1주기 원소
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1. 개요
1주기 원소는 주기율표의 첫 번째 주기에 위치하며, 수소(H)와 헬륨(He) 두 가지 원소로 구성된다. 이들은 s-블록에 속하지만, 수소는 1족과 17족의 성질을 모두 보이며, 헬륨은 18족 비활성 기체와 유사한 특성을 나타낸다. 수소는 우주에서 가장 풍부한 원소이며, 헬륨은 두 번째로 가볍고 풍부한 원소이다. 수소는 산업적으로 암모니아 생산 등에 사용되며, 헬륨은 저온학, 풍선 충전 등 다양한 분야에서 활용된다.
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| 1주기 원소 | |
|---|---|
| 1주기 원소 | |
| 원자 번호 | 1~2 |
| 전자 껍질 | K 껍질만 채워짐 |
| 포함 원소 | 수소 헬륨 |
| 원소별 정보 | |
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2. 주기율표 경향성
다른 모든 주기율표의 주기들은 적어도 8개의 원소를 포함하고 있으며, 주기에 걸쳐 주기적 성질을 고려하는 것이 종종 도움이 된다. 그러나 제1주기는 단 두 개의 원소만 포함하고 있으므로, 이 개념은 여기에 적용되지 않는다.
수소와 헬륨은 모두 s-구역 원소이지만, 다른 s-구역 원소와 성질이 유사하지 않아 주기율표 내 위치에 대한 논쟁이 있다.[2]
족을 따라 수직적인 경향 측면에서 헬륨은 IUPAC 18족의 선두에 있는 전형적인 비활성 기체로 볼 수 있지만, 수소의 화학적 성질은 독특하며 어떤 족에도 쉽게 할당되지 않는다.
3. 주기율표에서 제1주기 원소의 위치
전자 배치만 따르면 수소(1s1)와 헬륨(1s2)은 리튬(1s22s1)과 베릴륨(1s22s2) 위에 있는 1족과 2족에 배치되어야 한다.[2] 그러나 수소는 화학적 성질 때문에 1족, 17족, 또는 별도의 위치 등으로 다양하게 배치되며, 헬륨은 주로 18족에 배치되지만 2족에 배치해야 한다는 주장도 있다.
3. 1. 수소 (H)
수소(H)는 원자 번호가 1번인 화학 원소이다. 표준 온도 및 압력에서 수소는 색, 냄새, 맛이 없고, 비금속성이며, 인화성이 매우 높은 이원자 분자 기체(H2)이다. 원자 질량이 1.00794 amu인 수소는 가장 가벼운 원소이다.[21]
수소는 우주에서 가장 풍부한 화학 원소로, 우주 원소 질량의 약 75%를 차지한다.[22] 주계열성 별들은 주로 플라즈마 상태의 수소로 구성되어 있다. 지구에서 원소 수소는 비교적 드물며, 메테인과 같은 탄화수소에서 산업적으로 생산된다. 대부분의 원소 수소는 생산 현장에서 지역적으로 사용된다. 가장 큰 시장은 화석 연료 개질(예: 수소 분해)과 암모니아 생산(주로 비료 시장)으로 거의 균등하게 나뉜다. 수소는 전기 분해로 물에서 생산할 수 있지만, 이 방법은 천연 가스에서 수소 생산하는 것보다 상업적으로 훨씬 비싸다.[23]
가장 흔한 수소의 동위 원소인 프로튬은 양성자 하나만 있고 중성자는 없다.[24] 이온 화합물에서 수소는 양전하를 띠어 핵 양성자로 구성된 이온이 되거나, 음전하를 띠어 수소화물로 알려진 이온이 될 수 있다. 수소는 대부분의 원소와 화합물을 형성할 수 있으며, 물과 대부분의 유기 화합물에 존재한다.[25] 수소는 산-염기 반응 이론에서 특히 중요한데, 많은 반응이 용해성 분자 간의 양성자 교환을 포함하기 때문이다.[26] 슈뢰딩거 방정식을 해석적으로 풀 수 있는 유일한 중성 원자이므로, 수소 원자의 에너지와 원자 스펙트럼 연구는 양자 역학 발전에 중요한 역할을 했다.[27]
