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16족 원소

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1. 개요

16족 원소는 주기율표 16족에 속하는 원소로, 산소(O), 황(S), 셀레늄(Se), 텔루륨(Te), 폴로늄(Po), 그리고 리버모륨(Lv)이 해당된다. 이들은 할로겐의 왼쪽에 위치하며, 최외각 전자 껍질에 6개의 전자를 가지고 있어 화학적 성질이 유사하다. 산소는 기체, 나머지 원소들은 고체 상태이며, 녹는점, 끓는점, 밀도 등은 원자 번호가 증가할수록 증가하는 경향을 보인다. 이들은 다양한 동소체와 동위 원소를 가지며, 화학적으로는 플루오린을 제외한 거의 모든 원소와 화합물을 형성한다. 산소는 생명 유지에 필수적이며, 황은 산업, 농업 등 다양한 분야에서 활용된다. 셀레늄은 유리 제조, 야금 등에 사용되며, 텔루륨은 CD-RW 디스크, 태양 전지 등에 사용된다. 폴로늄은 알파 입자 발생기, 중성자원 등에 사용되지만, 방사성으로 인해 독성이 강하다. 대한민국에서는 16족 원소와 관련된 다양한 연구 및 산업 활동이 이루어지고 있다.

2. 성질

16족 원소는 할로겐 다음으로 전기음성도가 높고 반응성이 높은 원소들이다. 주기가 증가함에 따라 금속성이 증가하는 경향을 보인다. 산소은 전형적인 비금속이지만, 셀레늄텔루륨준금속 성질을 나타내며, 폴로늄금속으로 분류된다. 산소에서 셀레늄까지는 공유 결합 물질이며, 텔루륨과 폴로늄은 준금속이다.

16족 원소의 단체는 산소기체이며, , 셀레늄, 텔루륨, 폴로늄고체이다. 16족 원소 중 일부는 불꽃 반응을 나타낸다.

셀레늄텔루륨
청색담녹색



16족 원소는 일반식 '''H2M'''으로 나타내는 수소화물을 가진다. 모두 원자가껍질전자쌍반발이론에서 보여지는 바와 같이 V자형 구조를 가지며, 비공유전자쌍 사이의 반발에 의해 주기가 증가할수록 수소가 이루는 각도는 정사면체 구조의 109°에서 벗어나 작아진다. 또한 주기가 작을수록 안정적이며, H2O > H2S > H2Se > H2Te > H2Po 순으로 안정하다. (H2O)는 수소결합을 형성한다.

황화수소, 셀렌화수소, 텔루르화수소는 성질이 비슷하지만, 및 과산화수소(H2O2)는 크게 다르다. 또한, 산소를 제외하면 연쇄반응[78]성이 높기 때문에, 폴리설판(H2Sn, n ≥ 2)과 같은 수소화물도 알려져 있다. 황의 수소화물의 수소는 산성도가 높고, 양성자로서 이온화되기 쉽다.

2. 1. 원자 및 물리적 성질

칼코겐 원소들은 최외각 전자껍질에 6개의 전자를 가지고 있어, 화학 반응에서 2개의 전자를 얻어 -2가의 음이온이 되려는 경향이 강하다.[10] 원자 번호가 증가함에 따라 원자 반지름, 이온 반지름,[10] 녹는점, 끓는점이 증가하는 경향을 보인다. 전기음성도는 원자 번호가 증가함에 따라 감소한다.[11]

원자 번호(Z)원소각 껍질의 전자 수
8산소2, 6
162, 8, 6
34셀레늄2, 8, 18, 6
52텔루르2, 8, 18, 18, 6
84폴로늄2, 8, 18, 32, 18, 6
116리버모륨2, 8, 18, 32, 32, 18, 6 (예측)[8]



원소녹는점
(°C)[11]
끓는점
(°C)[11]
표준 상태에서의 밀도
(g/cm3)[11]
산소−219−1830.00143
1204452.07
셀레늄2216854.3
텔루르4509886.24
폴로늄2549629.2
리버모륨364–507 (예측)762–862 (예측)14 (예측)[8]



16족 원소의 원자가전자는 최외각전자껍질의 s 오비탈과 p 오비탈에 있는 전자이다. s 오비탈은 2개의 전자가 차지하고, p 오비탈은 4개의 전자가 차지하고 있으며, 단체는 2가의 음이온이 되기 쉽다.

산소
₈O

₁₆S
셀레늄
₃₄Se
텔루륨
₅₂Te
폴로늄
₈₄Po
전자배치[He]{}2s^{2}{}2p^4[Ne]{}3s^{2}{}3p^4[Ar]{}3d^{10}{}4s^{2}{}4p^4[Kr]{}4d^{10}{}5s^{2}{}5p^{4}[Xe]{}4f^{14}{}5d^{10}{}6s^{2}{}6p^4
제1 이온화 에너지
(kJ·mol−1)
1313.9999.6941869.3812
제2 이온화 에너지
(kJ·mol−1)
3388.3225220451790-
전자 친화도
(kJ·mol−1)
-147-206-201-196-189
전자 친화력
(kJ·mol−1)
141200195190183
전기음성도 (Allred-Rochow)3.502.442.482.011.76
이온 반지름 (M2−, pm)140184198221(230)
이온 반지름 (M4+, pm)-51646665
이온 반지름 (M6+, pm)-264270-
공유 결합 반지름 (pm)73104117137153
반데르발스 반지름 (pm)152180190206-
녹는점 (K)50.35 (O₂)386(α황)
393(β황)
380(γ황)
490725527
끓는점 (K)90.18 (O₂)71895812631235
환원 전위 E0 (V)+1.21 (O₂/H₂O)+0.14 (S/H₂S)---



16족 원소 중 일부는 불꽃 반응을 나타낸다.

