할로젠
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1. 개요
할로젠은 주기율표 17족에 속하는 플루오린, 염소, 브로민, 요오딘, 아스타틴, 테네신을 통칭하는 원소이다. 플루오린은 1886년 앙리 무아상에 의해 처음 분리되었으며, 염소, 브로민, 요오딘은 각각 1774년, 1820년대, 1811년에 발견되었다. 아스타틴은 1940년에, 테네신은 2010년에 합성되었다. 할로젠은 높은 반응성을 가지며, 소독제, 할로겐 램프, 의약품 등 다양한 분야에 응용된다. 생물체 내에서도 중요한 역할을 하며, 독성을 나타낼 수 있다.
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| 할로젠 | |
|---|---|
| 할로젠 | |
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| 일반 정보 | |
| 원소 그룹 | 할로젠 |
| 족 번호 | 17족 |
| 명명법 | 플루오린족 |
| CAS 번호 | VIIA |
| 이전 IUPAC | VIIB |
| 원소 기호 | F, Cl, Br, I, At, Ts |
| 왼쪽 원소 | 칼코젠 |
| 오른쪽 원소 | 비활성 기체 |
| 물리적 성질 | |
| 원소 상태 | 플루오린: 기체 염소: 기체 브로민: 액체 아이오딘: 고체 아스타틴: 고체 테네신: 불명 |
| 생성 기원 | 플루오린: 원시 염소: 원시 브로민: 원시 아이오딘: 원시 아스타틴: 붕괴 생성 테네신: 합성 |
| 어원 | |
| 어원 | 그리스어 ἅλς(hals, 소금)와 γεννάω(gennaō, 생성하다)에서 유래 |
| 발음 | IPA: /ˈhælədʒən/, /ˈheɪ-/, /-loʊ-/, /-ˌdʒɛn/ |
| 화학적 특성 | |
| 화학적 성질 | 할로젠의 화학적 성질 |
| 국제 명명법 | |
| IUPAC 권장 사항 | 무기 화학 명명법: IUPAC 권장 사항 2005 |
2. 역사
1931년, 프레드 앨리슨은 자기광학 기계를 사용하여 85번 원소를 발견했다고 주장하고 이 원소를 알라바마인이라고 명명했지만 잘못되었다. 1937년, 라젠드랄랄 데는 광물에서 85번 원소를 발견했다고 주장하고 이 원소를 다키네라고 불렀지만, 그도 역시 잘못되었다. 1939년 호리아 훌루베이와 이벳 꼬슈아의 분광법을 통한 85번 원소 발견 시도와, 같은 해 발터 민더가 폴로늄의 베타 붕괴 결과로 요오드와 유사한 원소를 발견하려는 시도 역시 실패했다. 현재 아스타틴으로 명명된 85번 원소는 1940년 데일 R. 코르손, K.R. 맥켄지, 에밀리오 G. 세그레가 비스무트에 알파 입자를 충돌시켜 성공적으로 생산했다.[1]
2010년, 핵물리학자 유리 오가네시안이 이끄는 러시아합동핵연구소(JINR), 오크리지 국립연구소, 로렌스 리버모어 국립연구소, 밴더빌트 대학교의 과학자들이 참여한 팀은 캘리포늄-249 원자에 칼슘-48 원자를 충돌시켜 테네신을 성공적으로 만들었다.[9]
염소 가스는 제1차 세계 대전 중 독가스로 사용되었다. 염소 가스는 오염된 지역에서 산소를 대체하고 일반적인 산소화된 공기를 유독한 염소 가스로 대체했다. 이 가스는 특히 폐를 포함하여 인체 조직을 외부 및 내부적으로 태워 오염 수준에 따라 호흡을 어렵게 하거나 불가능하게 만들었다.[1]
2. 1. 초기 발견
형석은 1529년 초부터 알려져 있었다. 초기 화학자들은 형석 화합물에 미지의 원소가 포함되어 있다는 것을 알았지만, 이를 분리하지는 못했다. 1860년, 영국의 화학자 조지 고어는 플루오르화수소산에 전류를 흘려 플루오린을 생성했을 가능성이 있지만, 당시에는 그 결과를 증명할 수 없었다. 1886년, 파리의 화학자 앙리 무아상은 무수 플루오르화수소에 녹인 플루오르화수소칼륨에 전기분해를 실시하여 플루오린을 성공적으로 분리했다.[8]염산은 연금술사와 초기 화학자들에게 알려져 있었다. 그러나 원소 상태의 염소는 1774년 칼 빌헬름 셸레가 염산을 이산화망간과 가열할 때까지 생산되지 않았다. 셸레는 이 원소를 "탈플로지스톤화된 염산"이라고 불렀는데, 이는 33년 동안 염소가 알려진 이름이었다. 1807년, 험프리 데이비는 염소를 조사하여 실제 원소임을 발견했다.[1]
브롬은 1820년대에 앙투안 제롬 발라르에 의해 발견되었다. 발라르는 염수 샘플에 염소 가스를 통과시켜 브롬을 발견했다. 그는 원래 새로운 원소의 이름으로 "무리드"를 제안했지만, 프랑스 과학 아카데미는 원소의 이름을 브롬으로 변경했다.[1]
요오드는 베르나르 쿠르투아에 의해 발견되었는데, 그는 소금초 제조 과정의 일부로 해조류 재를 사용하고 있었다. 쿠르투아는 일반적으로 염화칼륨을 생성하기 위해 해조류 재를 물로 끓였다. 그러나 1811년, 쿠르투아는 그의 공정에 황산을 첨가하여 검은 결정으로 응축되는 보라색 연기를 생성한다는 것을 발견했다. 이 결정이 새로운 원소라고 의심한 쿠르투아는 조사를 위해 다른 화학자들에게 샘플을 보냈다. 조제프 루이 게이뤼삭이 요오드가 새로운 원소임을 증명했다.[1]
2. 2. 아스타틴과 테네신의 발견
서로 다른 할로젠 원소가 결합하여 형성된 화합물을 '''할로겐 간 화합물'''이라고 한다.다음은 대표적인 할로겐 간 화합물이다.
