준금속

3. 주기율표에서의 위치

금속과 비금속을 구분하는 경계선의 개념은 적어도 1869년 이전의 문헌에서 기술되어 있다.^[797] 1891년, 워커는 금속과 비금속의 경계로 주기율표에 사선을 그어 "도표화"한 것을 발표했다.^[798] 1906년, 알렉산더 스미스는 그의 매우 영향력 있는^[799] 교과서 ''Introduction to General Inorganic Chemistry''에서 비금속을 나머지 원소와 분리하는 지그재그 선을 주기율표에 포함시켰다.^[800]

1923년, 미국의 화학자인 호러스 그로브스 데밍은 그의 저서 ''General Chemistry: An elementary survey''에서 금속과 비금속을 분리하는 계단형 선을 단주기율표(멘델레예프의 주기율표)와 각 족을 18열로 나열한 일반적인 주기율표 각각에 포함시켰다.^[801] 1928년, 머크는 당시 미국 학교에서 널리 보급되었던 데밍의 18열 주기율표 배포를 준비했고, 1930년대까지는 데밍의 주기율표가 화학 핸드북과 백과사전에 실리게 되었다. 그것은 또한 사전트 웰치 사에 의해 오랫동안 배포되었다.^{[802][803][804]}

일부 저자들은 금속과 비금속의 경계선에 접해 있는 원소를 준금속으로 분류하지 않고, 대신 예를 들어 경계선 왼쪽에 접한 원소는 ''약간의 비금속적 성질을 보이는'', 반대로 오른쪽에 접한 원소는 ''약간의 금속적 성질을 보이는'' 등으로 주석을 달았다.^[780] 이러한 짝을 이룬 분류는 금속과 비금속 사이의 결합 종류를 결정하기 위한 간단한 규칙을 확립하기 쉽게 할 수 있다.^[548] 다른 저자들은 일부 원소를 준금속으로 분류하는 것이 ''준금속은 주기율표상의 경계선에서 갑자기 하나로 변하는 것이 아니라, 그 성질이 점진적으로 변해간다는 것을 강조한다''는 점을 제시했다.^[805] 때때로 금속과 비금속 사이의 경계선은 금속과 준금속, 그리고 준금속과 비금속을 각각 나누는 두 개의 경계선으로 간주되기도 한다.^[805][806]

일부 주기율표에서는 금속과 비금속의 형식적인 경계선이 없더라도 준금속 원소를 구분한다. 이 경우 경계선 대신 왼쪽 위에서 오른쪽 아래로 이어지는 사선 띠 또는 넓은 영역^[807]과 같이 나타내며, 그것은 비소 주변에 집중되어 있다. 멘델레예프는 ''금속과 비금속 사이에 명확한 경계를 긋는 것은 불가능하며, 그 사이에는 여러 가지 중간적인 물질이 존재한다''는 견해를 제시했다.^[808] 몇몇 다른 출처는 경계선의 혼란이나 모호성을 주목하고^[809][810], 외관상 불확정적임을 시사하고^[811], 그 타당성에 대한 반론의 근거를 제시하고^[548], 그리고 그것이 오해를 불러일으키고, 논쟁이 되거나, 또는 대략적인 성질로서의 논평이 이루어졌다.^{[559][812][813]} 데밍 자신도 이 경계선을 정확하게 그을 수 없다는 점을 주목했다.^[814]

4. 성질

준금속은 금속과 비금속의 성질을 모두 가지거나, 그 중간 성질을 가지고 있어 명확하게 분류하기 어려운 원소이다.

붕소(B), 규소(Si), 게르마늄(Ge), 비소(As), 안티몬(Sb), 텔루르(Te)는 일반적으로 준금속으로 인정된다.^[14] 셀레늄(Se), 폴로늄(Po), 아스타틴(At)도 종종 준금속으로 분류된다.^[15]

4. 1. 금속 및 비금속과의 비교

준금속은 일반적으로 금속처럼 보이지만, 물리적, 화학적 성질은 금속과 비금속 사이의 중간적인 특징을 보인다. 예를 들어, 준금속은 부서지기 쉽고, 전기 전도도는 중간 정도이며, 화학적으로는 약한 비금속처럼 행동한다.

