14족 원소
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1. 개요
14족 원소는 주기율표 14족에 속하는 원소로, 탄소(C), 규소(Si), 저마늄(Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 플레로븀(Fl)으로 구성된다. 이들은 최외각 전자가 4개이며, 공유 결합을 통해 화합물을 형성하는 경향이 있다. 탄소는 생명체에 필수적인 원소이며, 규소는 반도체, 주석과 납은 다양한 산업 분야에서 활용된다. 원자 번호가 증가함에 따라 금속성이 증가하며, 플레로븀은 방사성 원소이다.
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| 14족 원소 | |
|---|---|
| 탄소족 (14족) | |
 | |
| |
| |
| |
| |
| 원소 기호 | C, Si, Ge, Sn, Pb, Fl |
| CAS 그룹 | IVA |
| 이전 IUPAC 그룹 | IVB |
| 왼쪽 그룹 | 붕소족 |
| 오른쪽 그룹 | 질소족 |
| 구성 원소 | |
| 탄소 | C |
| 규소 | Si |
| 게르마늄 | Ge |
| 주석 | Sn |
| 납 | Pb |
| 플레로븀 | Fl |
| 원소 상태 | |
| 탄소 | 고체 |
| 규소 | 고체 |
| 게르마늄 | 고체 |
| 주석 | 고체 |
| 납 | 고체 |
| 플레로븀 | 불확실 |
| 원소 분류 | |
| 탄소 | 기타 비금속 |
| 규소 | 준금속 |
| 게르마늄 | 준금속 |
| 주석 | 기타 금속 |
| 납 | 기타 금속 |
| 플레로븀 | 기타 금속 |
| 원소 존재 | |
| 탄소 | 태초 |
| 규소 | 태초 |
| 게르마늄 | 태초 |
| 주석 | 태초 |
| 납 | 태초 |
| 플레로븀 | 합성 |
| 화학적 특성 | |
| 반응성 | 대부분의 탄소족 원소는 반응성이 낮은 편이나, 조건에 따라 다양한 화합물을 형성한다. |
| 산화수 | +4, +2 |
| 결합 형태 | 주로 공유 결합을 형성하며, 금속 원소와는 이온 결합을 형성하기도 한다. |
| 물리적 특성 | |
| 전기 전도도 | 탄소는 다양한 형태를 가지며, 전도성이 큰 흑연과 절연체인 다이아몬드가 존재한다. 규소와 게르마늄은 반도체이다. |
| 밀도 | 탄소족 원소는 원자 번호가 증가함에 따라 밀도가 증가한다. |
| 녹는점/끓는점 | 탄소족 원소는 원자 번호가 증가함에 따라 녹는점과 끓는점이 불규칙하게 변화한다. |
| 활용 분야 | |
| 탄소 | 생명체의 기본 구성 원소이며, 다양한 유기 화합물 및 고분자 물질의 주성분이다. 연료, 윤활제, 건축 자재 등 다양한 용도로 사용된다. |
| 규소 | 반도체 소자 제조에 필수적이며, 태양 전지, 유리, 실리콘 고무 등의 원료로 사용된다. |
| 게르마늄 | 적외선 광학 장비, 광섬유, 반도체 재료 등에 사용된다. |
| 주석 | 납땜, 도금, 합금 재료 등에 사용되며, 통조림 캔의 내부 코팅에도 사용된다. |
| 납 | 축전지, 방사선 차폐, 납땜 재료 등에 사용된다. 과거에는 수도관 재료로도 사용되었지만, 현재는 독성 문제로 사용이 제한된다. |
| 플레로븀 | 아직 연구 단계이며, 실질적인 활용 분야는 알려져 있지 않다. |
| 기타 | |
| g-C3N4/Ti3C2 복합재 | 가시광선 하에서 시프로플록사신의 분해에 대한 광촉매 능력에 사용됨 |
2. 화학적 성질
14족 원소는 최외각에 4개의 전자를 가지고 있어 다양한 화학 결합을 형성할 수 있다.[3]
14족 원소는 공유 결합성 다가의 탄소와 금속인 납 사이의 원소들은 두 성질을 모두 갖추고 있으며, 주기가 커짐에 따라 금속적인 성질이 증가한다. 규소, 저마늄, 주석은 전기 전도성 측면에서 반도체로 분류되며, 특히 규소와 저마늄은 진성 반도체로서 전자공학의 기반이 되는 재료이기도 하다.