| 화합물 |
|---|
| 플루오르화 염소 ClF |
| 삼플루오르화 염소 ClF3 |
| 오플루오르화 염소 ClF5 |
| 삼플루오르화 브롬 BrF3 |
| 오플루오르화 브롬 BrF5 |
| 일염화 브롬 BrCl |
| 오플루오르화 요오드 IF5 |
| 칠플루오르화 요오드 IF7 |
| 일염화 아스타틴 AtCl |
| 일브롬화 아스타틴 AtBr |
| 일요오드화 아스타틴 AtI |
여러 할로젠 원소가 결합하여 이온이 된 것을 음이온인 경우 '''폴리할로겐화물 이온''', 양이온인 경우 '''폴리할로게늄 이온'''이라고 한다. 할로겐 음이온은 할로겐 단체와 결합하여 ICl2−, BrF4−, I3−, I5−, I7− 등을 생성한다. '''할로겐 간 화합물'''의 용융물은 전기 전도성을 나타내는 경우가 있는데, 이는 자체 이온화를 통해 '''폴리할로게늄 이온'''이 생성되기 때문이다.
:
할로겐 간 화합물은 소방법 제2조 제7항 및 별표 제1 제6류 4호, 위험물의 규제에 관한 정령 제1조에 따라 위험물 제6류로 지정되어 있다.
2. 3. 어원
1811년, 독일 화학자 요한 슈바이거는 "소금을 생성하는 것"을 의미하는 "할로젠(halogen)"(αλς [hals] "소금"과 γενειν [genein] "낳다"에서 유래)이라는 이름을 제안했다.[10] 그러나 이 이름은 영국 화학자 험프리 데이비가 제안했던 "염소(chlorine)"에 양보하게 되었다.[11] 1826년, 스웨덴의 화학자 바론 옌스 야코브 베르셀리우스는 알칼리 금속과 화합물을 형성할 때 바닷소금과 같은 물질을 생성하는 플루오린, 염소, 아이오딘 원소에 대해 "할로겐"이라는 용어를 제안했다.[12][13]각 원소별 영어 이름과 그 유래는 다음과 같다.
| 원소 | 어원 |
|---|---|
| 플루오린(fluorine) | 금속 가공에서 용융제로 사용되었던 광물 형석(fluorite)에서 유래, "흐르다"를 의미하는 라틴어 fluere |
| 염소(chlorine) | "녹황색"을 의미하는 그리스어 chloros |
| 브로민(bromine) | "악취"를 의미하는 그리스어 bromos |
| 아이오딘(iodine) | "보라색"을 의미하는 그리스어 iodes |
| 아스타틴(astatine) | "불안정한"을 의미하는 그리스어 astatos[1] |
| 테네신(Tennessine) | 원소가 합성된 곳인 미국 테네시주 |
할로젠 원소는 주기율표 17족에 속하며, 플루오린(F), 염소(Cl), 브로민(Br), 아이오딘(I), 아스타틴(At), 테네신(Ts)이 있다. 아스타틴과 테네신은 인공 방사성 원소로, 화학적 성질이 명확하게 밝혀지지 않았다.
3. 성질
할로젠 원소는 원자 번호가 증가함에 따라 다음과 같은 경향을 보인다.
| 성질 | 플루오린(F) | 염소(Cl) | 브로민(Br) | 아이오딘(I) | 아스타틴(At) |
|---|---|---|---|---|---|
| 원자 번호 | 9 | 17 | 35 | 53 | 85 |
| 전자 배치 | |||||
| 제1이온화 에너지 (kJ/mol) | 1681 | 1251 | 1140 | 1008 | 930 |
| 전자 친화도 (kJ/mol) | -328 | -349 | -325 | -295 | -270 |
| 전기음성도 (Allred-Rochow) | 4.1 | 2.83 | 2.74 | 2.21 | - |
| 이온 반지름 (X-, pm) | 133 | 181 | 195 | 216 | (〜230) |
| 공유 결합 반지름 (pm) | 72 | 99 | 114 | 133 | (〜140) |
| 반데르발스 반지름 (pm) | 147 | 175 | 185 | 198 | - |
| 녹는점 (X2, K) | 40 | 172.16 | 265.90 | 386.75 | (575) |
| 끓는점 (X2, K) | 85 | 239.10 | 332 | 458 | (610) |
| 해리 에너지 (X2, kJ/mol) | 155 | 243 | 193 | 151 | (〜116) |
플루오린은 다른 원소와 강한 결합을 갖지만, F₂ 분자는 약한 결합을 보인다.
| X | X2 | HX | BX3 | AlX3 | CX4 |
|---|---|---|---|---|---|
| F | 159 | 574 | 645 | 582 | 456 |
| Cl | 243 | 428 | 444 | 427 | 327 |
| Br | 193 | 363 | 368 | 360 | 272 |
| I | 151 | 294 | 272 | 285 | 239 |
플루오린은 반응성이 매우 커 산화제이며, 심지어 유리와도 반응한다.
