화학 계열
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1. 개요
화학 계열은 국제순수·응용화학연합(IUPAC)에서 권장하는 원소의 집합을 의미하며, 주기율표의 원소들을 특정 기준에 따라 분류한 것이다. 주요 분류로는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 전이 금속, 란타넘족, 악티늄족 등이 있으며, 족, 주기, 블록, 금속성, 역사적 분류 등 다양한 기준으로 원소를 분류할 수 있다. 또한, 금속, 비금속, 준금속과 같은 분류도 존재하며, 주화 금속, 귀금속, 희토류 원소 등 역사적으로 사용되거나 특정 용도로 사용되는 원소 분류도 포함된다.
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- 주기율표 - 14족 원소
14족 원소는 최외각 전자 4개를 가지며 탄소, 규소, 저마늄, 주석, 납, 플레로븀으로 구성되고 원자번호 증가에 따라 비금속에서 금속으로 변하는 경향을 보이며 탄소는 유기화합물 골격, 규소는 지각에서 풍부, 주석과 납은 금속 자원, 플레로븀은 짧은 반감기를 갖는다. - 주기율표 - 에카
에카는 멘델레예프가 주기율표에서 미발견 원소를 예측하기 위해 사용한 명명법으로, 알려진 원소 아래 위치할 원소를 "에카 + 위쪽 원소 이름"으로 칭했으며, 이는 주기율표의 정확성을 입증하는 증거가 되었고 현재도 일부 사용되며 주기율표 발전 이해에 중요한 역사적 의미를 갖는다.
화학 계열 | |
---|---|
화학 원소 집합 명칭 | |
설명 | 화학에서, 원소 집합에 대한 명명 규칙과 명명법 |
유형 | |
종류 | 족 구역 계열 |
명명법 | |
IUPAC | IUPAC 권고 |
관련 주제 | |
관련 주제 | 주기율표 원소 화학 |
2. IUPAC 권장 분류
국제 순수·응용 화학 연합(IUPAC)에서 권장하거나 언급하는 원소 집합 이름은 다음과 같다.
집합 이름 | 설명 | 포함 원소 |
---|---|---|
알칼리 금속 | 1족 원소 | Li, Na, K, Rb, Cs, Fr |
알칼리 토금속 | 2족 원소 | Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra |
전이 금속 * | 3족~11족 또는 3족~12족의 원소 | 후자는 d-블록을 구성 |
질소족 | 15족 원소 | N, P, As, Sb, Bi † |
칼코젠 | 16족 원소 | O, S, Se, Te, Po † |
할로젠 | 17족 원소 | F, Cl, Br, I, At † |
비활성 기체 | 18족 원소 | He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn † |
란타넘족 ‡ | 원소 57–71 | La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu |
악티늄족 ‡ | 원소 89–103 | Ac, Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr |
희토류 원소 | Sc, Y, 그리고 란타넘족 | |
내부 전이 원소 | f-블록 원소 | 란타넘족과 악티늄족 |
주족 원소 | 1족, 2족 또는 13족~18족의 원소 | 수소 제외 |
- '''*''' 전이 원소는 때때로 전이 금속이라고도 불린다.
- '''†''' 15족(Mc), 16족(Lv), 17족(Ts) 및 18족(Og)의 무거운 원소들은 명목상 지정된 족에 할당되었지만, 그들의 화학적 특성은 아직 실험적으로 확인되지 않았다.
- '''‡''' 란타넘족과 악티늄족은 때때로 란탄족과 악틴족이라고도 불린다.
2. 1. 족에 따른 분류
주기율표의 세로줄인 족(group)은 화학적 성질이 비슷한 원소들을 묶는 중요한 기준이 된다. 같은 족에 속하는 원소들은 일반적으로 유사한 원자가 전자 배열을 가지며, 이로 인해 비슷한 화학 반응성을 나타낸다.주기율표의 족에 따라 원소들을 분류하는 다양한 방식이 존재한다. 대표적으로 알칼리 금속(1족 원소), 알칼리 토금속(2족 원소), 할로젠(17족 원소), 비활성 기체(18족 원소) 등이 특정 족의 원소들을 묶어 부르는 명칭이다.