5. 응용

준금속은 순수한 형태로는 너무 부서지기 쉬워 구조적인 용도로 사용하기 어렵다.^[102] 그러나 준금속과 그 화합물은 합금, 생물학적 작용제 (독성학적, 영양학적, 의학적), 촉매, 난연제, 유리 (산화물 및 금속), 광학 저장 매체 및 광전자, 화약, 반도체 및 전자 제품에 사용된다.

• 붕소는 살충제^[117]와 제초제^[118]에 사용된다. 필수 미량 원소이다.^[119] 붕산으로서 소독제, 항진균제 및 항바이러스제 특성을 지닌다.^[120]
• 규소는 고독성 설치류 살상제인 실라트란에 존재한다.^[121] 장기간 이산화규소 먼지를 흡입하면 폐의 치명적인 질병인 규폐증이 발생한다. 규소는 필수 미량 원소이다.^[119] 실리콘 젤은 심한 화상 환자에게 흉터 감소를 위해 사용될 수 있다.^[122]
• 게르마늄 염은 장기간 섭취하면 인체와 동물에 해로울 수 있다.^[123] 게르마늄 화합물의 약리 작용에 대한 관심이 있지만 아직 허가된 의약품은 없다.^[124]
• 비소는 악명 높은 독약이며, 극미량으로는 필수 원소일 수도 있다.^[125] 제1차 세계 대전 당시 양측은 "비소 기반의 재채기와 구토 유발제…를 사용하여 적군 병사들이 가스 마스크를 벗도록 강제한 다음 겨자 가스 또는 포스겐을 두 번째 일제 사격으로 발사했다."^[126] 고대부터 매독 치료를 포함하여 약제로 사용되어 왔으며, 항생제 개발 이전에 사용되었다.^[127] 비소는 또한 인간 아프리카 트리파노소마증 또는 수면병 치료에 사용되는 의약품인 멜라르소프롤의 구성 요소이다. 2003년, 삼산화비소 (상표명 트리세녹스)는 혈액과 골수암인 급성 골수성 백혈병 치료제로 재도입되었다.^[127] 음용수 중 비소는 폐암과 방광암을 유발하지만 유방암 사망률 감소와 관련이 있다.^[128]
• 금속성 안티몬은 비교적 독성이 없지만 대부분의 안티몬 화합물은 독성이 있다.^[129] 두 가지 안티몬 화합물인 스티보글루콘산나트륨과 스티보펜은 구충제로 사용된다.^[130]
• 원소 텔루륨은 특별히 독성이 있는 것으로 간주되지 않지만, 텔루르산나트륨 2g을 투여하면 치명적일 수 있다.^[131] 소량의 공기 중 텔루륨에 노출된 사람들은 고약하고 지속적인 마늘 냄새를 풍긴다.^[132] 이산화텔루륨은 지루성 피부염 치료에 사용되었고, 다른 텔루륨 화합물은 항생제 개발 이전에 항균제로 사용되었다.^[133] 앞으로는 세균 내성으로 인해 효과가 없어진 항생제를 대체하기 위해 이러한 화합물이 필요할 수 있다.^[134]

6. 준금속으로 흔히 인정되는 원소

붕소, 규소, 게르마늄, 비소, 안티몬, 텔루르는 일반적으로 준금속으로 인정된다.^[14] 저자에 따라 셀레늄, 폴로늄, 또는 아스타틴 중 하나 이상이 때때로 목록에 추가된다.^[15] 붕소는 때때로 단독으로 또는 규소와 함께 제외된다.^[16] 때때로 텔루르는 준금속으로 간주되지 않는다.^[17] 안티몬, 폴로늄, 그리고 아스타틴을 준금속으로 포함하는 것에 대해 의문이 제기되었다.^[18]