할로젠은 최외각에 전자 7개를 가지며, 전자 1개를 얻어 -1가 음이온을 형성하려는 경향이 강하다.
3. 1. 화학적 성질
할로젠은 주기율표의 17족에 속하는 비금속 원소들로, 플루오린(F), 염소(Cl), 브로민(Br), 아이오딘(I)이 해당된다. 가장 무거운 원소인 아스타틴(At)과 테네신(Ts)은 화학적 성질이 명확하게 밝혀지지 않았다.[14]할로젠은 주기율표 상에서 아래로 내려갈수록 원자 크기가 커져 반응성이 감소하는 경향을 보인다. 하지만 플루오린은 예외적으로 이원자 분자(F₂)에서 매우 약한 결합을 갖는 반면, 다른 원자와의 화합물에서는 강한 결합을 형성한다.[14]
| X | X2 | HX | BX3 | AlX3 | CX4 |
|---|---|---|---|---|---|
| F | 159 | 574 | 645 | 582 | 456 |
| Cl | 243 | 428 | 444 | 427 | 327 |
| Br | 193 | 363 | 368 | 360 | 272 |
| I | 151 | 294 | 272 | 285 | 239 |
할로젠은 높은 전기음성도와 실효 핵전하로 인해 반응성이 매우 크며, 생물체에 해롭거나 치명적일 수 있다. 이들은 최외각 전자껍질에 7개의 원자가전자를 가지고 있어 옥텟 규칙을 만족시키기 위해 다른 원소와 반응하여 전자를 얻으려는 경향이 강하다. 특히 플루오린은 모든 원소 중 가장 반응성이 크며, 산소보다 전기음성도가 높은 유일한 원소이다. 유리와 같이 일반적으로 불활성인 물질과도 반응하며, 비활성 기체와 화합물을 형성할 수 있다. 플루오린은 매우 부식성이 강하고 유독한 기체이며, 사불화규소(SiF₄)를 생성하며 유리와 반응하기에 테플론과 같은 내화학성이 강한 용기에 보관해야 한다.[14]
플루오린의 높은 반응성은 탄소와의 강한 결합을 통해 나타나는데, 예를 들어 테플론은 탄소와 플루오린의 결합으로 이루어져 열과 화학적 공격에 매우 강하며 높은 녹는점을 갖는다.
| 할로젠 | 각 껍질의 전자 수 | 제1이온화 에너지 (kJ·mol-1) | 전자 친화도 (kJ·mol-1) | 전기음성도 (Allred-Rochow) | 이온 반지름 (X-, pm) | 공유 결합 반지름 (r(X2)/2, pm) | 반데르발스 반지름 (pm) | 융점 (X2, K) | 비점 (X2, K） | 해리 에너지 (X2, kJ·mol-1) | 수화 에너지 (X-, kJ·mol-1) | 환원 전위† E0 (V) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 플루오린 (Fluorine) | 2, 7 | 1,681 | −328 | 4.1 | 133 | 72 | 147 | 40 | 85 | 155 | 485 | 2.89 |
| 염소 (Chlorine) | 2, 8, 7 | 1,251 | -349 | 2.83 | 181 | 99 | 175 | 172.16 | 239.10 | 243 | 350 | 1.40 |
| 브로민 (Bromine) | 2, 8, 18, 7 | 1,140 | -325 | 2.74 | 195 | 114 | 185 | 265.90 | 332 | 193 | 320 | 1.10 |
| 아이오딘 (Iodine) | 2, 8, 18, 18, 7 | 1,008 | -295 | 2.21 | 216 | 133 | 198 | 386.75 | 458 | 151 | 280 | 0.62 |
| 아스타틴 (Astatine) | 2, 8, 18, 32, 18, 7 | 930 | -270 | - | (〜230) | (〜140) | - | (575) | (610) | (〜116) | (〜277) | (〜0.3) |
| 테네신 (Tennessine) | 2, 8, 18, 32, 32, 18, 7 (예측) | 743 (예측) | - | - | 157 (예측) | - | - | - | - | - | - | - |
- ( ) 안은 추정치
(^) X₂ (aq) + 2e⁻ → 2X⁻ (aq)
17족 원소는 원자 번호가 작을수록 반응성이 매우 풍부하다. 특히 플루오린은 제1이온화 에너지가 큰 데다 F−F 사이의 결합 거리가 짧고, 각 원자의 비공유 전자쌍끼리 서로 반발하여 결합 에너지가 작아지기 때문에 반응성이 매우 높고, 산화제로서는 가장 강력한 종류에 속한다.
염소는 수권에 다량 존재하지만(크락수), 지각 중 존재 비율은 플루오린 > 염소 > 브로민 > 아이오딘 순서이다. 방사성 물질인 아스타틴은 알려진 가장 긴 반감기를 갖는 질량수 210의 동위원소조차도 8.3시간에 불과하여 자연 환경에는 거의 존재하지 않으며, 질량수 218의 동위원소 등이 우라늄238U의 붕괴 생성물로서 극미량, 꾸준히 생성되지만 확인은 어렵다. 일반적으로 분자량이 클수록 반데르발스힘이 증가하여 상온, 상압에서 플루오린은 연한 황색의 기체, 염소는 연한 황록색의 기체, 브로민은 적갈색의 액체, 아이오딘은 검보라색의 고체, 아스타틴은 고체이며, 아이오딘, 아스타틴의 고체는 금속 광택을 띤다.
