15족 원소

1. 개요

15족 원소는 주기율표 15족에 속하는 질소족 원소로, 최외각 전자가 ns²np³의 전자 배치를 갖는다. 이들은 질소(N), 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb), 비스무트(Bi), 그리고 방사성 원소인 모스코비움(Mc)으로 구성된다. 15족 원소는 비금속에서 금속으로의 성질을 보이며, 질소는 기체, 나머지는 고체 상태로 존재한다. 이들은 반도체 소자, 비료, 합금 등 다양한 분야에서 활용되며, 생물학적으로 중요한 역할을 하지만 일부는 독성을 나타내기도 한다.

2. 성질

15족 원소는 최외각 전자에 ns²np³의 5개의 전자를 갖는 전자 배치를 가진다. 질소와 인은 혼성 궤도를 형성하여 공유 결합 물질로 작용하지만, 제4주기 비소보다 주기가 큰 안티몬과 비스무트는 공유 결합성과 금속성을 함께 나타내는 준금속이다. 이들은 혼성 궤도를 형성하기보다는 2개의 전자가 점유한 s 궤도와 3개의 전자가 각각 하나씩 존재하는 p 궤도로 작용하므로, +3과 +5의 산화수가 안정적이다.

질소는 상온에서 기체이지만, 나머지 원소들은 고체이다. 15족 원소 중 일부는 불꽃 반응을 나타내는데, 인(인산 이온), 비소, 안티몬 모두 담청색을 띤다.



15족 원소는 반도체 소자에서 중요한 역할을 한다. 14족 원소의 진성 반도체에 15족 원소와 13족 원소 화합물을 결합하여 만든 III-V족 반도체는 밴드갭이 가시광선 영역에 해당하여 발광 다이오드나 반도체 레이저 등 광학 소자 재료로 쓰인다. 또한, 진성 반도체에 15족 원소를 미량 첨가하면 N형 반도체가 만들어진다.

2.1. 전자 배치

다른 족과 마찬가지로, 15족 원소들은 전자 배치에서 유사한 패턴을 나타내며, 특히 원자가 껍질에서 이러한 경향이 두드러진다. 15족 원소는 원자가 껍질에 5개의 전자를 가지고 있으며, s 부껍질에 2개의 전자와 p 부껍질에 3개의 전자를 가진다. (\홀전자) 따라서 비이온화 상태에서 원자가 껍질을 채우려면 3개의 전자가 부족하다.

15족 원소는 최외각 전자에 ns²np³의 5개의 전자를 갖는 전자 배치를 가진다.



질소와 인의 최외각 전자는 혼성 궤도를 형성하여 공유 결합 물질로 행동한다. 한편, 제4주기의 비소보다 주기가 큰 원소는 공유 결합성과 금속의 성질을 함께 나타내는 준금속이라고 불린다. 안티몬, 비스무트는 혼성 궤도를 형성하기보다는 2개의 전자가 점유한 s 궤도와, 3개의 각각 하나씩 전자가 존재하는 p 궤도로서 작용하므로 산화수는 +3과 +5가 안정하다.

2.2. 물리적 성질

15족 원소는 주기율표에서 비금속에서 금속으로의 성질 변화를 보여준다. 질소는 상온에서 기체 상태로 존재하며, 나머지 원소들은 고체 상태이다. 주기율표에서 아래로 갈수록 금속성이 증가하며, 밀도, 녹는점, 끓는점은 대체로 증가한다. 비소는 표준 압력에서 승화하는 특성을 보인다.

15족 원소의 밀도는 무거운 원소로 갈수록 증가한다. 질소의 밀도는 표준 온도 압력(STP)에서 0.001251g/cm³이다. 인의 밀도는 STP에서 1.82g/cm³, 비소는 5.72g/cm³, 안티몬은 6.68g/cm³, 비스무트는 9.79g/cm³이다.

질소의 녹는점은 -210°C이고 끓는점은 -196°C이다. 인의 녹는점은 44°C이고 끓는점은 280°C이다. 비소는 603°C에서 승화한다. 안티몬의 녹는점은 631°C이고 끓는점은 1587°C이다. 비스무트의 녹는점은 271°C이고 끓는점은 1564°C이다.

질소의 결정 구조는 육방정계이다. 인의 결정 구조는 입방정계이다. 비소, 안티몬, 비스무트는 모두 능면체 격자 결정 구조를 갖는다.