이 외에도 특정 구간의 원소들을 묶어 부르는 명칭들이 있다.
- 란타넘족과 악티늄족: 주기율표 하단에 별도로 표시되는 f-블록 원소들로, 내부 전이 원소라고도 불린다.
- 전이 금속: 주기율표의 중앙 부분(d-블록)을 차지하는 원소들을 묶어 부르는 명칭이다.
- 희토류 원소: 스칸듐(Sc), 이트륨(Y) 및 란타넘족 원소들을 포함한다.
또한, 원소들을 물리적, 화학적 성질에 따라 금속, 준금속, 비금속으로 나누기도 하며, 특정 족 내에서도 세부적인 그룹(예: 백금족 원소, 철족 원소)으로 분류하기도 한다. 국제 순수·응용 화학 연합(IUPAC)에서는 특정 족이나 원소 그룹에 대한 공식적인 집합 이름을 권장하고 있다.
2. 1. 1. 1족 ~ 12족
국제 순수·응용 화학 연합(IUPAC)에서 권장하거나 언급하는 집합 이름에 따라 1족부터 12족까지의 원소는 다음과 같이 분류할 수 있다.계열 이름 | 설명 | 포함 원소 |
---|---|---|
알칼리 금속 | 주기율표의 1족 원소 | Li, Na, K, Rb, Cs, Fr |
알칼리 토금속 | 주기율표의 2족 원소 | Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra |
전이 금속 * | 주기율표의 3족부터 11족 또는 12족까지의 원소 | 3족부터 12족까지의 원소들 (d-블록 원소). |
:* 전이 원소는 때때로 전이 금속이라고도 불린다.
2. 1. 2. 13족 ~ 18족
주기율표에서 13족부터 18족까지의 원소들은 다음과 같은 계열로 분류된다. 이들은 1족, 2족 원소와 함께 주족 원소(Main group element)로 분류되기도 한다 (단, 수소는 제외).- 13족 원소: 에이코사겐(Eicosagen)이라고도 한다.
- 14족 원소: 결정형성 원소(Crystallogen)라고도 한다.
- 15족 원소: 질소족(Pnictogen) 또는 니크토겐이라고도 한다. 이 족에 속하는 원소는 질소, 인, 비소, 안티모니, 비스무트이다. 가장 무거운 원소인 모스코븀은 명목상 15족에 할당되었지만, 그 화학적 특성은 아직 실험적으로 확인되지 않았다.
- 16족 원소: 칼코젠(Chalcogen)이라고도 한다. 이 족에 속하는 원소는 산소, 황, 셀레늄, 텔루륨, 폴로늄이다. 가장 무거운 원소인 리버모륨은 명목상 16족에 할당되었지만, 그 화학적 특성은 아직 실험적으로 확인되지 않았다.
- 17족 원소: 할로젠(Halogen)이라고 한다. 이 족에 속하는 원소는 플루오린, 염소, 브로민, 아이오딘, 아스타틴이다. 가장 무거운 원소인 테네신은 명목상 17족에 할당되었지만, 그 화학적 특성은 아직 실험적으로 확인되지 않았다.
- 18족 원소: 비활성 기체(Noble gas)라고 한다. 이 족에 속하는 원소는 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논, 라돈이다. 가장 무거운 원소인 오가네손은 명목상 18족에 할당되었지만, 그 화학적 특성은 아직 실험적으로 확인되지 않았다.
2. 2. 주기에 따른 분류
주기율표에서 가로줄을 주기(period)라고 하며, 원소는 이 주기에 따라 분류될 수 있다. 같은 주기에 속하는 원소들은 동일한 수의 전자 껍질을 가진다. 예를 들어, 1주기 원소인 수소(H)와 헬륨(He)은 1개의 전자 껍질을 가지고 있으며, 2주기 원소인 리튬(Li)부터 네온(Ne)까지는 2개의 전자 껍질을 가진다.주기가 증가함에 따라 전자 껍질의 수가 늘어나고, 일반적으로 원자의 크기도 커지는 경향을 보인다. 같은 주기 내에서는 왼쪽에서 오른쪽으로 이동할수록 원자 번호가 커지며, 금속성은 점차 감소하고 비금속성은 증가하는 주기적 성질 변화가 나타난다.