3. 1. 1. 분자
할로젠은 이원자 분자(F2, Cl2, Br2, I2) 형태로 존재한다. 아스타틴(At)과 테네신(Ts)의 분자 형태는 아직 명확히 밝혀지지 않았지만, 이원자 분자일 것으로 예상된다.[31][34]다음은 할로젠 분자의 주요 성질을 나타낸 표이다.
| 할로젠 | 표준 원자량 (u) | 녹는점 (K) | 녹는점 (°C) | 끓는점 (K) | 끓는점 (°C) | 밀도 (g/cm3, 25 °C에서) | 전기 음성도 (폴링 척도) | 첫 번째 이온화 에너지 (kJ·mol−1) | 공유 결합 반지름 (pm) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 플루오린 (F2) | 18.9984032(5) | 53.53 | −219.62 | 85.03 | −188.12 | 0.0017 | 3.98 | 1681.0 | 71 |
| 염소 (Cl2) | [35.446; 35.457] | 171.6 | −101.5 | 239.11 | −34.04 | 0.0032 | 3.16 | 1251.2 | 99 |
| 브롬 (Br2) | 79.904(1) | 265.8 | −7.3 | 332.0 | 58.8 | 3.1028 | 2.96 | 1139.9 | 114 |
| 아이오딘 (I2) | 126.90447(3) | 386.85 | 113.7 | 457.4 | 184.3 | 4.933 | 2.66 | 1008.4 | 133 |
| 아스타틴 (At2) | [210] | 575 | 302 | ? 610 | ? 337 | ? 6.2–6.5 | 2.2 | 899.0 | ? 145 |
| 테네신 (Ts2) | [294] | ? 623-823 | ? 350-550 | ? 883 | ? 610 | ? 7.1-7.3 | - | ? 743 | ? 157 |
다음 표는 다양한 압력에서 염소, 브로민, 아이오딘의 승화점 또는 끓는점을 나타낸 것이다.[37]
| Tmelt (оС) | −100.7 | −7.3 | 112.9 | |
|---|---|---|---|---|
| log(P[Pa]) | mmHg | Cl2 | Br2 | I2 |
| 2.12490302 | 1 | −118 | −48.7 | 38.7 |
| 2.82387302 | 5 | −106.7 | −32.8 | 62.2 |
| 3.12490302 | 10 | −101.6 | −25 | 73.2 |
| 3.42593302 | 20 | −93.3 | −16.8 | 84.7 |
| 3.72696301 | 40 | −84.5 | −8 | 97.5 |
| 3.90305427 | 60 | −79 | −0.6 | 105.4 |
| 4.12490302 | 100 | −71.7 | 9.3 | 116.5 |
| 4.42593302 | 200 | −60.2 | 24.3 | 137.3 |
| 4.72696301 | 400 | −47.3 | 41 | 159.8 |
| 5.00571661 | 760 | −33.8 | 58.2 | 183 |
| log(P[Pa]) | atm | Cl2 | Br2 | I2 |
| 5.00571661 | 1 | −33.8 | 58.2 | 183 |
| 5.30674661 | 2 | −16.9 | 78.8 | |
| 5.70468662 | 5 | 10.3 | 110.3 | |
| 6.00571661 | 10 | 35.6 | 139.8 | |
| 6.30674661 | 20 | 65 | 174 | |
| 6.48283787 | 30 | 84.8 | 197 | |
| 6.6077766 | 40 | 101.6 | 215 | |
| 6.70468662 | 50 | 115.2 | 230 | |
| 6.78386786 | 60 | 127.1 | 243.5 | |
3. 1. 2. 화합물
플루오린화 수소를 제외한 염화 수소, 브로민화 수소, 아이오딘화 수소는 수용액에서 완전히 전리되어 강산성을 나타낸다. 산의 세기는 HCl < HBr < HI 순이다.[37]액화 플루오린화 수소는 물과 유사하게 유전율이 높고, 수소 결합을 형성하는 극성 물질이며, 끓는점이 상대적으로 높다. 묽은 용액에서 플루오린화 수소는 완전히 전리하지 않는데, 이는 이온 반지름이 작을수록 수소 이온과의 정전기력이 강해져 결합이 강해지기 때문이다.[37]
17족 원소의 수소화물은 '''할로젠화 수소'''라고 불린다. 수소와는 1:1로 결합하는 화합물만 알려져 있으며, 할로젠화 수소 일반을 나타내는 약호로 '''HX'''로 표기된다.[37]
| 플루오린화 수소 (HF) | 염화 수소 (HCl) | 브로민화 수소 (HBr) | 아이오딘화 수소 (HI) | 아스타틴화 수소 (HAt) | |
|---|---|---|---|---|---|
| 녹는점 (℃) | -83.5 | -114.2 | -88.6 | -51.0 | |
| 끓는점 (℃) | 19.5 | -85.1 | -67.1 | -35.1 | |
| 유전율 (액체) | 83.6 (0 ℃) | 9.3 (-95 ℃) | 7.0 (-85 ℃) | 3.4 (-50 ℃) | |
| H-X 결합 해리 에너지 (kJ/mol) | 567 | 431 | 366 | 298 | |
| H-X 결합 길이 (pm) | 92 | 127 | 141 | 161 | 172 |
| 수용액 | 플루오린화 수소산 (약산, = 3.14) | 염산 (강산) | 브로민화 수소산 (강산) | 아이오딘화 수소산 (강산) |
3. 1. 3. 반응
할로젠은 다른 원소와 결합하여 다양한 화합물을 만드는 등 반응성이 매우 크다.3. 2. 물리적 및 원자적 성질
주기율표 17족에 속하는 할로젠 원소는 플루오린(F), 염소(Cl), 브로민(Br), 아이오딘(I), 아스타틴(At), 테네신(Ts)이다. 아스타틴과 테네신은 인공 방사성 원소로, 화학적 성질이 명확히 밝혀지지 않았다.