다른 원소들이 때때로 준금속으로 분류된다. 이러한 원소에는^[19] 수소,^[20] 베릴륨,^[21] 질소,^[22] 인,^[23] 황,^[24] 아연,^[25] 갈륨,^[26] 주석, 아이오딘,^[27] 납,^[28] 비스무트,^[17] 그리고 라돈^[29]이 포함된다. 준금속이라는 용어는 금속 광택과 전기 전도도를 나타내고 양쪽성인 원소, 예를 들어 비소, 안티몬, 바나듐, 크롬, 몰리브데넘, 텅스텐, 주석, 납, 그리고 알루미늄에도 사용되었다.^[30] p-블록 금속,^[31] 그리고 금속과 합금을 형성하거나^[32] 그 성질을 변화시킬 수 있는 비금속(탄소 또는 질소와 같은)^[33]도 때때로 준금속으로 간주되었다.

준금속에 대한 널리 받아들여지는 정의나 주기율표를 금속, 준금속, 그리고 비금속으로 나누는 방법은 존재하지 않는다.^[36] Hawkes^[37]는 여러 시도에서 이상 현상을 발견하면서 특정 정의를 설정하는 것이 가능한지에 의문을 제기했다. Sharp^[38]는 어떤 원소를 준금속으로 분류하는 것을 "임의적"이라고 설명했다.

준금속의 수와 종류는 어떤 분류 기준을 사용하는지에 따라 달라진다. Emsley^[39]는 4가지 준금속(게르마늄, 비소, 안티몬, 텔루륨)을 인정했다. James 외.^[40]는 12가지(Emsley의 것들과 붕소, 탄소, 규소, 셀레늄, 비스무트, 폴로늄, 모스코븀, 리버모륨을 포함)를 열거했다. 평균적으로 이러한 목록에는 7개의 원소가 포함된다. 개별적인 분류 방식은 공통점을 공유하고 애매하게 정의된^[41] 경계에서 다릅니다.

전기음성도와 같은 단일 정량적 기준이 일반적으로 사용되는데,^[44] 준금속의 전기음성도 값은 1.8 또는 1.9에서 2.2까지이다.^[45] 다른 예로는 충진 효율(결정 구조에서 원자가 차지하는 부피의 비율)과 Goldhammer–Herzfeld 기준 비율이 있다.^[46] 일반적으로 인식되는 준금속의 충진 효율은 34%에서 41% 사이이다. 원자 반지름의 세제곱을 몰 부피로 나눈 값과 거의 같은 Goldhammer–Herzfeld 비율은^[54] 원소의 금속성을 측정하는 간단한 방법이며, 인식된 준금속의 비율은 약 0.85에서 1.1이며 평균 1.0이다.^[56]

다른 저자들은 예를 들어 원자 전도도^[60] 또는 벌크 배위수에 의존했다.^[61]

과학에서 분류의 역할에 대해 논문을 쓴 Jones는 "[계급]은 일반적으로 두 개 이상의 속성으로 정의된다"고 언급했다.^[62] Masterton과 Slowinski^[63]는 일반적으로 준금속으로 인식되는 6가지 원소를 설명하기 위해 세 가지 기준을 사용했다. 준금속은 약 200 kcal/mol(837 kJ/mol)의 이온화 에너지와 약 2.0에 가까운 전기음성도 값을 가집니다. 또한 그들은 준금속은 일반적으로 반도체이지만, 안티몬과 비소(물리적 관점에서 준금속)는 금속에 가까운 전기 전도도를 가진다고 말했다. 셀레늄과 폴로늄은 이 체계에 포함되지 않는 것으로 의심되며, 아스타틴의 상태는 불확실하다.