이처럼 주기를 기준으로 원소를 나누는 방식은 원소들의 물리적, 화학적 성질이 주기적으로 변하는 패턴을 파악하는 데 유용하며, 화학 계열을 분류하는 여러 방법 중 하나이다.
2. 3. 블록에 따른 분류
원소는 가장 바깥 전자의 전자 배치에 따라 s-블록, p-블록, d-블록, f-블록 등으로 분류될 수 있다. 이는 원소의 화학적 성질과 밀접한 관련이 있으며, 주기율표 상에서의 위치를 결정하는 중요한 기준이 된다. 이론적으로는 g-블록의 존재도 예측된다.- s-블록: 가장 바깥 전자가 s 오비탈에 채워지는 원소들이다. 알칼리 금속(수소 제외)과 알칼리 토금속이 여기에 속하며, 반응성이 큰 금속 원소이다.
- p-블록: 가장 바깥 전자가 p 오비탈에 채워지는 원소들이다. 13족 원소부터 18족 원소까지의 주족 원소가 포함되며, 금속 원소, 준금속, 비금속 원소 등 다양한 성질의 원소들이 분포한다. 대표적으로 에이코사겐, 결정형성 원소, 니크토겐, 칼코겐, 할로겐, 비활성 기체 등이 있다.
- d-블록: 가장 바깥 전자가 d 오비탈에 채워지는 원소들로, 주로 전이 금속이라 불린다. 주기율표의 중앙에 위치하며, 백금족 원소나 철족 원소 등이 포함된다. 여러 산화 상태를 가질 수 있고 착물을 잘 형성하는 특징이 있다.
- f-블록: 가장 바깥 전자가 f 오비탈에 채워지는 원소들로, 내부 전이 원소라고도 한다. 란타넘족과 악티늄족으로 나뉘며, 주기율표 하단에 별도로 표시되는 경우가 많다. 희토류 원소의 대부분이 여기에 속한다. 자세한 내용은 하위 섹션에서 다룬다.
- g-블록: 이론적으로 예측되는 블록으로, 가장 바깥 전자가 g 오비탈에 채워지는 원소들이 속할 것으로 예상된다. 아직 실험적으로 발견되거나 안정적으로 합성된 원소는 없다.
2. 3. 1. 내부 전이 원소 (f-블록)
내부 전이 원소는 주기율표의 f-블록에 속하는 원소들을 말한다. 이들은 주로 란타넘족과 악티늄족으로 분류된다.계열 | 포함 원소 (원자 번호 범위) |
---|---|
란타넘족 | 란타넘, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 사마륨, 유로퓸, 가돌리늄, 터븀, 디스프로슘, 홀뮴, 어븀, 툴륨, 이터븀, 루테튬 (57–71) |
악티늄족 | 악티늄, 토륨, 프로트악티늄, 우라늄, 넵투늄, 플루토늄, 아메리슘, 퀴륨, 버클륨, 캘리포늄, 아인슈타이늄, 페르뮴, 멘델레븀, 노벨륨, 로렌슘 (89–103) |
국제 순수·응용 화학 연합(IUPAC)에서 권장하는 족, 주기, 구역, 계열 등의 분류 외에도, 원소들을 다양한 기준으로 분류하는 방법들이 존재한다.
3. 기타 분류
대표적으로 원소의 금속성 또는 비금속성 행동 및 특성의 정도에 따라 금속, 비금속, 그리고 그 중간 성질을 띠는 준금속으로 나누는 방식이 있다. 또한, 역사적으로 사용되어 온 용어나 특정 성질, 용도 등에 따라 원소들을 묶어 부르는 다양한 이름들이 있다. 이러한 분류들은 종종 명확한 경계가 없거나 서로 중복되기도 하며, 전체 주기율표를 포괄하지 않는 경우가 많다.
이러한 기타 분류 방식들에 대한 자세한 내용은 아래의 하위 섹션들에서 다룬다.
3. 1. 금속성에 따른 분류
원소를 분류하는 또 다른 일반적인 방법은 금속성 또는 비금속성 행동 및 특성의 정도에 따라 나누는 것이다. 이 기준에 따라 원소는 크게 금속, 비금속, 그리고 그 중간 성질을 띠는 준금속으로 분류할 수 있다. 주기율표에서는 종종 이 분류에 따라 배경색을 다르게 표시한다.