할로젠 원소는 원자 번호가 증가함에 따라 다음과 같은 경향을 보인다.
- 원자 반지름, 이온 반지름 증가: 전자 껍질 수 증가
- 이온화 에너지, 전자 친화도, 전기음성도 감소: 원자핵과 최외각 전자 사이 거리 증가로 인한 인력 약화
- 녹는점, 끓는점 증가: 분자량 증가에 따른 반데르발스 힘 강화
- 반응성 감소: 실효 핵전하 감소 (단, 플루오린은 예외적으로 매우 높은 반응성)
- 화학 결합 에너지: 주기율표 아래로 갈수록 감소 (단, 플루오린은 F₂ 분자에서 약한 결합)
| 성질 | 플루오린(F) | 염소(Cl) | 브로민(Br) | 아이오딘(I) | 아스타틴(At) |
|---|---|---|---|---|---|
| 원자 번호 | 9 | 17 | 35 | 53 | 85 |
| 전자 배치 | |||||
| 제1이온화 에너지 (kJ/mol) | 1681 | 1251 | 1140 | 1008 | 930 |
| 전자 친화도 (kJ/mol) | -328 | -349 | -325 | -295 | -270 |
| 전기음성도 (Allred-Rochow) | 4.1 | 2.83 | 2.74 | 2.21 | - |
| 이온 반지름 (X-, pm) | 133 | 181 | 195 | 216 | (〜230) |
| 공유 결합 반지름 (pm) | 72 | 99 | 114 | 133 | (〜140) |
| 반데르발스 반지름 (pm) | 147 | 175 | 185 | 198 | - |
| 녹는점 (X2, K) | 40 | 172.16 | 265.90 | 386.75 | (575) |
| 끓는점 (X2, K) | 85 | 239.10 | 332 | 458 | (610) |
| 해리 에너지 (X2, kJ/mol) | 155 | 243 | 193 | 151 | (〜116) |
플루오린은 다른 원소와 강한 결합을 갖지만, F₂ 분자는 약한 결합을 보인다.
| X | X2 | HX | BX3 | AlX3 | CX4 |
|---|---|---|---|---|---|
| F | 159 | 574 | 645 | 582 | 456 |
| Cl | 243 | 428 | 444 | 427 | 327 |
| Br | 193 | 363 | 368 | 360 | 272 |
| I | 151 | 294 | 272 | 285 | 239 |
플루오린은 반응성이 매우 커 산화제이며, 유리와도 반응한다.
할로젠은 최외각에 전자 7개를 가지며, 전자 1개를 얻어 -1가 음이온을 형성하려는 경향이 강하다.
3. 3. 동위 원소
플루오린은 단 하나의 안정 동위원소인 플루오린-19를 가진다. 클러스터 붕괴를 통해 프로탁티늄-231에서 생성되는 방사성 동위원소 플루오린-23이 미량 존재한다.[8] 발견된 플루오린 동위원소는 총 18가지이며, 원자량은 13에서 31까지 다양하다.염소는 염소-35와 염소-37 두 가지의 안정 동위원소를 가진다. 아르곤-36의 핵 파쇄를 통해 생성되는 방사성 동위원소 염소-36이 미량 존재한다. 발견된 염소 동위원소는 총 24가지이며, 원자량은 28에서 51까지 다양하다.[1]
브롬은 브롬-79와 브롬-81 두 가지의 안정 동위원소를 가진다. 발견된 브롬 동위원소는 총 33가지이며, 원자량은 66에서 98까지 다양하다.
아이오딘은 아이오딘-127이라는 단 하나의 안정 동위원소를 가진다. 핵 파쇄와 광석 내 우라늄의 방사성 붕괴를 통해 생성되는 방사성 동위원소 아이오딘-129가 미량 존재한다. 우라늄 붕괴를 통해 자연적으로 생성된 다른 여러 방사성 아이오딘 동위원소도 있다. 발견된 아이오딘 동위원소는 총 38가지이며, 원자량은 108에서 145까지 다양하다.[1]
아스타틴은 안정적인 동위원소가 없다. 우라늄, 넵투늄, 플루토늄의 방사성 붕괴를 통해 생성되는 네 가지의 자연 발생 방사성 동위원소(아스타틴-215, 아스타틴-217, 아스타틴-218, 아스타틴-219)가 있다. 발견된 아스타틴 동위원소는 총 31가지이며, 원자량은 191에서 227까지 다양하다.[1]
테네신은 안정적인 동위원소가 없다. 테네신-293과 테네신-294 두 가지의 인공 방사성 동위원소만 알려져 있다.