탄소와 규소는 공유 결합 경향이 강하며, 이는 8개의 전자로 채워지는 결과를 가져온다. 이들의 결합은 종종 혼성화되어 sp3 전자 네 쌍을 가지지만, 그래핀과 흑연에서처럼 세 쌍의 sp2 전자를 갖는 경우도 있다. 이중 결합은 탄소(알켄)의 특징이며, π-계에도 마찬가지이다.[3]
탄소는 단체가 사슬 구조로 길게 연결되는 연쇄성을 보이며, 4가의 공유 결합과 함께 다양한 탄소 골격을 형성하고 방대한 유기화합물을 형성하는 요인 중 하나이다. 규소는 단체도 보이지만 오히려 산화물이 더 강하게 연쇄성을 나타낸다. 산화 규소의 연쇄성은 다채로운 암석(규산염 화합물)의 특성으로 나타나며, 산업적으로는 규소 수지로 이용되고 있다.
주석과 납은 제련하기 쉬운 광석으로 산출되므로 선사 시대(문자로 역사가 기록되기 이전 시대)부터 금속 자원으로 인류에게 활용되어 왔다. 반면, 저마늄은 지각에 널리 분포하지만 유용한 광석이 없어 20세기에 들어서야 이용되기 시작했다. 저마늄과 주석은 반금속이며, 특히 β-주석은 금속 결합성을 나타내는 반면, α-주석은 공유 결합성을 나타내는 등 상황에 따라 이중성을 보인다. 납 및 납 화합물은 거의 공유 결합적 성질을 나타내지 않는다.
14족 알킬 유도체(QR4)는 전자적으로 정밀하여 다른 족의 알킬 유도체에 비해 화학 반응성이 낮다. (여기서 ''n''은 Q의 표준 결합 수, 람다 규칙 참조) 탄소의 경우 C–C 결합의 높은 결합 해리 에너지와 중심 원자와 알킬 리간드 사이의 전기음성도 차이의 부재로 인해 포화 알킬 유도체인 알케인이 특히 불활성이다.[3]
주석과 납은 2가의 양이온이 산화적으로 안정적인 반면, 게르마늄 2가는 불안정하여 불균화에 의해 4가의 이온을 생성하기 쉽다. 2가의 주석 화합물은 온화한 환원제로 이용되지만, 4가의 납 화합물은 산화제로 이용된다.
14족 원소 중 일부는 염색 반응을 나타낸다.
| 주석 | 납 |
|---|---|
| 담청색 | 담청색 |
2. 1. 전자 배치
14족 원소는 s2p2의 전자 배치를 가지며, 원자 번호가 증가할수록 전자를 잃는 경향이 커져 금속성이 강해진다. 고립된 중성 14족 원자는 바닥 상태에서 s2p2 전자 배치를 가진다.[3] 14족 원소의 전자 배치는 다음과 같다.| Z | 원소 | 각 껍질의 전자 수 |
|---|---|---|
| 6 | 탄소 | 2, 4 |
| 14 | 규소 | 2, 8, 4 |
| 32 | 저마늄 | 2, 8, 18, 4 |
| 50 | 주석 | 2, 8, 18, 18, 4 |
| 82 | 납 | 2, 8, 18, 32, 18, 4 |
| 114 | 플레로븀 | 2, 8, 18, 32, 32, 18, 4 (예측) |
탄소와 규소는 공유 결합 경향이 강하며, 이는 8개의 전자로 채워지는 결과를 가져온다. 이들의 결합은 종종 혼성화되어 sp3 전자 네 쌍을 가지지만, 그래핀과 흑연에서처럼 세 쌍의 sp2 전자를 갖는 경우도 있다. 이중 결합은 탄소(알켄)의 특징이며, π-계에도 마찬가지이다.[3]
탄소는 카바이드(C4−) 이온 형태의 음이온을 형성하는 유일한 원소이다. 규소와 저마늄은 준금속이며, 각각 +4 이온을 형성할 수 있다. 주석과 납은 모두 금속이며, +2 이온을 형성할 수 있다. 주석은 화학적으로 금속이지만, α 동소체는 저마늄과 더 유사하며 전기 전도도가 낮다.[3] 플레로븀은 합성 방사성 원소로, 비활성 기체와 같은 성질을 가질 수 있지만, 전이후 금속일 가능성이 높다.[3]
14족 원소는 원자가 전자로 s2p2의 4개의 전자를 가지는 전자 배치를 갖는다.