15족 원소는 최외각 전자에 ns²np³의 5개의 전자를 갖는 전자 배치를 가진다.

15족 원소 중, 질소만이 상온에서 기체이며, 나머지는 고체이다. 질소와 인의 최외각 전자는 혼성 궤도를 형성하여 공유 결합 물질로 행동한다. 한편, 제4주기의 비소보다 주기가 큰 원소는 공유 결합성과 금속의 성질을 함께 나타내는 물성을 보이며 준금속이라고 불린다.

15족 원소의 일부는 불꽃 반응을 나타낸다.

2.3. 화학적 성질

15족 원소는 원자가 껍질에 5개의 전자를 가지며, s 부껍질에 2개, p 부껍질에 3개의 전자를 갖는다. 이 때문에 비이온화 상태에서 3개의 전자가 부족하여 옥텟을 완성하기 위해 -3 전하를 띠는 경향이 있다. 질소(N)와 인 (P)은 모든 생명체에 필수적인 원소이다.

15족 원소는 산화되거나 이온화될 때, +3 또는 +5의 산화 상태를 가진다. 무거운 15족 원소는 s-전자 껍질의 안정화로 인해 +3 산화 상태를 형성하는 경향이 더 크다.

15족 원소는 주기율표에서 비금속에서 금속으로 전이되는 특징을 보인다. 질소는 비금속 기체, 인과 비소는 다양한 동소체를 가지며, 안티몬과 비스무트는 금속의 성질을 나타낸다.

15족 원소의 단체 중, 질소만이 상온에서 기체이며, 나머지는 고체이다. 질소와 인의 최외각 전자는 혼성 궤도를 형성하여 공유 결합 물질로 작용한다. 반면, 4주기 이상의 비소, 안티몬, 비스무트는 혼성 궤도를 형성하기보다는 s 궤도에 2개, p 궤도에 3개의 전자를 갖는 형태로 존재하여 +3, +5 산화 상태가 안정하다.

다음은 15족 원소의 전자 배치와 주요 성질을 나타낸 표이다.

15족 원소는 반도체 소자에서 중요한 역할을 한다. 14족 원소의 진성 반도체에 대해, 15족 원소와 13족 원소의 화합물로 만들어진 반도체를 III-V족 반도체라고 한다. III-V족 반도체의 밴드갭은 가시광선 영역에 해당하여, 발광 다이오드・반도체 레이저 등 광학 소자 재료로 중요하다. 또한, 진성 반도체에 15족 원소를 미량 첨가하면 N형 반도체가 만들어진다.

일부 15족 원소는 불꽃 반응을 나타낸다.

2.4. 핵 성질

안티몬까지의 모든 15족 원소는 적어도 하나의 안정 동위 원소를 가지고 있다. 비스무트는 안정 동위 원소를 가지고 있지 않지만, 우주의 나이보다 훨씬 긴 반감기를 가진 시원 방사성 동위 원소(²⁰⁹Bi)를 가지고 있다. 모스코븀의 알려진 모든 동위 원소는 인공적이며 고도로 방사성이다. 이러한 동위 원소 외에도, ¹³N, ³²P, ³³P의 흔적이 자연에서 발견되며, 붕괴 연쇄에서 토륨과 우라늄의 다양한 비스무트 동위 원소 (²⁰⁹Bi 제외)도 발견된다.

3. 역사

염화 암모늄과 같은 질소 화합물은 고대 이집트 시대부터 알려져 있었다. 1760년대에 헨리 캐번디시와 조지프 프리스틀리가 공기에서 질소를 분리했지만, 이들은 아직 발견되지 않은 원소의 존재를 깨닫지 못했다. 1772년에 다니엘 러더퍼드가 이 기체가 실제로 질소라는 것을 알아냈다.

1669년 함부르크에서 연금술사 헤닝 브란트가 처음으로 인을 발견했다. 브란트는 증발된 소변을 가열하고 생성된 인 증기를 물에서 응축하는 방식으로 인을 얻었다. 그는 처음에 자신이 현자의 돌을 발견했다고 생각했지만, 결국 이것이 사실이 아님을 깨달았다.

비소 화합물은 적어도 5000년 전부터 알려져 왔으며, 고대 그리스의 테오프라스토스는 웅황과 석황이라는 비소 광물을 알고 있었다. 원소 형태의 비소는 13세기에 알베르투스 마그누스에 의해 발견되었다.