셀레늄텔루륨
청색담녹색


2. 2. 동위 원소

칼코겐 원소들은 다양한 동위 원소를 갖는다. 산소, 황, 셀레늄, 텔루륨은 안정 동위 원소를 가지지만, 폴로늄은 안정한 동위 원소가 없다.[12] 리버모륨은 인공적으로 합성된 방사성 동위 원소만 존재한다.[1]

산소는 세 가지 안정 동위 원소와 14가지 불안정 동위 원소를 가지고 있다. 황은 네 가지 안정 동위 원소, 20가지 방사성 동위 원소, 그리고 하나의 이성질체를 가지고 있다. 셀레늄은 여섯 가지 관측상 안정적인 또는 거의 안정적인 동위 원소, 26가지 방사성 동위 원소, 그리고 9가지 이성질체를 가지고 있다. 텔루륨은 여덟 가지 안정 또는 거의 안정적인 동위 원소, 31가지 불안정 동위 원소, 그리고 17가지 이성질체를 가지고 있다. 폴로늄은 42가지 동위 원소를 가지고 있으며, 그중 안정적인 것은 없다.[12] 또한 28가지 이성질체를 가지고 있다.[2]

안정 동위 원소 외에도, 210Po과 같이 붕괴 생성물이거나, 82Se와 같이 원시 핵종이거나, 우주선 핵 파쇄 또는 우라늄의 핵분열을 통해 일부 방사성 칼코겐 동위 원소가 자연적으로 발생한다. 리버모륨 동위 원소 288Lv부터 293Lv까지 발견되었으며, 가장 안정적인 리버모륨 동위 원소는 반감기가 0.061초인 293Lv이다.[1][13]

리버모륨을 제외한 모든 칼코겐은 적어도 하나의 자연 발생 방사성 동위원소를 가지고 있다. 산소는 미량의 15O, 황은 미량의 35S, 셀레늄은 82Se, 텔루륨은 128Te와 130Te, 그리고 폴로늄은 210Po를 가지고 있다.

가벼운 칼코겐(산소와 황) 중에서, 가장 중성자 결핍 동위 원소는 양성자 방출을 하고, 중간 정도로 중성자 결핍된 동위 원소는 전자 포획 또는 β+ 붕괴를 하고, 중간 정도로 중성자 과잉인 동위 원소는 β 붕괴를 하고, 가장 중성자 과잉인 동위 원소는 중성자 방출을 한다. 중간 칼코겐(셀레늄과 텔루륨)은 가벼운 칼코겐과 유사한 붕괴 경향을 가지지만, 양성자 방출 동위 원소는 관찰되지 않았고, 텔루륨의 가장 중성자 결핍된 동위 원소 중 일부는 알파 붕괴를 한다. 폴로늄 동위 원소는 알파 붕괴 또는 베타 붕괴를 통해 붕괴하는 경향이 있다.[14] 0이 아닌 핵 스핀을 갖는 동위 원소는 황보다 셀레늄과 텔루륨에서 더 풍부하다.[27]

2. 3. 동소체

산소의 가장 흔한 동소체는 이원자 산소(O2)이며, 오존(O3)도 동소체이다. 사산소(O4)와 "적색 산소"를 포함한 고체 산소의 여섯 가지 동소체도 존재한다.[16][17]

은 20가지 이상의 동소체가 알려져 있는데, 이는 탄소를 제외하고는 다른 어떤 원소보다 많다.[18] 가장 흔한 동소체는 8개의 원자로 이루어진 고리 형태(S8)이다. 사방정계 황과 단사정계 황도 주목할 만한 황 동소체이다. 기체 황은 이원자 황(S2)과 8원자 고리의 혼합물이다.[19]

셀레늄은 적어도 8가지의 서로 다른 동소체를 가지고 있다.[20] 회색 동소체는 안정적인 육각형 결정 구조를 가진다. 셀레늄의 다른 동소체는 준안정 상태이며, 두 가지 단사정계 적색 동소체와 두 가지 비정질 동소체(적색, 흑색)가 있다.[21]

텔루륨은 동소체가 없는 것으로 알려져 있지만,[22] 일반적인 형태는 육각형이다. 폴로늄은 α-폴로늄과 β-폴로늄 두 가지 동소체를 가지고 있다.[23] α-폴로늄은 입방 결정 구조를 가지며, 36 °C에서 능면체 β-폴로늄으로 변환된다.[2]

16족 원소의 동소체를 정리하면 다음과 같다.