금속성을 기준으로 분류되는 주요 원소 그룹 중 일부는 다음과 같다.
주족 원소(알칼리 금속, 알칼리 토금속, 할로겐, 비활성 기체 등 포함), 준금속, 전이후 금속 등 다른 분류 그룹에 대한 자세한 내용은 해당 하위 섹션에서 다룬다.
3. 1. 1. 준금속
원소를 분류하는 또 다른 일반적인 방법은 금속성 또는 비금속성 행동 및 특성의 정도에 따라 나누는 것이다. 금속과 비금속이 만나는 지점 근처의 원소는 때때로 준금속으로 분류된다. 이러한 분류(금속, 비금속, 준금속)는 주기율표에서 서로 다른 배경색으로 표시되는 경우가 많다.
3. 1. 2. 전이후 금속
또 다른 일반적인 분류는 금속성 또는 비금속성 행동 및 특성의 정도에 따른 분류이다. 금속과 비금속이 만나는 지점 근처의 원소는 때때로 준금속 또는 이와 동등한 용어로 분류된다. 이 두세 개의 부류는 주기율표에서 서로 다른 배경색으로 표시되는 경우가 많다.
3. 1. 3. 주족 원소
주기율표에서 1족과 2족 원소, 그리고 13족부터 18족까지의 원소를 주족 원소(main group element)라고 부른다. 다만, 1족 원소인 수소(H)는 주족 원소에서 제외된다. 주족 원소에 속하는 대표적인 원소족들은 다음과 같다.
계열 이름 | 해당 족 및 원소 |
---|---|
알칼리 금속 | 1족 원소: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr |
알칼리 토금속 | 2족 원소: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra |
질소족 | 15족 원소: N, P, As, Sb, Bi† |
칼코젠 | 16족 원소: O, S, Se, Te, Po† |
할로젠 | 17족 원소: F, Cl, Br, I, At† |
비활성 기체 | 18족 원소: He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn† |
:† 15족(Mc), 16족(Lv), 17족(Ts) 및 18족(Og)의 무거운 원소들은 명목상 지정된 족에 할당되었지만, 그들의 화학적 특성은 아직 실험적으로 확인되지 않았다.
3. 2. 역사적 분류
원소들을 특정 기준으로 묶어 부르는 다양한 이름들이 과거부터 사용되어 왔다. 이러한 분류는 전체 주기율표를 포괄하기보다는 특정 성질이나 용도에 따라 원소들을 묶는 경우가 많으며, 때로는 분류 기준이나 포함되는 원소의 범위가 명확하지 않거나 중복되기도 한다.가장 기본적인 분류는 금속과 비금속으로 나누는 것이며, 이 둘 사이의 중간 성질을 가진 원소들을 준금속으로 분류하기도 한다.
그 외에도 역사적으로 사용되었거나 특정 기준에 따라 원소들을 묶는 다양한 용어들이 있다.
- 칼코젠: 16족 원소를 부르는 다른 이름이다.
- 주화 금속: 동전 주조에 사용되는 금속들을 가리킨다.
- 귀금속 noble metaleng: 화학적으로 부식에 강한 금속들을 의미한다. 경제적 가치가 높은 금속을 의미하는 귀금속 precious metaleng과는 구분될 수 있다.
- 전형 원소: 주족 원소와 유사한 개념으로 사용되기도 한다.
- 토금속: 과거에 특정 족의 원소들을 묶어 부르던 용어이다.
- 백금족: 백금(Pt)을 포함한 특정 6가지 원소 그룹을 지칭한다.
- 희토류 원소: 스칸듐(Sc), 이트륨(Y) 및 란타넘족 원소를 포함하는 그룹이다.
- 중금속: 밀도, 원자 번호, 독성 등 다양한 기준에 따라 정의되는 금속 그룹이다.
- 무거운 원자: 계산 화학 분야에서 수소(H)와 헬륨(He)을 제외한 모든 원소를 지칭하는 용어이다.
- 마이너 악티늄족: 핵연료에서 발견되는 악티늄족 중 우라늄(U)과 플루토늄(Pu)을 제외한 원소들을 가리킨다.
