10족 원소는 주기율표의 10족에 속하는 원소로, 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt)을 포함한다. 이들은 최외각 전자 및 내부 껍질 전자의 전자 구조가 주기에 따라 다르며, 다양한 산화 상태를 가질 수 있다. 니켈은 철과 유사한 성질을 보이며, 팔라듐과 백금은 탄소 화합물과 안정적인 π 착체를 형성하여 촉매 반응에 이용된다. 10족 원소는 장신구, 촉매, 합금, 전기 부품 등 다양한 용도로 사용되며, 백금 복합체는 항암 치료에 활용되기도 한다.
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천연의 니켈은 주로 비소, 안티몬, 황 등과 결합한 광석으로 발견된다. 또한, 단체의 니켈은 운철 중에 철과의 합금으로 발견되며, 지구 내부의 핵도 마찬가지로 철과 니켈이 주성분으로 생각된다(암석권에서는 0.016%를 차지한다). 팔라듐 및 백금은 '''백금족 원소'''라고 불리는 루테늄, 로듐, 오스뮴, 이리듐과 함께 산출되며, '''백금족 원소'''는 합쳐서 암석권의 2×10-6%를 차지한다.
니켈은 산화수 -1, 0, +1, +2, +3, +4를 취하는 것으로 알려져 있지만, 화합물의 종류로서는 +2가 이외의 화합물은 소수이며, 대개는 +2가의 화합물로 발견된다. 팔라듐은 0, +2, +4가, 백금은 0, +2, +4, +5, +6을 취하는 것으로 알려져 있지만, +2, +4가의 화합물이 다수 알려져 있으며, 다른 것은 소수이다.
팔라듐 및 백금은 서로 비슷한 성질을 나타내지만, '''철족 원소'''라고 불리는 것처럼 니켈은 철과 유사한 성질을 나타낸다. 예를 들어, 일산화 탄소와 반응하여 철의 경우와 마찬가지로 니켈 카르보닐 화합물을 생성하는 데 반해, 팔라듐 및 백금은 2성분 금속 카르보닐을 형성하지 않는 점이 다르다. 또한, 단체의 니켈은 강자성을 나타내는 데 반해 팔라듐 및 백금은 그렇지 않다.
특히 팔라듐 및 백금은 탄소 화합물과 안정적인 π 착체를 형성하여, 접촉 수소 첨가 반응 등 촉매 반응에 이용된다. 또한 Ni(+2), Pd(+2) 착체의 평면 배위자의 치환 반응은 활성이 있으며(Ni는 치환 속도가 빠르고, Pd는 중간 정도), Pt(+2)는 불활성이기 때문에, 크로스 커플링 반응에서는 주로 팔라듐 촉매가 이용된다. 그렇지만 니켈도 성질이 비슷하기 때문에, 접촉 수소 첨가 반응도 크로스 커플링 반응도 공업적으로는 저렴한 니켈 촉매가 이용되는 경우도 있다.
2. 1. 화학적 성질
10족 원소는 +1에서 +4까지의 산화 상태에서 관찰된다.[2] +2 산화 상태는 니켈과 팔라듐에 일반적이며, +2와 +4는 백금에 일반적이다. -2 및 -1의 산화 상태도 니켈[3][4]과 백금[5]에서 관찰되었으며, +5 산화 상태는 팔라듐[6]과 백금[7]에서 관찰되었다. 백금은 또한 -3[8] 및 +6[9]의 산화 상태에서 관찰되었다. 이론에 따르면 백금은 특정 조건에서 +10 산화 상태를 생성할 수 있지만, 이는 아직 경험적으로 입증되지 않았다.[10]
니켈은 산화수 -1, 0, +1, +2, +3, +4를 취하는 것으로 알려져 있지만, +2가 이외의 화합물은 소수이며, 대개는 +2가의 화합물로 발견된다. 팔라듐은 0, +2, +4가, 백금은 0, +2, +4, +5, +6을 취하는 것으로 알려져 있지만, +2, +4가의 화합물이 다수 알려져 있으며, 다른 것은 소수이다.
팔라듐과 백금의 바닥 상태 전자 배치는 마델룽 규칙의 예외이다. 마델룽 규칙에 따르면, 팔라듐과 백금의 전자 배치는 각각 [Kr] 5s2 4d8과 [Xe] 4f14 5d8 6s2일 것으로 예상된다. 그러나 팔라듐의 5s 오비탈은 비어 있으며, 백금의 6s 오비탈은 부분적으로만 채워져 있다. 7s 오비탈의 상대론적 안정화는 이 그룹에서는 특이하게 아우프바우 원리에 의해 예측된 것과 일치하는 다름슈타튬의 예측된 전자 배치에 대한 설명이다. 일반적으로, 무거운 원자와 전이 금속의 바닥 상태 전자 배치는 예측하기가 더 어렵다.