4. 생산
형석은 1529년 초부터 알려져 있었으며, 1886년 앙리 무아상이 플루오르화수소칼륨을 플루오르화수소에 녹여 전기분해하여 플루오린을 성공적으로 분리했다.[8] 매년 약 600만 톤의 플루오라이트가 생산되며, 40만 톤의 플루오르화수소산이 생산된다. 플루오린 기체는 인산 제조의 부산물로 생산되는 플루오르화수소산으로부터 만들어지며, 매년 약 1만 5천 톤의 플루오린 기체가 생산된다.[1]
1774년 칼 빌헬름 셸레가 염산을 이산화망간과 가열하여 원소 상태의 염소를 생산하였고, 1807년 험프리 데이비가 염소가 실제 원소임을 발견했다. 염화나트륨은 염소를 위해 가장 일반적으로 채굴되는 광물이지만, 카날라이트와 실바이트도 염소를 위해 채굴된다. 매년 4천만 톤의 염소가 소금물의 전기분해를 통해 생산된다.[1]
브롬은 1820년대에 앙투안 제롬 발라르가 염수 샘플에 염소 가스를 통과시켜 발견했다.[1] 매년 약 45만 톤의 브롬이 생산되며, 미국(50%), 이스라엘(35%), 중국(나머지 대부분)에서 생산된다. 현대에는 허버트 다우가 발명한 방법인 전기분해로 브롬을 생산하거나, 해수에 염소를 통과시킨 후 공기를 통과시켜 생산한다.[1]
요오드는 베르나르 쿠르투아가 해조류 재를 황산과 반응시켜 발견했으며, 조제프 루이 게이뤼삭에 의해 새로운 원소임이 증명되었다.[1] 2003년에는 2만 2천 톤의 요오드가 생산되었으며, 칠레(40%), 일본(30%), 러시아와 미국에서 소량이 생산된다. 현대에는 이산화황을 질산염 광석과 혼합하거나 천연가스전에서 추출하는 방식으로 요오드를 생산한다.[1]
아스타틴은 자연적으로 발생하지 않지만, 일반적으로 비스무트에 알파 입자를 충돌시켜 생산한다.[1]
테네신은 러시아합동핵연구소(JINR), 오크리지 국립연구소, 로렌스 리버모어 국립연구소, 밴더빌트 대학교의 과학자들이 캘리포늄-249 원자에 칼슘-48 원자를 충돌시켜 성공적으로 만들었다.[9]
5. 응용
할로젠 원소 및 화합물은 다양한 분야에서 응용된다.
염소와 브로민은 소독제 및 표백제로 사용된다. 할로젠 램프는 텅스텐 필라멘트와 소량의 할로젠을 사용하여 수명이 길고 밝은 빛을 낸다. 신약 개발 과정에서는 할로젠 원자를 도입하여 약물의 친유성을 높이고 지질막 투과성을 향상시키기도 한다.
5. 1. 소독제
염소와 브롬은 식수, 수영장, 상처, 온천, 식기, 표면 등의 소독제로 사용된다.[1] 이들은 살균 과정을 통해 세균을 비롯한 유해 미생물을 제거한다.[1] 이러한 반응성은 표백제에도 활용된다.[1] 염소로 생산되는 차아염소산나트륨은 직물 표백제의 주성분이며, 염소계 표백제는 종이 제품 생산에도 사용된다.[1]5. 2. 표백제
할로젠 원소는 산화력이 강해 표백제로 활용될 수 있다. 특히, 차아염소산 나트륨은 할로젠 기반 표백제의 대표적인 예시이다.차아염소산 나트륨은 직물이나 종이 등을 표백하는 데 사용된다.
5. 3. 조명
할로젠 램프는 텅스텐 필라멘트를 사용하고, 소량의 할로젠(예: 요오드 또는 브롬)을 포함하는 백열전구의 일종이다. 할로젠 가스는 필라멘트가 가늘어지는 현상과 전구 내부가 검게 그을리는 현상을 줄여 일반 백열전구보다 수명이 길다. 같은 와트수의 비할로겐 백열전구보다 훨씬 작은 크기로 만들 수 있다. 할로젠 램프는 다른 백열전구보다 높은 온도(2,800~3,400 켈빈)에서 작동하여 더 흰색에 가까운 빛을 낸다. 그러나 이러한 고온 때문에 파손을 막기 위해 석영 유리로 제조해야 한다.[38]5. 4. 의약품
신약 개발 과정에서 후보 약물에 할로젠 원자를 도입하면 유사체가 일반적으로 더 친유성이 높아지고 물에 대한 용해도는 낮아진다.[39] 그 결과, 할로젠 원자는 지질막과 조직을 통한 침투력을 향상시키는 데 사용된다. 따라서 일부 할로젠화 약물이 지방 조직에 축적되는 경향이 있다.할로젠 원자의 화학적 반응성은 모체 화합물에 대한 부착 위치와 할로젠의 종류에 따라 달라진다. 방향족 할로젠기는 지방족 할로젠기보다 훨씬 반응성이 낮으며, 지방족 할로젠기는 상당한 화학적 반응성을 나타낼 수 있다. 지방족 탄소-할로젠 결합의 경우, C-F 결합이 가장 강하며 일반적으로 지방족 C-H 결합보다 화학적 반응성이 낮다. 다른 지방족 할로젠 결합은 더 약하며, 주기율표 아래로 갈수록 반응성이 증가한다. 이들은 일반적으로 지방족 C-H 결합보다 화학적 반응성이 더 높다. 결과적으로 가장 일반적인 할로젠 치환은 반응성이 낮은 방향족 불소 및 염소기이다.