원소동소체 종류 및 특징
산소이원자 산소(O2), 오존(O3), 사산소(O4), 고체 산소 (6가지)
20가지 이상, 고리형 S8 (가장 일반적), 사방정계 황, 단사정계 황, 기체 황 (S2와 S8 혼합물) 등
셀레늄8가지 이상, 회색 셀레늄 (육각형, 안정), 적색 셀레늄 (단사정계, 준안정), 비정질 셀레늄 (적색, 흑색) 등
텔루륨동소체 없음 (일반적인 형태는 육각형)
폴로늄α-폴로늄 (입방정계), β-폴로늄 (능면체)


2. 4. 화학적 성질

산소는 플루오린을 제외하고 가장 전기음성도가 높은 원소이며, 일부 비활성 기체를 포함한 거의 모든 화학 원소와 화합물을 형성한다. 산소는 많은 금속과 준금속과 결합하여 산화물을 형성하는데, 여기에는 산화철, 산화티타늄, 산화규소가 포함된다.[11] 산소의 가장 일반적인 산화 상태는 -2이며, -1 산화 상태도 비교적 흔하다. 수소와는 (Water영어)과 과산화수소를 형성한다. 유기 산소 화합물은 유기 화학에서 널리 존재한다.

황의 산화 상태는 -2, +2, +4, +6이다. 산소 화합물의 황 함유 유사체는 종종 접두사 '티오-'를 갖는다. 황의 화학은 여러 면에서 산소와 유사하다. 한 가지 차이점은 황-황 이중 결합이 산소-산소 이중 결합보다 훨씬 약하지만 황-황 단일 결합은 산소-산소 단일 결합보다 강하다는 것이다.[28] 티올과 같은 유기 황 화합물은 특유의 강한 냄새가 나며, 일부는 일부 유기체에 의해 사용된다.[2]

셀레늄의 산화 상태는 -2, +4, +6이다. 셀레늄은 대부분의 칼코겐과 마찬가지로 산소와 결합한다.[2] 셀레노프로테인과 같은 유기 셀레늄 화합물이 있다. 텔루륨의 산화 상태는 -2, +2, +4, +6이다.[11] 텔루륨은 일산화 텔루륨, 이산화 텔루륨, 삼산화 텔루륨 산화물을 형성한다.[2] 폴로늄의 산화 상태는 +2와 +4이다.[11]

물이 유리에 떨어지는 모습, 물방울과 기포가 보임.


황산, 아황산, 셀렌산, 텔루르산을 포함한 많은 칼코겐 함유 산이 있다. 수소 칼코겐화물은 을 제외하고 모두 독성이 있다.[29][30] 산소 이온은 종종 산화물 이온 (O2-), 과산화물 이온 (O22-), 수산화물 이온 (OH-)의 형태로 나타난다. 황 이온은 일반적으로 황화물 (S2-), 비스황화물 (SH-), 아황산염 (SO32-), 황산염 (SO42-), 티오황산염 (S2O32-)의 형태로 나타납니다. 셀레늄 이온은 일반적으로 셀렌화물 (Se2-), 셀렌산염 (SeO32-) 및 셀렌산염 (SeO42-)의 형태로 나타납니다. 텔루륨 이온은 종종 텔루르산염 (TeO42-)의 형태로 나타납니다.[11] 칼코겐에 결합된 금속을 포함하는 분자는 광물로서 흔하다. 예를 들어, 황철석 (FeS2)은 철광석이며, 희귀 광물인 칼라베라이트는 금과 은의 이텔루르화물(Au,Ag)Te2)이다.

주기율표의 16족 원소인 산소를 포함한 모든 원소를 칼코겐으로 정의할 수 있지만, 산소와 산화물은 일반적으로 칼코겐과 칼코겐화물과 구분된다. '칼코겐화물'이라는 용어는 산화물보다는 황화물, 셀렌화물, 텔루르화물에 더 일반적으로 사용된다.[49][31][32]

폴로늄을 제외하고 칼코겐은 화학적으로 서로 매우 유사하다. 이들은 모두 전기 양성 금속과 반응할 때 X2- 이온을 형성한다.[33]

황화물 광물 및 유사한 화합물은 산소와 반응하여 기체를 생성한다.[34] 할로겐의 왼쪽에 위치하며, 원자가전자는 최외각전자껍질의 s 오비탈과 p 오비탈에 있는 전자이다(s 오비탈은 2개의 전자가 차지하고, p 오비탈은 4개의 전자가 차지하고 있으며, 단체 모노머는 2가의 음이온이 되기 쉽다).

산소
(₈O)

(₁₆S)
셀레늄
(₃₄Se)
텔루륨
(₅₂Te)
폴로늄
(₈₄Po)
전자배치[He]2s22p4[Ne]3s23p4[Ar]3d104s24p4[Kr]4d105s25p4[Xe]4f145d106s26p4
제1 이온화 에너지
(kJ·mol−1)
1313.9999.6941869.3812
제2 이온화 에너지
(kJ·mol−1)
3388.3225220451790-
전자 친화도
(kJ·mol−1)
-147-206-201-196-189
전자 친화력
(kJ·mol−1)
141200195190183
전기음성도 (Allred-Rochow)3.502.442.482.011.76
이온 반지름 (M2-, pm)140184198221(230)
이온 반지름 (M4+, pm)-51646665
이온 반지름 (M6+, pm)-264270-
공유 결합 반지름 (pm)73104117137153
반데르발스 반지름 (pm)152180190206-
녹는점 (K)50.35 (O₂)386 (α황)
393 (β황)
380 (γ황)
490725527
끓는점 (K)90.18 (O₂)71895812631235
환원 전위 E0 (V)+1.21 (O₂/H₂O)+0.14 (S/H₂S)---



16족 원소의 단체는 산소기체이며, , 셀레늄, 텔루륨, 폴로늄고체이다.