천연의 니켈은 주로 비소, 안티몬, 황 등과 결합한 광석으로 발견된다. 또한, 단체의 니켈은 운철 중에 철과의 합금으로 발견되며, 지구 내부의 핵도 마찬가지로 철과 니켈이 주성분으로 생각된다(암석권에서는 0.016%를 차지한다). 팔라듐 및 백금은 '''백금족 원소'''라고 불리는 루테늄, 로듐, 오스뮴, 이리듐과 함께 산출되며, '''백금족 원소'''는 합쳐서 암석권의 2×10-6%를 차지한다.
팔라듐 및 백금은 서로 비슷한 성질을 나타내지만, '''철족 원소'''라고 불리는 것처럼 니켈은 철과 유사한 성질을 나타낸다. 예를 들어, 일산화 탄소와 반응하여 철의 경우와 마찬가지로 니켈 카르보닐 화합물을 생성하는 데 반해, 팔라듐 및 백금은 2성분 금속 카르보닐을 형성하지 않는 점이 다르다. 또한, 단체의 니켈은 강자성을 나타내는 데 반해 팔라듐 및 백금은 그렇지 않다.
특히 팔라듐 및 백금은 탄소 화합물과 안정적인 π 착체를 형성하여, 접촉 수소 첨가 반응 등 촉매 반응에 이용된다. 또한 Ni(+2), Pd(+2) 착체의 평면 배위자의 치환 반응은 활성이 있으며(Ni는 치환 속도가 빠르고, Pd는 중간 정도), Pt(+2)는 불활성이기 때문에, 크로스 커플링 반응에서는 주로 팔라듐 촉매가 이용된다. 그렇지만 니켈도 성질이 비슷하기 때문에, 접촉 수소 첨가 반응도 크로스 커플링 반응도 공업적으로는 저렴한 니켈 촉매가 이용되는 경우도 있다.
2. 2. 물리적 성질
10족 원소는 일반적으로 은백색의 전이 금속이며, 분말 형태로도 쉽게 얻을 수 있다.[12] 이들은 단단하고, 높은 광택을 가지며, 매우 연성이 높다. 10족 원소는 STP에서 변색(산화)에 강하며, 내화성이고, 높은 녹는점과 끓는점을 갖는다.[12] 다름슈타튬은 순수한 형태로 분리된 적이 없으며, 그 성질도 확실하게 관찰된 바가 없다.[12]
천연의 니켈은 주로 비소, 안티몬, 황 등과 결합한 광석으로 발견된다. 또한, 단체의 니켈은 운철 중에 철과의 합금으로 발견되며, 지구 내부의 핵도 마찬가지로 철과 니켈이 주성분으로 생각된다(암석권에서는 0.016%를 차지한다). 팔라듐 및 백금은 '''백금족 원소'''라고 불리는 루테늄, 로듐, 오스뮴, 이리듐과 함께 산출되며, '''백금족 원소'''는 합쳐서 암석권의 2×10-6%를 차지한다.
팔라듐 및 백금은 서로 비슷한 성질을 나타내지만, '''철족 원소'''라고 불리는 것처럼 니켈은 철과 유사한 성질을 나타낸다. 예를 들어, 일산화 탄소와 반응하여 철의 경우와 마찬가지로 니켈 카르보닐 화합물을 생성하는 데 반해, 팔라듐 및 백금은 2성분 금속 카르보닐을 형성하지 않는 점이 다르다. 또한, 단체의 니켈은 강자성을 나타내는 데 반해 팔라듐 및 백금은 그렇지 않다.
3. 존재 및 생산
니켈은 광석에서 자연적으로 발생하며, 지구상에서 22번째로 풍부한 원소이다. 니켈을 추출할 수 있는 두드러진 광석 그룹은 라테라이트와 황화 광석이다.[13]인도네시아는 세계 최대의 니켈 매장량을 보유하고 있으며, 최대 생산국이기도 하다.[14]
4. 역사
4. 1. 니켈 발견
니켈은 종종 구리와 혼동되는데, 기원전 3500년까지 거슬러 올라간다.[10][15] 니켈은 기원전 3100년의 단검, 이집트 철 구슬, 기원전 3500~3100년의 시리아에서 발견된 청동 리머, 박트리아에서 주조된 동-니켈 합금 동전, 세네갈 강 근처의 무기와 항아리, 1700년대 멕시코인들이 사용한 농기구 등에서 발견되었다.[10][15] 고대 시대에 니켈이 사용된 것은 수메르인들이 철을 지칭하는 이름인 ''안-바르''("하늘에서 온 불")나 철의 하늘 기원을 묘사하는 히타이트 텍스트에서처럼 운철에서 유래되었을 가능성이 있다.