이러한 맥락에서 Vernon은 준금속을 표준 상태에서 (a) 반도체 또는 준금속의 전자 띠 구조, (b) 중간 제1 이온화 포텐셜("(예: 750~1,000 kJ/mol)"), (c) 중간 전기음성도(1.9~2.2)를 갖는 화학 원소로 제안했다.^[66]

준금속은 금속과 비금속의 경계선 양쪽에 위치한다.

7. 준금속으로 덜 인정되는 원소

• 붕소(B)
• 규소(Si)
• 게르마늄(Ge)
• 비소(As)
• 안티몬(Sb)
• 텔루르(Te)

• 금속 광택과 전기 전도성을 가진 양쪽성 원소 (예: 비소, 안티몬, 바나듐, 크로뮴, 몰리브데넘, 텅스텐, 주석, 납, 알루미늄)^[688]
• 종종 비금속으로 여겨지는 원소^[689]
• 금속과 합금을 형성하거나,^{[690][691][692]} 금속에 섞어 성질을 변화시킬 수 있는^[693] 비금속 원소 (예: 질소, 탄소)

8. 관련 개념

준금속(Metalloid)은 금속과 비금속의 중간 성질을 가지며, 이들을 명확하게 분류하기 어려운 원소들을 지칭한다.

대부분의 원소는 금속과 비금속의 성질을 모두 가지며, 어떤 성질이 더 두드러지는지에 따라 분류된다.^[8],^[9]

붕소, 규소, 게르마늄, 비소, 안티몬, 텔루르는 일반적으로 준금속으로 분류된다.^[14] 셀레늄, 폴로늄, 아스타틴 등이 추가되기도 하지만,^[15] 붕소, 규소,^[16] 텔루르는^[17] 준금속으로 간주되지 않는 경우도 있으며, 안티몬, 폴로늄, 아스타틴의 포함 여부도 논란의 대상이다.^[18]

수소, 베릴륨,^[21] 질소,^[22] 인,^[23] 황,^[24] 아연,^[25] 갈륨,^[26] 주석, 아이오딘,^[27] 납,^[28] 비스무트,^[17] 라돈^[29] 등도 준금속으로 분류되기도 한다.^[19]

준금속이라는 용어는 금속 광택과 전기 전도도를 나타내고 양쪽성인 원소 (예: 비소, 안티몬, 바나듐, 크롬, 몰리브데넘, 텅스텐, 주석, 납, 알루미늄)^[30], p-블록 금속,^[31] 금속과 합금을 형성하거나^[32] 성질을 변화시킬 수 있는 비금속(탄소, 질소 등)^[33]에게도 사용된다.

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주기율표의 1~2족과 12~18족을 보여주는 발췌본과 금속과 비금속 사이의 경계선. 백분율은 준금속 목록 목록에 나오는 중간 출현 빈도. 산발적으로 인식되는 원소는 준금속의 범위가 때때로 매우 넓게 설정됨을 보여줌. 준금속 목록 목록에는 나와 있지 않지만, 준금속으로 지정하는 것에 대한 개별적인 언급은 문헌에서 찾아볼 수 있음(본 문서에서 인용됨).

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준금속은 주기율표에서 금속과 비금속의 경계선 양쪽에 위치한다. 경계선 아래의 원소들은 금속성이 강해지고, 위의 원소들은 비금속성이 강해진다.^[426] 일반적인 계단 형태에서, 각 주기에서 가장 높은 임계 온도를 갖는 원소들(Li, Be, Al, Ge, Sb, Po)이 경계선 바로 아래에 위치한다.^[67]