16족 원소 중 일부는 불꽃 반응을 나타낸다.

셀레늄텔루륨
청색담녹색



이들 원소는 모두 할로겐 다음으로 전기음성도가 높고 반응성이 높은 원소들이다. 주기가 증가함에 따라 금속성이 다소 증가하지만, 산소에서 셀렌까지는 공유 결합 물질이며, 텔루르와 폴로늄은 준금속이다.

16족 원소는 일반식 '''H2M'''으로 나타내는 수소화물을 가진다. 모두 원자가껍질전자쌍반발이론에서 보여지는 바와 같이 V자형 구조를 가지며, 비공유전자쌍 사이의 반발에 의해 주기가 증가할수록 수소가 이루는 각도는 정사면체 구조의 109°에서 벗어나 작아진다. 또한 주기가 작을수록 안정적이며, H2O > H2S > H2Se > H2Te > H2Po 순으로 안정하다. 그리고 (H2O)는 수소결합을 형성한다.

황화수소, 셀렌화수소, 텔루르화수소는 성질이 비슷하지만, 및 과산화수소(H2O2)는 크게 다르다. 또한, 산소를 제외하면 연쇄반응[78]성이 높기 때문에, 폴리설판(H2Sn, n ≥ 2)과 같은 수소화물도 알려져 있다. 황의 수소화물의 수소는 산성도가 높고, 양성자로서 이온화되기 쉽다.

3. 화합물

산소의 산화물로는 과산화물초과산화물이 알려져 있다. 산소를 제외한 , 셀레늄, 텔루륨 등의 16족 원소들은 사슬형성[78]성이 높고, 같은 원소가 여러 가지 산화수를 가질 수 있다는 특징 때문에 다양한 산화물을 형성한다.[78] 예를 들어, 질산과 같은 산화제를 사용하면 황은 +6까지 산화될 수 있지만, 셀레늄과 텔루륨은 +4까지 산화된 산화물만 생성된다.

칼코겐 원소들은 서로 결합하여 칼코겐간 화합물을 형성하기도 한다. 황은 독성이 있는 이산화 황(SO₂)과 삼산화 황(SO₃)을 만든다.[33] 텔루르도 산화물을 형성하며, 셀레늄 황화물과 같이 몇몇 칼코겐 황화물도 존재하는데, 이는 일부 샴푸의 성분으로 사용된다.[24]

칼코겐은 플린크토겐(, 비소, 안티몬, 비스무트)과 결합하여 다양한 화합물을 형성한다. 비스무트 황화물(Bi2S3) 및 Sb2Se3와 같이 무거운 칼코겐 플린크타이드는 리본 모양의 중합체를 형성하는 경향이 있다. 삼원 칼코겐 플린크타이드(P4O6Se 및 P3SbS3)도 알려져 있다. 안티몬 또는 비소와 칼코겐으로 구성된 이원 화합물은 500°C에서 900°C의 온도에서 구성 원소의 반응으로 생성될 수 있으며, 색깔이 다양하다.[37]

칼코겐은 탄소족 원소(규소, 게르마늄, 주석)와 단일 결합 및 이중 결합을 형성하여 화합물을 만든다. 이러한 화합물은 보통 탄소족 할라이드와 칼코겐올 염 또는 칼코겐올 염기의 반응으로 생성된다. 칼코겐, 탄소족 원소, 붕소 원자를 포함하는 고리형 화합물도 존재한다.

1990년 이후 칼코겐과 붕소가 결합한 붕화물이 많이 발견되었다.

3. 1. 할로젠 화합물

사플루오르화 황(SF4)
사플루오르화 셀레늄(SeF4)
육플루오린화 셀레늄(SeF6)사플루오르화 텔루륨(TeF4)
십플루오르화 텔루륨(Te2F10)
육플루오린화 텔루륨(TeF6염화물일산화 이염소(Cl2O)
이산화 염소(ClO2)
육산화이염소(Cl2O6)
칠산화 이염소(Cl2O7)n황화이염소(SnCl2 (n ≥ 2))
이황화 이염소(S2Cl2)
이염소화 황(SCl2)
사염화황(SCl4)이염화 셀레늄(SeCl2)
사염화 셀레늄(SeCl4)이염화 텔루륨(TeCl2)
사염화 텔루륨(TeCl4)이염화 폴로늄(PoCl2)
사염화 폴로늄(PoCl4)브롬화물일산화 이브로민(Br2O)
이산화 브로민(BrO2)
삼산화 브로민(BrO3)이황화 이브롬(S2Br2)이셀레늄화 이브롬(Se2Br2)
사브롬화 셀레늄(SeBr4)이브롬화 텔루륨(TeBr2)
사브롬화 텔루륨(TeBr4)이브롬화 폴로늄(PoBr2)
사브롬화 폴로늄(PoBr4)아이오딘화물이산화사아이오딘(I2O4)
구산화사아이오딘(I4O9)
오산화이아이오딘(I2O5)  사아이오딘화 텔루륨(TeI4)사아이오딘화 폴로늄(PoI4)



여기서는 칼코겐 원소(, 셀레늄, 텔루륨)의 할로겐화물에 대해 자세히 다룬다. 산소의 할로겐화물에 대해서는 할로겐의 산화물 항목을 참조한다.