| 탄소 6C | 규소 14Si | 저마늄 32Ge | 주석 50Sn | 납 82Pb | |
|---|---|---|---|---|---|
| 전자 배열 | [He]2s22p2 | [Ne]3s23p2 | [Ar]3d104s24p2 | [Kr]4d105s25p2 | [Xe]4f145d106s26p2 |
| 제1 이온화 에너지 (kJ mol-1) | 1086.5 | 786.5 | 762 | 708.6 | 715.6 |
| 제2 이온화 에너지 (kJ mol-1) | 2352.6 | 1577.1 | 1537.5 | 1411.8 | 1450.5 |
| 제3 이온화 에너지 (kJ mol-1) | 4620.5 | 3231.6 | 3302.1 | 2943.0 | 3081.5 |
| 제4 이온화 에너지 (kJ mol-1) | 6222.7 | 4355.5 | 4411 | 3930.3 | 4083 |
| 전자 친화 엔탈피 (kJ mol-1) | - | - | 115.78 | 115.78 | 35.12 |
| 전자 친화도 (kJ mol-1) | 121.85 | 133.63 | - | - | - |
| 전기 음성도 (Allred-Rochow) | 2.50 | 1.74 | 2.02 | 1.72 | 1.55 |
| 이온 반지름 (pm; M2+) | - | - | 87(6배위) | - | 133(6배위) 143(8배위) 163(12배위) |
| 이온 반지름 (pm; M4+) | 6(3배위) 29(4배위) | 40(4배위) 54(6배위) | 53(4배위) 67(6배위) | 69(4배위) 83(6배위) | 79(4배위) 92(6배위) 108(8배위) |
| 공유 결합 반지름 (pm) | 77 | 111 | 122 | 141 | 147 |
| van der Waals 반지름 (pm) | 170 | 210 | - | 217 | 202 |
2. 2. 산화 상태
탄소는 -4에서 +4, 규소는 주로 +4의 산화 상태를 가진다. 저마늄, 주석, 납은 +2와 +4 산화 상태를 갖는다.[3][4][5][6][7][8]탄소는 카바이드(C4−) 이온 형태의 음이온을 형성하는 유일한 원소이다.[3]
규소와 저마늄은 모두 준금속이며, 각각 +4 이온을 형성할 수 있다.[5][6]
주석과 납은 모두 금속이며, +2 이온을 형성할 수 있다. 주석은 화학적으로 금속이지만, α 동소체는 금속보다는 저마늄과 더 유사하며 전기 전도도가 낮다.[7]
2. 3. 화합물
14족 원소는 수소, 산소, 할로겐 등 다양한 원소와 결합하여 화합물을 형성한다. 탄소는 카바이드(C4−) 이온 형태의 음이온을 형성하는 유일한 원소이다.[3] 규소와 저마늄은 각각 +4 이온을 형성할 수 있다. 주석과 납은 +2 이온과 +4 이온을 모두 형성할 수 있다. 주석은 화학적으로 금속이지만, α 동소체는 저마늄과 더 유사하며 전기 전도도가 낮다.[7]14족 원소는 원자가 전자로 s2p2의 4개의 전자를 가지는 전자 배치를 갖는다. 14족 원소는 공유 결합성 다가의 '''탄소'''와 금속인 '''납''' 사이의 원소들은 두 성질을 모두 갖추고 있으며, 주기가 커짐에 따라 금속적인 성질이 증가한다. '''규소''', '''게르마늄''', '''주석'''은 전기 전도성 측면에서 반도체로 분류되며, 특히 규소와 게르마늄은 진성 반도체로서 전자공학의 기반이 되는 재료이기도 하다.
탄소는 단체가 사슬 구조로 길게 연결되는 '''연쇄성'''을 보이며, 4가의 공유 결합과 함께 다양한 탄소 골격을 형성하고 방대한 유기 화합물을 형성하는 요인 중 하나이다. 규소는 단체도 보이지만 산화물이 더 강하게 연쇄성을 나타낸다. 산화 규소의 연쇄성은 다채로운 암석(규산염 화합물)의 특성으로 나타나며, 산업적으로는 규소 수지로 이용된다.