준금속의 대각선 배열은 유사한 성질을 가진 원소들이 수직 족에 위치하는 경향의 예외이다.^[68] 리튬-마그네슘, 베릴륨-알루미늄, 붕소-규소 사이의 대각선 유사성도 이와 관련이 있다.^[69] 이러한 현상은 핵전하의 경쟁적인 수평 및 수직 경향 때문에 발생한다. 주기를 따라 이동하면 핵전하가 증가하고, 원자 크기는 작아지며, 이온화 에너지는 증가하여 금속에서 비금속으로 점진적인 성질 변화가 나타난다.^[70] 주족을 따라 내려가면 핵전하의 효과가 상쇄되어 원자 크기가 커지고, 이온화 에너지는 감소하며, 금속성이 증가한다.^[71] 결과적으로 금속-비금속 전이 영역의 위치는 족을 따라 내려갈수록 오른쪽으로 이동한다.^[68],^[72]

금속과 비금속 경계에 있는 원소들이 항상 준금속으로 분류되는 것은 아니며, 이진 분류가 결합 유형 결정 규칙을 설정하는 데 용이할 수 있다.^[73] 저자들은 경계적인 특성을 고려하기보다 하나 이상의 속성에 초점을 맞춰 분류를 결정하며, 이는 명시되지 않거나 임의적일 수 있다.^[38] 준금속은 금속,^[74] 비금속,^[75] 비금속의 하위 범주^[76] 등으로 분류될 수 있다. 일부 주기율표는 준금속을 구분하고 금속과 비금속 사이에 공식적인 구분선을 표시하지 않으며, 준금속은 대각선 띠^[79] 또는 확산 영역^[80]에 나타나는 것으로 표시된다. 중요한 것은 분류 체계의 맥락을 설명하는 것이다.^[78]

띠 이론에서 '''준금속'''(Semi-metal, 이하 본 절에서는 '''세미메탈'''이라 함)은 페르미 준위가 원자가띠의 최상부와 전도띠의 최하부를 가로지르는 상태(원자가띠와 전도띠가 약간 겹쳐 있는 상태), 또는 그 상태를 나타내는 물질이다. 이 경우, 원자가띠 최상부에는 정공이 생기고, 전도띠 최하부는 전자가 점유하고 있다.^[869] 금속보다 전기 전도도(전기 전도율)가 낮다. 세미메탈로는 흑연, 비소, 안티몬, 비스무트 등이 있다.^[870]

온도와 전기 전도도의 관계는 금속과 같이 온도가 내려갈수록 전기 전도도가 좋아진다(전기 전도도가 증가한다). 세미메탈의 특징으로는 캐리어가 적다,^[871] 유효 질량이 작다,^[872] 반자성 자화율^[873]이나 유전율이 크다^[874]는 등이 있다.

참고로, 반금속이라는 용어는 여기서 설명한 세미메탈과는 다른 개념이다.

8. 1. 준금속에 가까운 원소

• 붕소(B)
• 규소(Si)
• 게르마늄(Ge)
• 비소(As)
• 안티몬(Sb)
• 텔루르(Te)

• 1935년, 페르넬리우스와 로비는 탄소, 인, 셀레늄, 요오드를 붕소, 규소, 비소, 안티몬, 텔루르, 폴로늄, 그리고 당시 미발견이었던 원자 번호 85번 원소(1940년에 아스타틴으로 명명됨)와 함께 원소의 중간적인 분류에 포함시켰다.^[694] (게르마늄은 당시 전도성이 낮은 금속으로 여겨져 제외^[695])
• 1954년, 사보와 라카토슈는 베릴륨과 알루미늄을 붕소, 규소, 게르마늄, 비소, 안티몬, 텔루르, 폴로늄, 아스타틴과 함께 준금속 목록에 포함시켰다.^[696]
• 1957년, 샌더슨은 탄소, 인, 셀레늄, 요오드를 붕소, 규소, 비소, 텔루르, 아스타틴과 함께 '특정 금속적 특성'을 가진 원소의 중간적인 분류의 일부로 포함시켰고, 게르마늄, 안티몬, 폴로늄은 금속으로 분류했다.^[697]
• 2007년, 페티는 탄소, 인, 셀레늄, 주석, 비스무트를 붕소, 규소, 게르마늄, 비소, 안티몬, 텔루르, 폴로늄, 아스타틴과 함께 준금속 목록에 포함시켰다.^[701]