수소는 전자 배치(1s1)에 따라 1족에 배치하는 것이 일반적이지만, 화학적 성질은 알칼리 금속(1족) 및 할로젠(17족)과 유사성과 차이점을 모두 보인다. 1족 금속처럼 수소는 최외각 전자에 하나의 전자를 가지고 있으며[4] 일반적으로 화학 반응에서 이 전자를 잃는다.[5] 일부 금속을 그들의 염에서 치환할 수 있는 금속과 같은 화학적 성질을 가지지만,[5] 표준 조건에서 2원자 비금속 가스를 형성한다는 점이 다르다. 수소는 수소화물을 형성하여 전자를 얻기도 하는데, 이는 할로젠의 성질과 유사하다.[5] (하지만 수소가 H−를 형성하는 것은 H+를 형성하는 것보다 드물다).[6] 또한 가장 가벼운 두 할로젠 (플루오린 및 염소)은 표준 조건에서 수소와 같이 기체이다.[5]
이처럼 수소는 알칼리 금속과 할로젠의 특성을 모두 가지지만, 어느 그룹에도 완벽하게 맞지 않아 화학적으로 배치하기 어렵다.[5] 따라서 1족, 17족, 또는 별도의 위치 등 다양한 배치 방식이 제안되고 있다.[7][8][9][10][12] 에릭 세르리는 모든 원소가 주기율을 따라야 하는데, 수소를 모든 그룹에서 제외하는 것은 주기율을 배제하는 것이라고 비판했다.[11]
다양한 금속과의 수소 상호 작용은 야금학에서 매우 중요한데, 많은 금속이 수소 취성을 겪을 수 있기 때문이다.[28] 또한, 수소는 연료로 사용하기 위한 안전한 저장 방법을 개발하는 데에도 중요하며,[29] 희토류 금속 및 전이 금속으로 구성된 많은 화합물에 매우 잘 용해된다.[30] 수소는 결정질 및 비정질 고체 금속 모두에 용해될 수 있으며,[31] 금속 내 수소 용해도는 금속 결정 격자의 국부적인 왜곡이나 불순물에 영향을 받는다.[32]
3. 2. 헬륨 (He)
헬륨(He)은 무색, 무취, 무미, 무독성의 불활성 단원자 화학 원소로, 주기율표에서 비활성 기체 계열의 선두에 위치하며, 원자 번호는 2이다.[33] 끓는점과 녹는점이 원소 중에서 가장 낮으며, 극단적인 조건을 제외하고는 오직 기체 상태로만 존재한다.[34]
헬륨은 1868년 프랑스 천문학자 피에르 얀센이 일식에서 나오는 빛에서 미지의 노란색 스펙트럼 선을 감지하면서 처음 발견되었다.[35] 1903년, 미국 천연 가스전에서 헬륨의 대규모 매장량이 발견되었으며, 현재까지도 헬륨 가스의 가장 큰 공급원이다.[36]
전자 배치(1s2)에 따르면 헬륨은 베릴륨(1s22s2) 위에 있는 2족에 배치되어야 한다.[2] 그러나 화학적 성질은 18족 비활성 기체와 유사하여 일반적으로 18족에 배치된다. 헬륨은 다른 비활성 기체와 달리 최외각 전자가 2개이며, s-구역 원소라는 점에서 차이가 있다.[3][12] 헨리 벤트와 찰스 자넷 등 일부 화학자들은 헬륨을 2족에 배치하는 것을 옹호하기도 한다.[17][13][14][15][16] 헬륨은 네온보다 약간 더 반응성이 있을 것으로 예상되며, 예측된 헬륨 화합물은 종종 이론적으로도 네온 유사체를 갖지 않지만, 때로는 베릴륨 유사체를 갖는다.[18][19][20]
헬륨은 저온학,[37] 잠수 호흡 시스템,[38] 초전도 자석 냉각, 헬륨 연대 측정,[39] 풍선 팽창,[40] 비행선 부력 제공,[41] 아크 용접 및 실리콘 웨이퍼 성장과 같은 산업적 용도의 보호 기체로 사용된다.[42] 소량의 가스를 들이마시면 일시적으로 인간의 목소리 음색과 음질이 변한다.[43] 액체 헬륨-4의 두 유체상인 헬륨 I과 헬륨 II의 거동은 양자 역학과 초유동성 현상, 절대 영도 근처의 온도가 물질에 미치는 영향(예: 초전도 현상)을 연구하는 사람들에게 중요하다.[44][45]
헬륨은 두 번째로 가벼운 원소이며, 관측 가능한 우주에서 두 번째로 풍부한 원소이다.[46] 대부분의 헬륨은 빅뱅 동안 형성되었지만, 새로운 헬륨은 별에서 수소의 핵융합 결과로 생성되고 있다.[47] 지구에서 헬륨은 비교적 희귀하며, 일부 방사성 원소의 자연적인 붕괴 과정에서 방출되는 알파 입자(헬륨 원자핵)에 의해 생성된다.[48] 이 방사성 헬륨은 부피 기준으로 최대 7% 농도로 천연 가스와 함께 포획되며, 분별 증류라는 저온 분리 과정을 통해 상업적으로 추출된다.[49][50]
4. 원소 목록
수소는 원자 번호 1번으로 가장 가벼운 원소이며, 헬륨은 원자 번호 2번의 불활성 기체이다.
