있지만, 원자들이 배열되는 방식이나 결합 구조가 달라 서로 다른 물리적, 화학적 성질을 갖는 물질들을 말한다. 이러한 동소체 형태 간의 변화는 압력, 빛, 온도와 같은 외부 요인에 의해 일어난다. 따라서 특정 동소체의 안정성은 특정 조건에 따라 달라진다. 예를 들어, 철은 906 °C 이상에서 체심입방 구조(페라이트)에서 면심입방 구조(오스테나이트)로 변하고, 주석은 13.2°C 이하에서 금속 형태에서 반금속 형태로 변하는 주석 재로 알려진 변형을 겪는다. 산소의 동소체인 오존(O₃)은 산소(O₂)보다 훨씬 강력한 산화제로 작용하는 것처럼, 동소체는 서로 다른 화학적 거동을 보이기도 한다.^[23]^[24]

일반적으로, 배위수와 산화수가 다양하고, 연쇄(catenation)하기 쉬운 원소일수록 동소체를 많이 갖는 경향이 있다. 동소체는 할로겐과 비활성 기체를 제외한 비금속 원소와 준금속 원소에서 주로 나타나지만, 금속 원소도 많은 동소체를 갖는다.

4. 동소체의 종류

탄소, 산소, 인, 황 등은 잘 알려진 동소체들이다.

'''탄소:''' 흑연, 다이아몬드, 풀러렌, 탄소 나노튜브, 그래핀 등
'''산소:''' 산소(O₂), 오존(O₃), 사산소(O₄)
'''인:''' 백린, 적린, 흑린, 황린
'''황:''' 단사황, 사방황, 고무상황

일반적으로 다양한 배위수 및/또는 산화 상태를 가질 수 있는 원소는 더 많은 동소체 형태를 나타내는 경향이 있다. 또 다른 요인은 원소의 연쇄 작용 능력이다.^[7]

4. 1. 비금속 원소

다음은 비금속 원소의 동소체들이다.

원소	동소체
탄소
질소
인
산소
황
셀레늄
수소의 스핀 이성질체
붕소

4. 2. 준금속 원소

원소	동소체
게르마늄
비소
안티몬
텔루륨

4. 3. 금속 원소

자연계에 상당량 존재하는 금속 원소 중 거의 절반(27개)이 상온 상압에서 동소체를 형성한다. 리튬, 베릴륨, 나트륨, 칼슘, 스트론튬, 티타늄, 망간, 철, 코발트, 이트륨, 지르코늄, 주석, 란타넘, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 사마륨, 가돌리늄, 터븀, 디스프로슘, 이테르븀, 하프늄, 탈륨, 폴로늄, 토륨, 프로트악티늄, 우라늄 등이 그 예이다.^[10]

원소	상 이름	공간군	피어슨 기호	구조형	설명
리튬	Rm	α-Sm	[10]
	β-Li	Imm	cI2	W	상온 상압에서 안정적임.
	Fmm	cF4	Cu	7GPa 이상에서 형성됨
	Rm	hR1	α-Hg	약 40GPa에서 형성되는 중간상.^[11]
	I3d	cI16		40GPa 이상에서 형성됨.^[11]
		oC88		60~70 GPa 사이에서 형성됨.^[12]
		oC40		70~95 GPa 사이에서 형성됨.^[12]
		oC24		95 GPa 이상에서 형성됨.^[12]
베릴륨	P6₃/mmc	Mg		β-Be	Imm	cI2	W	1255 °C 이상에서 형성됨.
베릴륨	나트륨	Rm	α-Sm		β-Na	Imm	cI2	W	상온 상압에서 안정적임.
Fmm		cF4	Cu	65 GPa 이상의 상온에서 형성됨.^[13]
I3d		cI16		108GPa의 상온에서 형성됨.^[14]
Pnma		oP8	MnP	119GPa의 상온에서 형성됨.^[15]
		tI19*		125~180 GPa 사이에서 형성되는 호스트-게스트 구조.^[12]
		hP4		180 GPa 이상에서 형성됨.^[12]
칼륨		style="background:lightgreen;\|	cI2	W			Fmm	cF4	Cu	11.7 GPa 이상에서 형성됨.^[12]
칼륨	철	Imm	체심입방	강자성, T=770–912 °C에서는 상자성.
γ-철, 오스테나이트		Fmm	cF4	면심입방	912~1,394 °C에서 안정적임.
δ-철		Imm	cI2	체심입방	1,394~1,538 °C에서 안정적임. α-Fe와 같은 구조임.
ε-철, 육철		P6₃/mmc	hP2	육방밀집	고압에서 안정적임.
코발트^[17]		style="background:lightgreen;\|	450 °C 이하에서 형성됨.
	β-코발트			면심입방	450 °C 이상에서 형성됨.
	ε-코발트	P4₁32		단순 입방	[Co₂CO₈]의 열분해에서 형성됨. 나노 동소체임.
주석	Fdm	d-C		β-주석, 백색 주석	I4₁/amd	tI4	β-Sn	상온 상압에서 안정적임.
	γ-주석, 사방주석	I4/mmm	tI2	In	10 GPa 이상에서 형성됨.^[18]
	γ'-Sn	Immm	oI2	MoPt₂	30 GPa 이상에서 형성됨.^[18]
	σ-Sn, γ"-Sn	Imm	cI2	W	41 GPa 이상에서 형성됨.^[18] 매우 고압에서 형성됨.^[19]
	δ-Sn	P6₃/mmc	hP2	Mg	157 GPa 이상에서 형성됨.^[18]
	폴로늄		style="background:lightgreen;\|
	폴로늄	β-폴로늄			삼방정계

표준 조건에서 가장 안정적인 구조.

상온 이하에서 안정적인 구조.