주석과 납은 제련하기 쉬운 광석으로 산출되므로 선사 시대(문자로 역사가 기록되기 이전 시대)부터 금속 자원으로 인류에게 활용되어 왔다. 반면, 저마늄은 지각에 널리 분포하지만 유용한 광석이 없어 20세기에 들어서야 이용되기 시작했다. 저마늄과 주석은 반금속이며, 특히 β-주석은 금속 결합성을 나타내는 반면, α-주석은 공유 결합성을 나타내는 등 상황에 따라 이중성을 보인다. '''납''' 및 납 화합물은 거의 공유 결합적 성질을 나타내지 않는다.
14족 알킬 유도체(QR4)는 전자적으로 정밀하여 다른 족의 알킬 유도체에 비해 화학 반응성이 낮다. (여기서 ''n''은 Q의 표준 결합 수, 람다 규칙 참조) 탄소의 경우 C–C 결합의 높은 결합 해리 에너지와 중심 원자와 알킬 리간드 사이의 전기음성도 차이의 부재로 인해 포화 알킬 유도체인 알케인이 특히 불활성이다.[3]
주석과 납은 2가의 양이온이 산화적으로 안정적인 반면, 게르마늄 2가는 불안정하여 불균화에 의해 4가의 이온을 생성하기 쉽다. 2가의 주석 화합물은 온화한 환원제로 이용되지만, 4가의 납 화합물은 산화력이 강하여 산화제로 이용된다.
14족 원소 중 일부는 염색 반응을 나타낸다.
| 주석 | 납 |
|---|---|
| 담청색 | 담청색 |
2. 3. 1. 수소화물
탄소는 메테인(CH4)을 비롯한 다양한 탄화수소와 카르벤 등의 수소화물을 형성한다. 탄소의 수소화물은 안정한 공유 결합 화합물이며, 일반적인 환경에서는 거의 반응하지 않는다.[3]규소는 SiH4과 Si2H6 같은 수소화물을 형성한다.[5] 실레인(수소화 규소)은 산소나 물과 반응하는 불안정한 화합물이다. 또한 실레인은 보란과 함께 불포화 탄소 결합에 대해 특징적인 반응성을 나타내므로 유기화학에서 유용한 시약 중 하나이다.
저마늄은 GeH4과 Ge2H6을 포함한 다섯 가지 수소화물을 형성한다.[6]
주석은 SnH4과 Sn2H6 두 가지 수소화물을 형성한다.[7] 유기 수소화 주석의 Sn-H 결합은 라디칼적으로 분해되기 쉬우므로 유기화학에서 라디칼적으로 탈할로겐화할 때 시약으로 사용된다.
납은 PbH4이라는 하나의 수소화물을 형성한다.[8]
14족 원소 수소화물의 일반식은 MH₄이다. 드물게 MH₂이기도 하다.
2. 3. 2. 산화물
탄소는 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO₂) 등 다양한 산화물을 형성한다. 탄소는 저온에서 산소와 반응하여 이산화탄소를 생성하거나, 일산화탄소가 산화되어 이산화탄소를 생성한다. 고온에서는 이산화탄소가 탄소와 반응하여 일산화탄소를 생성하는 환원 반응이 우세하다. 이러한 특성으로 인해 일산화탄소는 금속 제련 과정에서 환원제로 사용된다. 산소 공급이 부족한 환경에서는 저온에서도 불완전 연소가 일어나 다량의 일산화탄소가 생성될 수 있다.[4]규소의 대표적인 산화물은 이산화규소(SiO₂)이다. 이산화규소는 암석의 주성분이며, 다양한 구조를 가진다. 순수한 이산화규소 결정은 수정이며, 부분적으로 수산기(-OH)로 치환되어 비정질화된 것이 유리이다. 일산화규소(SiO)는 안정된 화합물이 아니다.[5]
탄소의 무기 산화물은 다음과 같다.