할로겐 중에서 플루오린은 6가의 16족 원소 플루오르화물을 생성하는 점에서 특징적이며, 다른 할로겐화물에서는 16족 원소의 최고 산화수가 4가에 그친다.

16족 원소의 할로겐화물은 SF6와 SeF6가 매우 안정적인 것을 제외하고는 화학적으로 활성인 화합물이다. 예를 들어 사플루오르화 황(SF4)는 불소화제, 이황화 이염소(S2Cl2) 및 이염소화 황(SCl2)는 염소화제나 고무의 가황제로 사용된다.

n황화이염소는 황의 수에 따라 적절한 n ≥ 2의 숫자를 n에 대입한다.

3. 2. 유기 화합물

알코올, 페놀과 유사하게 티올, 셀레놀, 텔루롤은 산소 대신 각각 황, 셀레늄, 텔루륨을 포함한다. 티올은 셀레놀이나 텔루롤보다 더 잘 알려져 있다. 알코올을 제외하면 티올이 가장 안정적인 칼코겐올이고, 텔루롤은 열이나 빛에 불안정하여 가장 안정적이지 않다.[36] 다른 유기 칼코겐 화합물에는 티오에테르, 셀레노에테르, 텔루로에테르가 있다. 디메틸 설파이드, 디에틸 설파이드, 디프로필 설파이드와 같은 일부 티오에테르는 시판된다. 셀레노에테르는 R₂Se 또는 RSeR 형태이다. 디메틸 텔루라이드와 같은 텔루로에테르는 일반적으로 티오에테르 및 셀레노에테르와 같은 방식으로 제조된다. 유기 칼코겐 화합물, 특히 유기 황 화합물은 불쾌한 냄새가 나는 경향이 있다. 디메틸 텔루라이드 또한 불쾌한 냄새가 나며, 셀레노페놀은 "형이상학적인 악취"로 유명하다.[36] 티오케톤, 셀레노케톤, 텔루로케톤도 존재한다. 티오케톤은 가장 잘 연구된 칼코겐케톤으로, 관련 논문의 80%를 차지한다. 셀레노케톤은 16%, 텔루로케톤은 4%를 차지한다. 티오케톤은 비선형 전기 및 광물리적 특성이 잘 연구되었다. 셀레노케톤은 티오케톤보다 안정성이 낮고, 텔루로케톤은 셀레노케톤보다 안정성이 낮다. 텔루로케톤은 칼코겐케톤 중 가장 높은 수준의 극성을 가진다.

3. 3. 금속 화합물

금속 칼코겐화물은 매우 다양하다. 알칼리 금속과 전이 금속을 포함하는 삼원 화합물도 존재한다. Lu7Te와 Lu8Te와 같은 금속이 풍부한 금속 칼코겐화물은 칼코겐 원자를 포함하는 금속의 결정 격자 영역을 가지고 있다. 란타넘, 프라세오디뮴, 가돌리늄, 홀뮴, 테르븀, 이트륨을 포함하는 유사한 화합물은 2008년까지 발견되지 않았지만, 이러한 화합물들은 존재한다. 붕소족 금속인 알루미늄, 갈륨, 인듐도 칼코겐과 결합을 형성한다. Ti3+ 이온은 TiTl5Se8과 같은 칼코겐화물 이량체를 형성한다. 금속 칼코겐화물 이량체는 Zr5Te6과 같은 저급 텔루라이드로도 존재한다.

원소 칼코겐은 특정 란타넘족 화합물과 반응하여 칼코겐이 풍부한 란타넘족 클러스터를 형성한다. 우라늄(IV) 칼코겐올 화합물도 존재한다. 또한 전이 금속 칼코겐올은 촉매 역할을 하고 나노입자를 안정화시킬 가능성이 있다.

3. 4. 플린크토겐 화합물

칼코겐은 , 비소, 안티몬, 비스무트와 같은 플린크토겐과 결합하여 다양한 화합물을 형성한다. 칼코겐과 플린크토겐을 포함하는 염도 존재하며, 거의 모든 칼코겐 플린크타이드 염은 일반적으로 [PnxE4x]3− 형태이다. (Pn은 플린크토겐, E는 칼코겐)

무거운 칼코겐 플린크타이드는 개별 분자 대신 리본 모양의 중합체를 형성하는 경향이 있으며, 이러한 화합물에는 비스무트 황화물(Bi2S3) 및 Sb2Se3가 포함된다. 비스무트 황화물은 플린크토겐 칼코겐화물의 한 예시이다. 삼원 칼코겐 플린크타이드도 알려져 있는데, P4O6Se 및 P3SbS3가 그 예시이다.