- 천연 금속: 자연 상태에서 순수한 형태로 존재하는 금속을 의미한다.
- 비철금속: 철(Fe)을 주성분으로 하지 않는 금속 또는 합금을 분류하는 용어이다.
- 전이후 금속: 전이 금속 다음에 오는 금속들을 지칭하지만, 그 범위에 대해서는 명확한 합의가 이루어지지 않았다.
- 초우라늄 원소, 초플루토늄 원소, 초악티늄족 원소: 각각 우라늄(U), 플루토늄(Pu), 악티늄족보다 원자 번호가 큰 원소들을 묶어 부르는 용어이다.
- 밸브 금속: 전해 전지에서 한 방향으로만 전류를 통과시키는 성질을 가진 금속을 가리킨다.
- 초악티늄족: 아직 발견되지 않았지만 존재가 예측되는 가상의 원소 계열을 의미한다.
3. 2. 1. 토금속
토금속은 오래된 역사적 용어로, 주로 화학에서 특정 원소 집합을 부를 때 사용되었다. 일반적으로 주기율표의 3족과 13족에 속하는 금속 원소들을 가리킨다. 하지만 명확한 정의가 있는 것은 아니어서, 때로는 베릴륨(beryllium)이나 크로뮴(chromium)과 같은 다른 족의 원소들도 토금속으로 분류되기도 했다.3. 2. 2. 주화 금속
주화 금속은 주로 11족 원소인 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au)을 포함하여 동전을 주조하는 데 사용되는 다양한 금속을 가리킨다.3. 2. 3. 귀금속
귀금속은 일반적으로 부식에 강한 성질을 가지며, 경제적 가치가 높은 금속을 가리킨다. 어떤 원소들을 귀금속으로 분류할지에 대한 정의는 다양하지만, 대표적으로 은(Ag), 금(Au) 그리고 백금족 금속이 포함된다. 백금족 금속에는 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 백금(Pt)이 속한다.3. 2. 4. 백금족 금속
백금족 금속은 다음 6가지 원소를 포함하는 그룹이다.
이들은 귀금속의 일종으로 분류되기도 한다.
3. 2. 5. 희토류 원소
희토류 원소는 스칸듐 (Sc), 이트륨 (Y), 그리고 란타넘족 원소들을 포함하는 화학 원소 그룹이다.3. 2. 6. 중금속
중금속은 밀도, 원자 번호 또는 독성을 기준으로 다양하게 정의되는 금속 그룹이다.3. 2. 7. 무거운 원자
계산 화학 분야에서 사용되는 용어로, 수소와 헬륨을 제외한 모든 원소를 가리킨다.3. 2. 8. 마이너 악티늄족
핵연료에서 상당한 양으로 발견되는 악티늄족 원소 중에서 우라늄(U)과 플루토늄(Pu)을 제외한 원소들을 가리킨다. 마이너 악티늄족에 속하는 원소는 다음과 같다.3. 2. 9. 천연 금속
자연 상태에서 순수한 형태로 존재하는 금속을 말한다. 귀금속과 주석(Sn), 납(Pb) 등이 여기에 포함된다.3. 2. 10. 비철금속
비철금속 Non-ferrous metaleng은 상당한 양의 철을 포함하지 않는 금속 또는 합금이다.3. 2. 11. 초악티늄족 원소
악티늄족 이후의 원소, 즉 원자 번호가 103보다 큰 원소들을 가리킨다.3. 2. 12. 초플루토늄 원소
초플루토늄 원소는 원자 번호가 94번인 플루토늄(Pu)보다 큰 원소들을 가리킨다.3. 2. 13. 초우라늄 원소
초우라늄 원소는 원자 번호가 92번인 우라늄(U)보다 큰 원소를 가리킨다.3. 2. 14. 밸브 금속
전해 전지에서 한 방향으로만 전류를 통과시키는 금속.3. 2. 15. 초악티늄족
초악티늄족은 주기율표에서 존재가 예측되는 g-블록을 포함하는 가상의 원소 계열이다. 원자 번호 121번부터 157번까지의 아직 발견되지 않은 원소들이 여기에 해당한다.4. 한국의 원소 분류
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