안티모니는 고대인들에게 잘 알려져 있었다. 순수한 안티모니로 만들어진 5000년 된 꽃병이 루브르 박물관에 전시되어 있다. 안티모니 화합물은 바빌론 시대에 염료로 사용되었다. 안티모니 광물인 휘안석은 그리스 화약의 구성 성분이었을 수도 있다.

비스무트는 1400년에 연금술사들에 의해 처음 발견되었다. 비스무트가 발견된 지 80년 이내에 인쇄 및 장식된 상자에 사용되었다. 잉카인들은 1500년경에 칼에 비스무트를 사용했다. 비스무트는 원래 납과 같은 것으로 생각되었지만, 1753년에 클로드 프랑수아 조프루아는 비스무트가 납과 다르다는 것을 증명했다.

모스코븀은 2003년 아메리슘-243 원자에 칼슘-48 원자를 충돌시켜 성공적으로 만들어졌다.

'프닉토젠'(pnictogen) (또는 '프니고젠'(pnigogen))이라는 용어는 질소 가스가 숨을 막히게 하는 성질을 나타내는, '숨 막히게 하다'라는 뜻의 고대 그리스어 πνίγειν^{고대 그리스어}에서 유래되었다. 이 용어는 P와 N, 이 그룹에서 가장 흔한 두 원소에 대한 기억술로도 사용될 수 있다. '프닉토젠'이라는 용어는 1950년대 초 네덜란드 화학자 안톤 에두아르트 판 아르켈에 의해 제안되었다. '프니코젠'(pnicogen) 또는 '프니고젠'(pnigogen)으로 표기되기도 한다.

4. 존재

질소는 지각의 100만분의 25, 평균 토양의 100만분의 5, 해수의 1조분의 100~500, 건조 공기의 78%를 차지한다. 지구상의 대부분의 질소는 질소 기체 형태로 존재하지만, 일부 질산염 광물도 존재한다. 질소는 전형적인 인간 체중의 2.5%를 차지한다.

인은 지구 지각의 0.1%를 차지하며, 가장 풍부한 원소 중 11번째이다. 인은 토양의 100만분의 0.65, 해수의 10억분의 15~60을 차지한다. 지구에는 2억 Mt의 접근 가능한 인산염이 있다. 인은 전형적인 인간 체중의 1.1%를 차지한다. 인은 인회석 계열의 광물에서 발견되며, 인회석은 인산염 암석의 주요 구성 요소이다.

비소는 지구 지각의 100만분의 1.5를 차지하며, 가장 풍부한 원소 중 53번째이다. 토양에는 100만분의 1~10의 비소가 포함되어 있으며, 해수에는 10억분의 1.6의 비소가 포함되어 있다. 비소는 전형적인 인간 체중의 10억분의 100을 차지한다. 일부 비소는 원소 형태로 존재하지만, 대부분의 비소는 비소 광물인 웅황, 계관석, 유비철석, 휘안석에서 발견된다.

안티모니(안티몬)은 지구 지각의 100만분의 0.2를 차지하며, 가장 풍부한 원소 중 63번째이다. 토양에는 평균 100만분의 1의 안티몬이 포함되어 있으며, 해수에는 평균 1조분의 300의 안티몬이 포함되어 있다. 전형적인 인간은 체중의 10억분의 28의 안티몬을 가지고 있다. 일부 원소 안티몬은 은광석에서 발견된다.

비스무트는 지구 지각의 10억분의 48을 차지하며, 가장 풍부한 원소 중 70번째이다. 토양에는 약 100만분의 0.25의 비스무트가 포함되어 있으며, 해수에는 1조분의 400의 비스무트가 포함되어 있다. 비스무트는 일반적으로 광물 휘창연석으로 존재하지만, 원소 형태 또는 황화물 광석에서도 발견된다.

모스코븀은 자연적으로 존재하지 않는 합성 원소이다.

5. 생산

질소는 공기의 분별 증류를 통해 생산할 수 있다. 인(phosphorus)을 생산하는 주요 방법은 전기 아크로에서 탄소를 사용하여 인산염을 환원시키는 것이다. 대부분의 비소는 공기 중에서 황비철석을 가열하여 제조한다. 이렇게 하면 As₄O₆가 생성되며, 탄소 환원을 통해 비소를 추출할 수 있다. 그러나 산소 없이 650°C~700°C에서 황비철석을 가열하여 금속 비소를 만들 수도 있다.