안티몬 또는 비소와 칼코겐으로 구성된 이원 화합물은 색깔이 다양하고 500°C에서 900°C의 온도에서 구성 원소의 반응으로 생성될 수 있다.[37]

3. 5. 기타 화합물

칼코겐은 탄소족 원소인 규소, 게르마늄, 주석 등과 단일 결합 및 이중 결합을 형성하여 화합물을 만든다. 이러한 화합물은 보통 탄소족 할라이드와 칼코겐올 염 또는 칼코겐올 염기의 반응으로 생성된다. 칼코겐, 탄소족 원소, 붕소 원자를 포함하는 고리형 화합물도 존재하는데, 이는 이칼코겐붕산염과 탄소족 금속 할라이드를 반응시켜 만든다. M-E 형태의 화합물(여기서 M은 규소, 게르마늄, 주석이고, E는 황, 셀레늄, 텔루르)도 발견되었다. 이들은 탄소족 수소화물이 반응하거나 더 무거운 카르벤이 반응할 때 생성된다. 황과 텔루르는 규소와 을 모두 포함하는 유기 화합물과 결합할 수 있다.

칼코겐은 서로 결합하여 칼코겐간 화합물을 형성하기도 한다. 예를 들어, 황은 독성이 있는 이산화 황(SO₂)과 삼산화 황(SO₃)을 만든다.[33] 텔루르도 산화물을 형성한다. 셀레늄 황화물과 같이 몇몇 칼코겐 황화물도 존재하는데, 이는 일부 샴푸의 성분으로 사용된다.[24]

1990년 이후 칼코겐과 붕소가 결합한 붕화물이 많이 발견되었다. 이 화합물에서 칼코겐은 대부분 황이지만, 일부는 셀레늄을 포함하기도 한다. 예를 들어, 붕소-수소 분자에 두 분자의 디메틸 황화물이 부착된 칼코겐 붕화물이 있다. 다른 중요한 붕소-칼코겐 화합물에는 거대다면체 시스템이 포함된다. 이러한 화합물은 주로 황을 칼코겐으로 포함하는 경향이 있다. 또한, 칼코겐 원자가 2개, 3개, 4개인 칼코겐 붕화물도 있으며, 이들 중 상당수는 황을 포함하지만, Na2B2Se7과 같이 셀레늄을 포함하는 것도 있다.[39]

4. 역사

황은 고대부터 알려져 있었으며 성경에 15번이나 언급되어 있다.[2] 고대 그리스인들에게 알려져 있었고, 고대 로마인들이 일반적으로 채굴했다. 중세에는 연금술 실험의 핵심적인 부분이었다. 1700년대와 1800년대에 과학자 조제프 루이 게이뤼삭과 루이 자크 테나르는 황이 화학 원소임을 증명했다.[2]

17세기와 18세기까지 공기가 단일 원소로 여겨졌기 때문에, 초기 공기에서 산소를 분리하려는 시도는 방해를 받았다. 로버트 훅, 미하일 로모노소프, 올레 보르크, 피에르 바이든은 모두 산소를 성공적으로 만들었지만, 당시에는 그것을 깨닫지 못했다. 산소는 1774년 조지프 프리스틀리가 산화수은 샘플에 햇빛을 집중시켜 생성된 기체를 수집했을 때 발견되었다. 칼 빌헬름 셸레도 1771년 같은 방법으로 산소를 만들었지만, 셸레는 1777년까지 자신의 연구 결과를 발표하지 않았다.[2]

텔루르는 1783년 프란츠 요제프 뮐러 폰 라이헨슈타인에 의해 처음 발견되었다. 그는 현재 칼라베라이트로 알려진 샘플에서 텔루르를 발견했다. 뮐러는 처음에 그 샘플이 순수한 안티몬이라고 생각했지만, 그가 샘플에 대해 실시한 실험은 이것과 일치하지 않았다. 뮐러는 그 샘플이 황화비스무트라고 추측했지만, 실험은 그 샘플이 그것이 아니라는 것을 확인했다. 몇 년 동안 뮐러는 그 문제를 고민했다. 마침내 그는 그 샘플이 알려지지 않은 원소와 결합된 금이라는 것을 깨달았다. 1796년 뮐러는 그 샘플의 일부를 독일 화학자 마르틴 클라프로트에게 보냈고, 클라프로트는 미지의 원소를 정제했다. 클라프로트는 땅을 의미하는 라틴어에서 따와 그 원소의 이름을 텔루르라고 정했다.[2]

셀레늄은 1817년 옌스 야코브 베르셀리우스에 의해 발견되었다. 베르셀리우스는 황산 제조 공장에서 적갈색 침전물을 발견했다. 그 샘플은 비소를 포함하고 있는 것으로 생각되었다. 베르셀리우스는 처음에 그 침전물이 텔루르를 포함하고 있다고 생각했지만, 그것은 새로운 원소도 포함하고 있다는 것을 깨달았고, 그는 그리스 달의 여신 셀레네를 따서 셀레늄이라고 명명했다.[2][40]

1871년 드미트리 멘델레예프가 제안한 주기율표. 산소, 황, 셀레늄, 텔루륨이 6족에 포함되어 있음


칼코겐 원소 중 세 가지(황, 셀레늄, 텔루륨)는 주기성 발견의 일부였는데, 이는 요한 볼프강 되베라이너가 유사한 성질을 가진 원소의 세 쌍으로 구성된 계열 중 하나이기 때문이다.[55] 1865년경 존 뉴랜드는 원소들을 원자량 증가 순서대로 나열하고, 유사한 물리적 및 화학적 성질이 8개의 간격으로 반복되는 일련의 논문을 발표했는데, 그는 이러한 주기성을 음악의 옥타브에 비유했다.[41][42] 그의 주기율표에는 산소, 황, 셀레늄, 텔루륨, 오스뮴으로 구성된 "b족"이 포함되어 있었다.