6. 생물학적 역할
플루오린, 염소, 브로민, 아이오딘 등의 할로젠 원소는 생명체 내에서 다양한 역할을 수행한다. 플루오린은 뼈와 치아를 튼튼하게 하고, 염소는 체액의 균형을 유지하는 데 필수적이다. 브로민은 일부 생명체의 필수 구성 성분이며, 아이오딘은 갑상선 호르몬 생성에 중요한 역할을 한다.
| 원소 | 역할 및 중요성 |
|---|---|
| 플루오린 | 뼈, 치아 강화 |
| 염소 | 체액 균형 유지 |
| 브로민 | 일부 생명체의 필수 구성 성분 |
| 아이오딘 | 갑상선 호르몬 생성 |
| 아스타틴 | 알려진 생물학적 역할 없음 (높은 방사능, 극도의 희귀성) |
| 테네신 | 인공 원소, 자연계에 존재하지 않음 |
각 원소에 대한 자세한 내용은 하위 문단을 참고할 수 있다.
6. 1. 플루오린
플루오린 음이온은 생물의 상아, 뼈, 치아, 혈액, 알, 소변 및 모발에서 발견된다. 아주 소량의 플루오린 음이온은 인간에게 필수적일 수 있다.[40] 인간의 혈액 1리터당 0.5밀리그램의 플루오린이 포함되어 있으며, 뼈에는 0.2~1.2%, 조직에는 약 50ppb(십억분의 일) 함유되어 있다. 일반적인 70kg의 인간은 3~6g의 플루오린을 함유하고 있다.[1]6. 2. 염소
염소 음이온은 인간을 포함한 많은 종에게 필수적이다. 곡물의 건조 중량에서 염소 농도는 10~20ppm(백만분의 일)인 반면, 감자의 염소 농도는 0.5%이다. 식물 성장은 토양의 염소 수준이 2ppm 이하로 떨어지면 악영향을 받는다.[1] 사람의 혈액에는 평균 0.3%의 염소가 포함되어 있으며, 뼈에는 일반적으로 900ppm, 조직에는 약 0.2~0.5%의 염소가 포함되어 있다. 일반적인 70kg의 사람은 총 95g의 염소를 함유하고 있다.[1]6. 3. 브로민
브로민화물 음이온 형태의 브로민은 모든 생물체에 존재한다. 인간에게 있어 브로민의 생물학적 역할은 증명되지 않았지만, 일부 생물체는 유기브롬 화합물을 함유하고 있다.[1] 인간은 일반적으로 하루에 1mg~20mg의 브로민을 섭취한다. 일반적인 70kg의 인간은 260mg의 브로민을 함유하고 있다.[1]인간의 혈액에는 일반적으로 5ppm의 브로민이, 뼈에는 7ppm의 브로민이, 조직에는 7ppm의 브로민이 포함되어 있다.[1]
6. 4. 아이오딘
인간은 일반적으로 하루에 100마이크로그램 미만의 아이오딘을 섭취한다. 아이오딘 결핍은 지적 장애를 유발할 수 있다.[1] 유기요오드 화합물은 특히 갑상선을 비롯하여 위, 표피 및 면역계 등 인간의 일부 기관에서 발견된다.[1] 요오드를 함유한 식품으로는 대구, 굴, 새우, 청어, 바닷가재, 해바라기씨, 해조류 및 버섯이 있다.[1] 그러나 아이오딘은 식물에서 생물학적 역할을 하는 것으로 알려져 있지 않다.[1] 인간의 혈액에는 일반적으로 1리터당 0.06mg의 아이오딘이, 뼈에는 300ppb의 아이오딘이, 조직에는 50~700ppb의 아이오딘이 포함되어 있다.[1] 일반적인 70kg의 인간은 10~20mg의 아이오딘을 함유하고 있다.[1]6. 5. 아스타틴과 테네신
아스타틴은 매우 희귀하지만, 지구에서 마이크로그램 단위로 발견되었다.[1] 높은 방사능, 극도의 희귀성, 그리고 가장 안정적인 동위원소의 반감기가 약 8시간에 불과하기 때문에 생물학적 역할은 알려져 있지 않다.테네신은 순수하게 인공적으로 만들어진 원소이며 자연계에는 존재하지 않는다.
7. 독성
할로젠의 독성은 무거운 할로젠으로 갈수록 감소하는 경향이 있다.[1]
플루오린 기체는 매우 독성이 강하여 25ppm(백만분의 25) 농도로 흡입하면 치명적일 수 있다.[41] 불화수소산 또한 독성이 있으며, 피부를 침투하여 극심한 통증을 유발하는 화상을 입힐 수 있다. 불화물 음이온도 독성이 있지만 순수 불소만큼 독성이 강하지는 않으며, 5~10g 섭취 시 치명적일 수 있다.[41] 장기간 1.5mg/L 이상의 불화물을 섭취하면 치아 불소증의 위험이 있으며, 4mg/L 이상의 농도에서는 골격 불소증이 발생할 위험이 증가한다.[42] 물 불소화는 충치 예방법으로, 불소의 해로운 영향을 피하면서 동시에 이점을 얻기 위해 0.7~1.2mg/L의 농도가 권장된다.[42] 정상 수치와 골격 불소증에 필요한 수치 사이의 농도를 섭취한 사람들은 관절염과 유사한 증상을 보이는 경향이 있다.[1]
염소 기체는 고독성이다. 3ppm의 염소를 흡입하면 신속하게 독성 반응이 나타날 수 있다. 50ppm의 염소를 흡입하면 매우 위험하며, 500ppm의 염소를 수분간 흡입하면 치명적이다. 또한 염소 기체는 부식성 때문에 흡입 시 매우 고통스럽다. 염산은 비교적 독성이 없지만 부식성이 강하며, 개방된 공기 중에서 매우 자극적이고 독성이 있는 염화수소 기체를 방출한다.[43]
순수 브롬은 다소 독성이 있지만 불소나 염소보다는 독성이 덜하다. 100mg의 브롬은 치명적이다.[1] 브롬화물 음이온도 독성이 있지만 브롬보다는 독성이 덜하며, 브롬화물의 치사량은 30g이다.[1]
요오드는 다소 독성이 있으며 폐와 눈을 자극할 수 있으며, 안전 제한은 1mg/㎥이다. 경구 섭취 시 3g의 요오드는 치명적일 수 있다. 요오드화물 음이온은 대부분 무독성이지만, 다량 섭취 시 치명적일 수 있다.[1]
아스타틴은 방사성이므로 매우 위험하지만, 거시적 양으로 생산된 적이 없으므로 평균적인 개인에게 그 독성이 큰 관련이 있을 가능성은 매우 낮다.[1]
테네신은 반감기가 매우 짧기 때문에 화학적으로 조사할 수 없지만, 방사능 때문에 매우 위험하다.