- 일산화탄소(CO) (+2가)
- 이산화탄소(CO₂) (+4가)
- 아산화탄소(C₃O₂)
- 이산화오탄소(C₅O₂)
- 사이클로뷰테인테트라온(C₄O₄)
- 멜리트산 삼무수물
2. 3. 3. 할로젠화물
14족 원소는 MX₄ 형태의 사할로겐화물을 형성한다. 탄소는 모든 할로겐과 사할로겐화물을 형성한다.[4] 규소는 플루오린(SiF₄), 염소(SiCl₄), 브롬(SiBr₄), 요오드(SiI₄)와 사할로겐화물을 형성한다.[5] 저마늄은 아스타틴을 제외한 모든 할로겐과 사할로겐화물을 형성한다.[6] 주석은 아스타틴을 제외한 모든 할로겐과 사할로겐화물을 형성한다.[7] 납은 플루오린 및 염소와 사할로겐화물을 형성하지만, 사브롬화납과 사요오드화납은 불안정하다.[8]또한, 14족 원소는 MX₂ 형태의 이할로겐화물도 형성한다. 저마늄은 브롬과 아스타틴을 제외한 모든 할로겐과 이할로겐화물을 형성한다.[6] 주석은 아스타틴을 제외한 모든 할로겐과 이할로겐화물을 형성한다.[7] 납은 플루오린, 염소, 브롬, 요오드와 이할로겐화물을 형성한다.[8]
| 탄소 | 규소 | 저마늄 | 주석 | 납 | ||||
| CX₄ | SiX₄ | GeX₄ | GeX₂ | SnX₄ | SnX₂ | PbX₄ | PbX₂ | |
| 플루오르화물 | 사플루오르화탄소 CF₄ | 사플루오르화규소 SiF₄ | 플루오르화저마늄(IV) GeF₄ 무색 기체 236,000 승화 | 플루오르화저마늄(II) GeF₂ | 플루오르화주석(IV) SnF₄ 무색 고체 978,000 승화 | 플루오르화주석(II) SnF₂ | 플루오르화납(IV) PbF₄ 담황색 결정 mp 870,000 | PbF₂ |
| 염화물 | 사염화탄소 CCl₄ | 사염화규소 SiCl₄ | 염화저마늄(IV) GeCl₄ 무색 액체 bp 356,000 | 염화저마늄(II) GeCl₂ | 염화주석(IV) SnCl₄ 무색 액체 bp 387,000 | 염화주석(II) SnCl₂ | 염화납(IV) PbCl₄ 황색 유상 열불안정 | 염화납(II) PbCl₂ |
| 브롬화물 | 사브롬화탄소 CBr₄ | 사브롬화규소 SiBr₄ | 브롬화저마늄(IV) GeBr₄ 담회색 결정 mp 299,000 | 브롬화저마늄(II) GeBr₂ | 브롬화주석(IV) SnBr₄ 무색 결정 mp 304,000 | 브롬화주석(II) SnBr₂ | (존재하지 않음) | 브롬화납(II) PbBr₂ |
| 요오드화물 | 사요오드화탄소 CI₄ | 사요오드화규소 SiI₄ | 요오드화저마늄(IV) GeI₄ 적색 결정 mp 419,000 | 요오드화저마늄(II) GeI₂ | 요오드화주석(IV) SnI₄ 등색 결정 mp 417,000 | 요오드화주석(II) SnI₂ | (존재하지 않음) | 요오드화납(II) PbI₂ 황색 고체 |
6C
일반적으로 2가 14족 원소 할로겐화물은 쉽게 4가로 산화된다. 그러므로, 염화주석(II) '''SnCl₂'''는 환원제로 이용된다.
3. 물리적 성질
규소
14Si게르마늄
32Ge주석
50Sn납
82Pb전자 배열 [He]2s22p2 [Ne]3s23p2 [Ar]3d104s24p2 [Kr]4d105s2p2 [Xe]4f145d106s2p2 제1 이온화 에너지
(kJ mol-1)1086.5 786.5 762 708.6 715.6 제2 이온화 에너지
(kJ mol-1)2352.6 1577.1 1537.5 1411.8 1450.5 제3 이온화 에너지
(kJ mol-1)4620.5 3231.6 3302.1 2943.0 3081.5 제4 이온화 에너지
(kJ mol-1)6222.7 4355.5 4411 3930.3 4083 전자 친화도
(kJ mol-1)121.85 133.63 115.78 115.78 35.12 전기 음성도
(Allred-Rochow)2.50 1.74 2.02 1.72 1.55 이온 반지름
(pm; M2+)- - 87(6배위) - 133(6배위)
143(8배위)
163(12배위)이온 반지름
(pm; M4+)6(3배위)
29(4배위)40(4배위)
54(6배위)53(4배위)
67(6배위)69(4배위)
83(6배위)79(4배위)
92(6배위)
108(8배위)공유 결합 반지름
(pm)77 111 122 141 147 van der Waals 반지름
(pm)170 210 - 217 202 환원 전위 E0 (V) - 0.102 (Si(s)/SiH4) 0.00 (Ge+2/Ge(s)) +0.01(Sn4+/Sn(s))
-0.136(Sn2+/Sn(s))-0.126(Pb2+/Pb(s))