현재 칼코겐으로 알려진 원소들 사이의 유사성을 처음으로 발견한 사람 중 한 명인 요한 볼프강 되베라이너


1869년 이후 드미트리 멘델레예프는 자신의 주기율표에서 산소를 황, 셀레늄, 텔루륨 위의 "6족" 맨 위에 배치했다.[43] 크로뮴, 몰리브데넘, 텅스텐, 우라늄이 이 족에 포함되기도 했지만, 나중에 VIB족으로 재배열되었고, 우라늄은 나중에 악티늄족 계열로 이동되었다. 산소는 황, 셀레늄, 텔루륨, 그리고 후에 폴로늄과 함께 ''VIA족''에 분류되었지만, 1988년에 이 족의 이름이 ''16족''으로 변경되었다.[44]

19세기 후반, 마리 퀴리피에르 퀴리는 피치블렌드 샘플이 우라늄만으로는 설명할 수 없는 양의 방사능을 네 배나 방출하고 있음을 발견했다. 퀴리 부부는 피치블렌드 수 톤을 모아 몇 달 동안 정제하여 순수한 폴로늄 샘플을 얻었다. 이 발견은 1898년에 공식적으로 이루어졌다. 입자 가속기가 발명되기 전에는 폴로늄을 생산하는 유일한 방법은 우라늄 광석에서 몇 달에 걸쳐 추출하는 것이었다.[2]

리버모륨을 처음으로 생성하려는 시도는 1976년부터 1977년까지 로렌스 버클리 국립 연구소 (LBNL)에서 이루어졌는데, 퀴륨-248에 칼슘-48을 충돌시켰지만 성공하지 못했다. 러시아, 독일, 미국의 연구팀들이 1977년, 1998년, 1999년에 여러 차례 실패한 끝에, 2000년 러시아 합동핵연구소에서 퀴륨-248 원자에 칼슘-48 원자를 충돌시켜 리버모륨을 성공적으로 생성했다. 이 원소는 2012년에 공식적으로 리버모륨으로 명명될 때까지 우눈헥슘으로 알려져 있었다.[2]

19세기에 옌스 야코브 베르셀리우스는 16족 원소를 "양쪽성 원소(amphigens)"라고 부르는 것을 제안했는데,[45] 이는 이 족의 원소들이 양쪽성염(산화물의 염, 산성 산화물과 염기성 산화물로 이루어진 것으로 여겨졌다)[46][47]을 형성하기 때문이다. 이 용어는 1800년대 초기에 어느 정도 사용되었지만 현재는 쓰이지 않는다.[45] "칼코겐(chalcogen)"이라는 이름은 그리스어 ''χαλκος|칼코스grc''(문자 그대로 "구리"), 그리고 ''γενές|게네스grc''(탄생,[48] 성별, 점화)에서 유래했다. 이 용어는 빌헬름 빌츠의 한노버 라이프니츠 대학교 연구팀이 1932년에 처음 사용했으며, 베르너 피셔가 제안했다.[49] "칼코겐"이라는 단어는 1930년대 독일에서 "할로겐"과 유사하다는 이유로 인기를 얻었다.[50] 현대 그리스어의 문자적 의미는 "구리 생성 원소"를 의미하지만, 이는 오해의 소지가 있다. 칼코겐은 특히 구리와는 관련이 없기 때문이다. 대부분의 금속 광석이 칼코겐화물이므로 "광석 생성 원소"가 더 나은 번역으로 제시되었으며,[51] 고대 그리스어에서 ''χαλκος|칼코스grc''는 일반적으로 금속과 금속 함유 암석과 관련이 있었다. 구리와 그 합금인 청동은 인류가 사용한 최초의 금속 중 하나였다.

산소의 이름은 "산을 생성하는"이라는 뜻의 그리스어 ''oxy genes''에서 유래했다. 황의 이름은 라틴어 ''sulfurium|술푸리움la'' 또는 산스크리트어 ''''에서 유래했는데, 두 용어 모두 고대 황을 가리키는 말이다. 셀레늄은 이전에 발견된 원소 텔루륨(이름은 흙이라는 뜻의 라틴어 ''telus|텔루스la''에서 유래)과 일치하도록 달의 그리스 여신인 셀레네의 이름을 따서 명명되었다. 폴로늄은 마리 퀴리의 출생국인 폴란드의 이름을 따서 명명되었다.[24] 리버모륨은 로렌스 리버모어 국립 연구소의 이름을 따서 명명되었다.[52]

5. 존재 및 분포

산소는 지구 대기지각에 풍부하게 존재한다. 대기의 21%(무게 기준), 물의 89%, 지각의 46%[11], 인체의 65%를 차지한다.[53] 은 화산 지대나 황화물 광물, 황산염 광물 형태로 존재하며, 지각의 0.035%, 인체의 0.25%를 구성한다.[53] 셀레늄텔루륨은 지각에 희귀하게 존재하며, 주로 구리 제련 과정에서 부산물로 얻어진다. 셀레늄은 지각의 백만분의 0.05,[11] 텔루륨은 10억분의 5 정도만 존재한다.[2] 폴로늄우라늄 광석에 극미량(톤당 100마이크로그램) 존재하며,[2] 주로 인공적으로 생산된다. 리버모륨은 자연에 존재하지 않으며, 입자가속기에서 인공적으로 합성된다.