상온 이상에서 안정적인 구조.

대기압 이상에서 안정적인 구조.

세륨, 사마륨, 디스프로슘 및 이터븀은 세 가지 동소체를 갖는다.
프라세오디뮴, 네오디뮴, 가돌리늄 및 테르븀은 두 가지 동소체를 갖는다.
플루토늄은 "일반적인" 압력 하에서 여섯 가지의 구별되는 고체 동소체를 가지며, 매우 높은 압력에서는 일곱 번째 동소체가 존재한다.
프로메튬, 아메리슘, 버클륨 및 캘리포늄은 각각 세 가지 동소체를 갖는다.^[20]

티타늄은 882 °C에서 육방최밀충진구조(α-티타늄)에서 체심입방구조(β-티타늄)로 전이한다.

주석의 동소체는 다음과 같다.

회색 주석(α-주석): 면심입방격자구조를 가지며, β-주석으로부터의 전이점은 13.2 ℃이다.
백색 주석(β-주석): 상온에서의 형태이며, 금속적이며 전성이 풍부하다.
사방 주석(γ-주석): 161 ℃ 이상에서 존재한다.
σ-주석: 고압 하에서만 존재한다.

저온에서 β-주석에서 α-주석으로의 전이는 주석페스트로 알려져 있다.

철의 동소체는 다음과 같다.

페라이트(α철): 911 ℃ 이하의 온도 영역의 상이며, 체심입방격자구조를 갖는다. 770 ℃까지는 강자성체이며, 770 ℃를 넘으면 상자성체로 변한다. 이 온도는 철의 퀴리 온도라고 불린다.
베타철: 과거 770 ℃ - 911 ℃의 온도 영역에 존재하는 것으로 여겨졌던 철의 상이나, 현재는 α철로 통합되어 있다.
오스테나이트(γ철): 911 ℃ - 1392 ℃의 온도 영역의 상이며, 면심입방격자구조를 갖는다.
델타페라이트(δ철): 1392 ℃ - 1536 ℃(녹는점)의 온도 영역의 상이며, 체심입방격자구조를 갖는다.

5. 나노동소체

2017년에 나노동소체(nanoallotropy) 개념이 제안되었다.^[21] 나노동소체 또는 나노물질의 동소체는 같은 화학적 조성(예: Au)을 가지지만 나노 스케일(개별 원자 크기의 10배에서 100배 정도)에서 구조가 다른 나노 다공성 물질이다.^[22] 이러한 나노동소체는 초소형 전자 장치를 만드는 데 도움이 되고 다른 산업적 응용 분야에서도 사용될 수 있다.^[22] 서로 다른 나노 스케일 구조는 서로 다른 특성으로 이어지는데, 이는 여러 가지 금 나노동소체에서 수행된 표면 증강 라만 산란(surface-enhanced Raman scattering)에서 입증되었다.^[21] 나노동소체를 생성하는 2단계 방법도 개발되었다.^[22]

참조

_[1] GoldBook Allotrope 2015-08-11
_[2] Book Årsberättelse om Framstegen i Fysik och Kemi afgifven den 31 Mars 1840. Första delen. https://babel.hathit[...] P.A. Norstedt & Söner 1841
_[2] Journal Jahres-Bericht über die Fortschritte der physischen Wissenschaften https://babel.hathit[...] Laupp'schen Buchhandlung 1841
_[2] 웹사이트 Allotropy https://www.merriam-[...]
_[3] Journal The Origin of the Term Allotrope
_[4] Book A New English Dictionary on Historical Principles Oxford University Press
_[5] Book Outlines of General Chemistry https://books.google[...] Macmillan and Co., Ltd. 1912
_[6] 문서 The Allotropy of the Elements Elsevier
_[7] 웹사이트 Werner Heisenberg – Facts https://www.nobelpri[...]
_[8] 웹사이트 Meet Q-silicon, a new magnetic material for spintronic quantum computers https://newatlas.com[...] 2023-07-04
_[9] Book Advanced Inorganic Chemistry Vol-1 https://books.google[...] Krishna Prakashan 2017-01-06
_[10] Journal Crystal Structure of Lithium at 4.2 K American Physical Society (APS) 1984-07-02
_[11] Journal New high-pressure phases of lithium Springer Science and Business Media LLC
_[12] Journal Potassium under pressure: Electronic origin of complex structures 2014
_[13] Journal Sodium under pressure: bcc to fcc structural transition and pressure-volume relation to 100 GPa American Physical Society (APS) 2002-05-13
_[14] Journal Structure of sodium above 100 GPa by single-crystal x-ray diffraction 2007-10-18
_[15] Journal Structural Diversity of Sodium American Association for the Advancement of Science (AAAS) 2008-05-23
_[16] Journal High-pressure structural phase transition in Mg American Physical Society (APS) 1985-04-01
_[17] Journal Electronic and magnetic structure of bulk cobalt: The α, β, and ε-phases from density functional theory calculations 2010-07-08
_[18] Journal Tin (Sn) at high pressure: Review, X-ray diffraction, DFT calculations, and Gibbs energy modeling 2022
_[19] Journal Thermodynamic Potentials, Diagram of State, and Phase Transitions of Tin on Shock Compression
_[20] Journal Delocalisation of 5f electrons in curium metal under high pressure
_[21] Journal Tunable porous nanoallotropes prepared by post-assembly etching of binary nanoparticle superlattices 2017-10-27
_[22] 웹사이트 Materials That Don't Exist in Nature Might Lead to New Fabrication Techniques http://israelbds.org[...] 2017-12-08
_[23] Book 化学の教科書内田老鶴圃
_[24] Journal The Origin of the Term Allotrope
_[25] 웹사이트 http://www.iop.org/E[...]

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