안티모니 생산 방식은 황화물 광석 원광석 내 안티모니 양에 따라 달라진다. 광석에 중량 기준 25%에서 45%의 안티모니가 포함된 경우, 조안티모니는 고로에서 광석을 제련하여 생산된다. 광석에 중량 기준 45%에서 60%의 안티모니가 포함된 경우, 광석을 가열하여 안티모니를 얻으며, 이를 액화라고도 한다. 중량 기준 60% 이상의 안티모니를 함유한 광석은 용융된 광석에서 철 조각으로 화학적으로 치환하여 불순한 금속을 얻는다.

산화물 안티모니 광석에 중량 기준 30% 미만의 안티모니가 포함된 경우, 고로에서 광석을 환원시킨다. 광석에 중량 기준 50%에 가까운 안티모니가 포함된 경우, 대신 반사로에서 광석을 환원시킨다. 혼합 황화물과 산화물을 함유한 안티모니 광석은 고로에서 제련된다. 비스무트 광물은 특히 황화물과 산화물 형태로 존재하지만, 납 광석 제련의 부산물로, 또는 중국과 같이 텅스텐과 아연 광석의 부산물로 비스무트를 생산하는 것이 더 경제적이다. 모스코븀은 입자 가속기에서 소수의 원자 단위로 생성되며, 아메리슘-243에 칼슘-48 이온 빔을 쏘아 핵이 융합되도록 한다.

6. 화합물

15족 원소는 화학적 안정성 때문에 공유 결합 이중 결합과 삼중 결합을 형성하는 경향이 있어 화합물에서도 주목받는다. 인, 비소, 안티몬은 이러한 특성으로 인해 잠재적인 독성을 띠는데, 이들이 신체의 다양한 화학 물질과 반응하면 간에서 쉽게 처리되지 않고 축적되는 강한 유리 라디칼을 생성하기 때문이다. 반면, 질소와 비스무트는 강한 결합으로 인해 분리되기 어렵고 반응성이 낮아 독성이 감소한다. 예를 들어, 질소의 이원자 형태인 는 아르곤 등 다른 비활성 기체를 사용하기 어려울 때 불활성 기체로 사용된다.

5개의 원자가 전자는 다중 결합 형성을 촉진하며, 옥텟 규칙에 따라 프닉토겐은 공유 결합에 3개의 전자를 받아들일 수 있다. 5 > 3이므로, 주변에 양전하(예: )가 없다면 고립 전자쌍에 두 개의 사용되지 않은 전자가 남는다. 프닉토겐이 세 개의 단일 결합만 형성할 때, 고립 전자쌍의 영향으로 삼각뿔형 분자 구조가 만들어진다.

15족 원소는 최외각 전자에 ns²np³ 형태의 5개 전자를 갖는 전자 배치를 가진다.

15족 원소 중 질소만 상온에서 기체이며, 나머지는 고체이다. 질소와 인의 최외각 전자는 혼성 궤도를 형성하여 공유 결합 물질로 작용한다. 반면, 제4주기 비소보다 주기가 큰 원소는 공유 결합성과 금속 성질을 함께 나타내는 준금속이다. 비소, 안티몬, 비스무트는 혼성 궤도를 만들기보다 2개 전자가 점유한 s 궤도와 3개 전자가 각각 하나씩 존재하는 p 궤도로 작용하여 +3, +5 산화수가 안정하다.

15족 원소 일부는 불꽃 반응을 보인다.



15족 원소는 반도체 소자에서 중요한 역할을 한다. 14족 원소의 진성 반도체에 15족 원소를 미량 도핑하면 N형 반도체가 형성된다. 15족 원소와 13족 원소 화합물로 만들어진 반도체는 III-V족 반도체라고 불리며, 밴드갭이 가시광선 영역에 해당하여 발광 다이오드, 반도체 레이저 등 광학 소자 소재로 중요하다.

6.1. 프닉타이드

15족 원소의 이원 화합물은 통칭하여 프닉타이드라고 한다. 프닉타이드 화합물의 자기적 성질은 반자성 시스템(BN 또는 GaN 등)과 자기적으로 정렬된 시스템(MnSb는 고온에서 상자성을 띠고 실온에서 강자성)에 걸쳐 있으며, 전자는 일반적으로 투명하고 후자는 금속성이다. 다른 프닉타이드에는 삼원 희토류 원소 (RE) 주족 프닉타이드가 있다. 이들은 RE_aM_bPn_c 형태이며, 여기서 M은 탄소족 원소 또는 붕소족 원소이고 Pn은 질소를 제외한 모든 프닉토겐이다. 이 화합물은 이온 결합과 공유 결합 화합물 사이에 있으며 따라서 특이한 결합 특성을 갖는다.