니켈은 1751년 A. F. 크론슈테트가 "쿠프페르니켈"(올드 닉의 구리)에서 불순한 금속을 분리한 이후에야 정식으로 원소로 명명되었다.[11] 1804년 J. B. 리히터는 더 순수한 샘플을 사용하여 니켈의 물리적 특성을 결정했으며, 이 금속을 연성이 있고 강하며 녹는점이 높은 금속으로 묘사했다. 니켈강 합금의 강도는 1889년에 묘사되었으며, 그 이후 니켈강은 처음에는 군사적 용도로, 20세기에는 부식 및 내열 합금 개발에 널리 사용되었다.
4. 2. 팔라듐 발견
윌리엄 하이드 울러스턴은 1803년 백금족 금속 정제 작업을 하던 중 팔라듐을 분리했다.[20] 팔라듐은 백금이 염산과 질산 용액에서 (NH4)PtCl6로 침전된 후 남은 잔류물에서 발견되었다.[12] 울러스턴은 최근 발견된 소행성 2 팔라스의 이름을 따서 팔라듐이라고 명명했으며, 익명으로 이 금속의 소량 표본을 상점에 판매했고, 이 상점은 팔라듐을 "팔라듐 또는 새로운 은"이라고 광고하면서 "새로운 귀금속"이라고 홍보했다.[16] 이로 인해 순도, 출처, 발견자의 신원에 대한 의문이 제기되어 논란이 일었다. 그는 결국 자신을 밝히고 1805년 왕립 학회에서 팔라듐 발견에 대한 논문을 발표했다.[17]
4. 3. 백금 발견
백금은 공식적으로 발견되기 전에 에콰도르 에스메랄다스 지방의 원주민들이 장신구로 사용했다.[18] 이 금속은 강바닥 퇴적물에서 금과 섞인 작은 알갱이 형태로 발견되었으며, 작업자들은 이를 금과 소결하여 반지와 같은 작은 장신구를 만들었다. 백금에 대한 최초의 보고서는 1736년 프랑스 탐험대와 함께 에콰도르의 금광에서 "플라티나"(작은 은)를 관찰한 스페인 수학자이자 천문학자, 해군 장교인 안토니오 데 울로아에 의해 작성되었다.[19] 광부들은 "플라티나"를 금과 분리하는 것이 어렵다는 것을 발견하고 그 광산들을 포기하게 되었다. 찰스 우드(철강업자)는 1741년 이 금속의 샘플을 영국으로 가져와 그 특성을 조사했는데, 높은 녹는점과 검은색 금속 모래 속에 작은 흰색 알갱이 형태로 존재한다는 것을 관찰했다. 우드의 발견이 왕립 학회에 보고된 후 이 금속에 대한 관심이 높아졌다. 스웨덴 과학자 헨릭 테오필루스 셰퍼는 1751년 이 귀금속을 "백금"과 "일곱 번째 금속"이라고 부르며, 높은 내구성과 밀도, 구리나 비소와 혼합하면 쉽게 녹는다고 보고했다. 피에르-프랑수아 샤바노 (1780년대)와 윌리엄 하이드 울라스턴(1800년대)은 모두 가단성 백금을 생산하기 위한 분말 야금 기술을 개발했지만, 그 과정을 비밀로 유지했다.[18] 그러나 그들의 백금 잉곳은 부서지기 쉬웠고 불순물 때문에 쉽게 갈라지는 경향이 있었다. 1800년대에는 고온을 유지할 수 있는 용광로가 발명되어 분말 야금을 대체하고 녹인 백금을 시장에 도입했다.
백금 복합체는 항종양 활성으로 인해 화학 요법에서 항암제로 흔히 사용된다.[20] 팔라듐 복합체 또한 미미한 항종양 활성을 보이지만, 활성이 백금 복합체에 비해 불안정하다.[20]
7. 각주
# 일본 화학회 편, 『화학 편람』 기초편, 개정 5판, 마루젠
# R.B. 헤스롭, K. 존스, 『무기 화학』, 도쿄 화학 동인
# F.A. 코튼, G. 윌킨슨, 『무기 화학』, 배풍관 ISBN 4-563-04066-5
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