8. 2. 동소체

9. 존재비, 추출 및 비용

지각에 존재하는 준금속의 양은 적은 편이다. 일반적으로 인정되는 준금속들은 산화물 또는 황화물의 화학적 환원을 통해 얻을 수 있으며, 추출 방법은 출발 물질과 경제적 요인에 따라 간단하거나 복잡할 수 있다.^[522] 덜 알려진 준금속들은 자연 처리, 전기 분해, 화학적 환원, 또는 조사를 통해 생산된다. 대부분의 준금속과 그 인접 원소들은 은보다 저렴하며, 강한 방사능을 가진 폴로늄과 아스타틴만이 금보다 비싸다.

9. 1. 존재비

이 표에서 알 수 있듯이, 규소는 지각 내에서 가장 풍부한 준금속이며, 붕소, 비소, 게르마늄, 안티모니, 텔루륨 순으로 존재량이 적어진다.

9. 2. 추출

• '''붕소'''는 삼산화물을 마그네슘으로 환원시켜 얻는다.

• '''실리콘'''과 '''저마늄'''은 산화물을 탄소 또는 수소로 가열하여 얻는다.

• '''비소'''는 가열하여 황철석(FeAsS) 또는 비소 황철석(FeAs₂)에서 분리하거나, 산화물을 탄소로 환원시켜 얻을 수 있다.^[524]

• '''안티모니'''는 황화물을 철로 환원시켜 얻는다.

• '''텔루륨'''은 산화물을 수용성 NaOH에 용해시켜 텔루르산염을 생성한 다음 전기분해 환원하여 제조한다.^[525]

• '''탄소''' (흑연)는 자연적으로 발생하며, 모암을 으깨고 가벼운 흑연을 표면에 띄워 추출한다.
• '''알루미늄'''은 산화물(Al₂O₃)을 용융된 빙정석(Na₃AlF₆)에 용해한 후 고온 전기 분해 환원으로 추출한다.
• '''셀레늄'''은 주화금속 셀렌화물 X₂Se (X = Cu, Ag, Au)를 소다회로 로스팅하여 셀렌산염을 생성하여 생산한다.

• '''폴로늄'''과 '''아스타틴'''은 비스무트를 조사하여 미량으로 생산된다.^[528]

9. 3. 비용

10. 역사

준금속(metalloid)이라는 용어의 기원과 용례는 복잡하다. 1864년에 출판된 "준금속 매뉴얼(Manual of Metalloids)"은 모든 원소를 금속 또는 준금속으로 분류했다.^[231] 1800년대 초에는 광물학에서 금속 외관을 가진 광물을 묘사하기 위해 이 용어가 사용되었다.^[232] 20세기 중반 이후로는 중간 또는 경계적인 화학 원소를 지칭하는 데 사용되었다.^[233] 국제순수 및 응용화학연합(IUPAC)은 이전에 준금속이라는 용어를 버리고 대신 반금속(semimetal)이라는 용어를 사용할 것을 제안했다.^[234] 그러나 최근에는 반금속이라는 용어도 권장되지 않는데,^[235] 이는 이 용어가 원소의 전반적인 분류보다는 물질의 전자띠 구조를 지칭하는 더 일반적인 의미를 가지고 있기 때문이다. 가장 최근의 IUPAC 간행물에는 준금속 또는 반금속 용어 사용에 대한 권장 사항이 포함되어 있지 않다.^[236]

10. 1. 기원 및 사용

참조

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_[869] 간행물 日本金属学会 (1990)
_[870] 간행물 日本金属学会 (1990)
_[871] 간행물 日本金属学会 (1990)
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_[873] 간행물 伏屋 (2008)
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