6.2. 수소화물

15족 원소는 일반적으로 MH₃로 표시되는 수소화물을 형성한다. 모든 수소화물은 삼각뿔형 분자 구조를 갖는다. 암모니아(NH₃)는 수소 결합을 형성하는 성질을 가지기 때문에 다른 수소화물보다 끓는점이 높다. 대표적인 15족 원소의 수소화물은 다음과 같다.

* 암모니아 (NH₃)
* 포스핀 (PH₃)
* 아르신 (AsH₃)
* 스티빈 (SbH₃)
* 비스무틴 (BiH₃)

6.3. 산화물

질소와 인은 다양한 산화 상태를 갖는 산화물을 형성한다. 질소 산화물은 산화수가 클수록 불안정해져서 자유 에너지가 커지기 때문에, 산화제로 사용되는 경우가 많다. 반면 인 산화물은 산화수가 클수록 안정해져서 자유 에너지가 작아지므로, 산화제로 사용되지 않는다.

비소, 안티몬, 비스무트는 산화수 +3이 +5보다 안정하여, M₂O₃ 형태의 산화물이 안정하다.

6.4. 할로겐화물

15족 원소는 일반식 MX₃ 또는 MX₅ 형태의 할로겐화물을 생성한다.

인 할로겐화물은 유기 화학에서 히드록시기, 카르복실산을 상응하는 할로겐기, 산 할로겐화물로 변환하는 시약으로 이용된다.

7. 응용

* 액체 질소는 흔히 사용되는 극저온 액체이다.
* 암모니아 형태의 질소는 대부분의 식물 생존에 필수적인 영양소이다. 암모니아 합성은 전 세계 에너지 소비량의 약 1~2%를 차지하며, 식품에 함유된 대부분의 환원 질소이다.
* 인은 성냥과 소이탄에 사용된다.
* 인산 비료는 세계 식량 생산에 기여한다.
* 비소는 역사적으로 파리 그린 안료로 사용되었으나, 극심한 독성으로 인해 현재는 사용이 중단되었다.
* 유기비소 화합물 형태의 비소는 때때로 닭 사료에 사용된다.
* 안티몬은 납과 합금하여 일부 탄환을 생산하는 데 사용된다.
* 안티몬 화폐는 1930년대 중국 일부 지역에서 잠시 사용되었으나, 안티몬이 부드럽고 유독하기 때문에 중단되었다.
* 비스무스 설살리실레이트는 Pepto-Bismol의 활성 성분이다.
* 비스무스 칼코게나이드는 인간 암 환자의 방사선 치료 개선에 사용하기 위한 후보 물질로 암에 걸린 쥐를 대상으로 연구되고 있다.
* 모스코븀은 너무 불안정하고 희귀하여 알려진 실용적인 응용 분야가 없다.

8. 생물학적 역할 및 독성

질소는 DNA와 아미노산 등 생명체에 필수적인 분자를 구성한다. 인은 DNA와 ATP 등 생명체에 중요한 화합물에서 인산염 형태로 나타난다.

비소는 닭과 쥐의 성장을 촉진하며, 미량 영양소로서 소량으로 인간에게 필수적일 수 있다. 그러나 원소 비소와 그 무기 화합물은 독성이 있으며, 일반 성인의 비소 치사량은 200mg이다. 비소 중독으로 인한 사망은 일반적으로 하루 이내에 발생한다.

안티몬은 약간 독성이 있다. 다량의 안티몬을 섭취하면 며칠 후 사망할 수 있다. 스티빈(SbH₃)은 순수한 안티몬보다 훨씬 독성이 강하다.

비스무트는 비교적 무독하지만, 과다 섭취하면 간 손상을 일으킬 수 있다.

모스코븀은 독성 연구가 불가능할 정도로 불안정하다.

인의 동소체인 백린은 독성이 있으며, 체중 1kg당 1mg이 치사량이다. 백린은 섭취 후 일주일 이내에 간을 공격하여 사망에 이르게 할 수 있다.