4. 1. 수소
수소(H)는 원자 번호 1번인 화학 원소이다. 표준 온도 및 압력에서 수소는 무색, 무취, 비금속성이며, 맛이 없고, 인화성이 매우 높은 분자식 H2를 갖는 이원자 분자 기체이다. 원자 질량이 1.00794 amu인 수소는 가장 가벼운 원소이다.[21]
수소는 가장 풍부한 화학 원소로, 우주의 원소 질량의 약 75%를 차지한다.[22] 주계열성의 별들은 주로 플라즈마 상태의 수소로 구성되어 있다. 원소 수소는 지구에서는 비교적 드물며, 메테인과 같은 탄화수소로부터 산업적으로 생산되며, 대부분의 원소 수소는 "자급 자족" 방식으로 사용된다(즉, 생산 현장에서 지역적으로 사용됨). 가장 큰 시장은 수소 분해와 같은 화석 연료 개질과 주로 비료 시장을 위한 암모니아 생산으로 거의 균등하게 분할된다. 수소는 전기 분해 과정을 사용하여 물로부터 생산될 수 있지만, 이 과정은 천연 가스로부터의 수소 생산보다 상업적으로 훨씬 더 비싸다.[23]
가장 흔하게 자연적으로 발생하는 수소의 동위 원소인 프로튬은 단 하나의 양성자를 가지고 있으며 중성자는 없다.[24] 이온 화합물에서 수소는 양전하를 띠어, 핵 양성자로 구성된 이온이 되거나, 음전하를 띠어 수소화물로 알려진 이온이 될 수 있다. 수소는 대부분의 원소와 화합물을 형성할 수 있으며, 물과 대부분의 유기 화합물에 존재한다.[25] 수소는 많은 반응이 용해성 분자 간의 양성자 교환을 포함하는 산-염기 반응 이론에서 특히 중요한 역할을 한다.[26] 슈뢰딩거 방정식을 해석적으로 풀 수 있는 유일한 중성 원자이므로, 수소 원자의 에너지와 원자 스펙트럼 연구는 양자 역학 발전에 중요한 역할을 했다.[27]
다양한 금속과의 수소의 상호 작용은 많은 금속이 수소 취성을 겪을 수 있기 때문에 야금학에서 매우 중요하며,[28] 연료로 사용하기 위한 안전한 저장 방법을 개발하는 데에도 중요하다.[29] 수소는 희토류 금속 및 전이 금속으로 구성된 많은 화합물에 매우 잘 용해되며,[30] 결정질 및 비정질 고체 금속 모두에 용해될 수 있다.[31] 금속 내 수소 용해도는 금속 결정 격자의 국부적인 왜곡 또는 불순물의 영향을 받는다.[32]
4. 2. 헬륨
헬륨(He)은 무색, 무취, 무미, 무독성의 불활성 단원자 화학 원소로, 주기율표에서 비활성 기체 계열의 선두에 위치하며, 원자 번호는 2이다.[33] 끓는점과 녹는점이 원소 중에서 가장 낮으며, 극단적인 조건을 제외하고는 오직 기체 상태로만 존재한다.[34]
1868년 프랑스 천문학자 피에르 얀센이 일식에서 나오는 빛에서 미지의 노란색 스펙트럼 선을 감지하면서 헬륨이 처음 발견되었다.[35] 1903년, 미국 천연 가스전에서 헬륨의 대규모 매장량이 발견되었으며, 현재까지도 헬륨 가스의 가장 큰 공급원이다.[36] 헬륨은 저온학,[37] 잠수 호흡 시스템,[38] 초전도 자석 냉각, 헬륨 연대 측정,[39] 풍선 팽창,[40] 비행선 부력 제공,[41] 아크 용접 및 실리콘 웨이퍼 성장과 같은 산업적 용도의 보호 기체로 사용된다.[42] 소량의 헬륨 가스를 들이마시면 일시적으로 사람 목소리의 음색과 음질이 변한다.[43] 액체 헬륨-4의 두 유체상인 헬륨 I과 헬륨 II의 거동은 특히 양자 역학과 초유동성 현상을 연구하는 연구자들에게,[44] 절대 영도 근처의 온도가 물질에 미치는 영향, 예를 들어 초전도 현상과 같은 연구를 하는 사람들에게 중요하다.[45]
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