8. 초할로겐
특정 알루미늄 클러스터는 초원자 특성을 가지고 있다. 이러한 알루미늄 클러스터는 헬륨 기체에서 음이온(Aln-, n = 1, 2, 3, ...)으로 생성되고 요오드를 포함하는 기체와 반응한다. 질량 분석법으로 분석하면 주요 반응 생성물은 Al13I-인 것으로 나타난다.[44] 추가된 여분의 전자를 가진 13개의 알루미늄 원자 클러스터는 동일한 기체 흐름에 산소가 유입될 때 산소와 반응하지 않는 것으로 보인다. 각 원자가 3개의 원자가 전자를 방출한다고 가정하면 40개의 전자가 존재하는데, 이는 나트륨의 마법수 중 하나이며 이러한 숫자가 비활성 기체를 반영한다는 것을 의미한다.
계산 결과 추가 전자는 요오드 원자와 정반대 위치의 알루미늄 클러스터에 위치하는 것으로 나타났다. 따라서 이 클러스터는 요오드보다 더 높은 전자 친화도를 가져야 하며, 따라서 알루미늄 클러스터는 초할로겐(즉, 음이온을 구성하는 부분의 수직 전자 분리 에너지는 할로겐 원자보다 크다)이라고 불린다.[45] Al13I- 이온의 클러스터 성분은 요오드화 이온이나 브로민화 이온과 유사하다. 관련된 Al13I2- 클러스터는 삼요오드화물 이온과 화학적으로 유사하게 작용할 것으로 예상된다.[46][47]
9. 할로젠화 광물
광물학에서 금속 원소와 할로젠 원소가 결합한 광물을 '''할로젠화 광물'''(halide mineral영어)이라고 한다. 암염(NaCl), 형석(CaF2) 등이 있다.[1]
10. 유기할로겐화물
유기할로겐화물은 좁은 의미로는 할로겐화알킬, 할로겐화아릴 등 탄화수소의 수소가 할로겐 원자로 치환된 화합물을 가리킨다. 넓은 의미로는 할로겐을 포함하는 유기화합물을 의미하며, 할로겐화아실이나 할로겐산을 포함한다.
유기할로겐화물에 포함된 탄소-할로겐 결합은 할로겐의 높은 전기음성도 때문에 극성을 띤다. 따라서 탄소 원자를 친핵제 등 음이온이 공격하기 쉽다. 그러나 할로겐화아릴 등 sp2 탄소에 할로겐이 결합된 기질에서는 입체적인 요인에 의해 이러한 반응이 일어나기 어렵다. 자세한 내용은 친핵성 치환 반응, 방향족 친핵성 치환 반응을 참조한다.
11. 할로겐 간 화합물
서로 다른 할로젠 원소가 결합하여 형성된 화합물을 '''할로젠 간 화합물'''이라고 한다.
대표적인 할로젠 간 화합물은 다음과 같다.
- 플루오르화 염소 ClF
- 삼플루오르화 염소 ClF3
- 오플루오르화 염소 ClF5
- 삼플루오르화 브롬 BrF3
- 오플루오르화 브롬 BrF5
- 일염화 브롬 BrCl
- 오플루오르화 요오드 IF5
- 칠플루오르화 요오드 IF7
- 일염화 아스타틴 AtCl
- 일브롬화 아스타틴 AtBr
- 일요오드화 아스타틴 AtI
여러 할로젠 원소가 결합하여 이온이 된 것을 음이온인 경우 '''폴리할로겐화물 이온''', 양이온인 경우 '''폴리할로게늄 이온'''이라고 한다. 할로겐 음이온은 할로겐 단체와 결합하여 ICl2−, BrF4−, I3−, I5−, I7− 등을 생성한다. '''할로겐 간 화합물'''의 용융물은 전기 전도성을 나타내는 것이 있으며, 그것들은 자체 이온화에 의해 '''폴리할로게늄 이온'''이 생성된다.
:
할로겐 간 화합물은 소방법 제2조 제7항 및 별표 제1 제6류 4호, 위험물의 규제에 관한 정령 제1조에 따라 위험물 제6류로 지정되어 있다.
12. 산화물 및 산소산
이플루오르화이산소(O2F2)
이플루오르화삼산소(O3F2)