친칼코겐 원소(chalcophile element)는 칼코겐과 결합하기 쉬운 원소들로, 지구 중심부로 가라앉지 않고 지표면에 주로 존재한다.[61]

6. 생산

산소는 주로 공기를 액화하여 분별증류하는 방식으로 생산되며, 이 과정을 통해 99.5% 순도의 산소를 얻을 수 있다. 또한 제올라이트로 만들어진 분자체를 이용하여 공기 중의 질소를 흡수하고 90~93% 순도의 산소를 얻는 방법도 있다.[1][63]

앨버타에서 정유 과정에서 회수된 황, 노스밴쿠버, 브리티시컬럼비아주에 운송을 위해 저장됨


황은 과거에는 원소 형태로 채굴되었으나, 현재는 석유, 천연가스, 타르에서 추출하는 것이 더 일반적이다.[1] 1890년대에 허먼 프라슈는 과열된 증기를 사용하여 황을 액화시켜 채굴하는 방법을 고안했다.

셀레늄은 주로 전해 정련 과정에서 발생하는 구리 폐기물에서 추출되며, 세계 셀레늄 생산량은 연간 약 1,500톤이다. 일본(연간 800톤), 벨기에(연간 300톤), 미국(연간 200톤 이상), 스웨덴(연간 130톤), 러시아(연간 100톤) 등이 주요 생산국이다.[1]

텔루르는 주로 구리 처리의 부산물로 생산되며,[64] 텔루르화나트륨의 전해 환원을 통해 정제할 수도 있다. 세계 텔루르 생산량은 연간 150~200톤이며, 미국(연간 약 50톤), 페루, 일본, 캐나다가 주요 생산국이다.[2]

폴로늄은 대부분 비스무트에 중성자를 충돌시켜 생산되며,[24] 원자로의 높은 중성자속에서도 생산될 수 있다. 매년 약 100g의 폴로늄이 생산되며, 러시아 오제르스크 원자로에서 만들어진다.[1]

리버모륨은 입자가속기에서 인공적으로 생산되며, 칼슘-48 원자로 퀴륨-248 원자를 충돌시켜 최초로 생산되었다. 2011년까지 약 25개의 리버모륨 원자가 합성되었다.[1]

7. 응용

16족 원소는 다양한 산업 분야에서 응용된다.

8. 생물학적 역할

산소를 포함하는 중요한 생물학적 화합물인 DNA


거의 모든 생명체는 ATP 생성을 위해 산소를 필요로 한다. 산소는 물, 아미노산, DNA와 같은 대부분의 다른 생물학적 화합물의 주요 구성 요소이기도 하다.

모든 동물은 상당량의 을 필요로 한다. 시스테인메티오닌과 같은 일부 아미노산에는 황이 포함되어 있다. 금속단백질은 신체에서 유용한 금속 원자에 결합하는 데 황을 사용하며, 마찬가지로 황은 카드뮴과 같은 유독 금속 원자에 결합하여 간으로 안전하게 이동시킨다.[1]

모든 동물과 일부 식물은 소량의 셀레늄을 필요로 하지만, 일부 특수 효소에만 필요하다.[1] 식품의 셀레늄은 대부분 셀레노시스테인과 셀레노메티오닌과 같은 아미노산의 형태로 발견된다.[1] 셀레늄은 중금속 중독으로부터 보호할 수 있다.[67]

텔루륨은 몇몇 균류가 셀레늄 대신 화합물에 포함시킬 수 있지만, 동물의 생명에 필요한 것으로 알려져 있지 않다. 미생물은 또한 텔루륨을 흡수하고 디메틸 텔루라이드를 방출한다.[2]

폴로늄은 생물학적 역할이 없으며 방사성이기 때문에 매우 독성이 강하다.

9. 독성

산소는 일반적으로 무독성이지만, 고농도에서는 산소 중독을 일으킬 수 있다. 스포츠 다이버가 수중 10m 이상의 깊이에서 순수 산소를 흡입하여 경련으로 익사하는 경우가 드물게 보고된다.[1] 산소는 일부 박테리아에게도 유독하다.[1]

은 원소 상태에서는 비교적 독성이 낮지만, 과량의 황은 소의 반추위 미생물과 반응하여 유독한 황화 수소를 생성하여 에게 유독할 수 있다.[71] 황화수소(H2S)와 이산화 황(SO2)은 매우 유독하다.[2]

셀레늄은 미량 필수 원소이지만, 450마이크로그램 이상 섭취하면 독성을 나타내어 입냄새와 체취를 유발할 수 있다. 일부 산업 현장에서 장기간 저농도에 노출되면 체중 감소, 빈혈, 피부염을 유발할 수 있다.[72] 셀렌산이 체내에서 생성되는 경우가 많다.[72] 셀렌화수소(H2Se)는 고독성이다.[2]

텔루륨은 섭취 시 마늘 냄새가 나는 입냄새를 유발할 수 있다.[24] 급성 텔루르 중독은 구토, 장염, 내부 출혈, 호흡 부전을 일으킬 수 있다. 장기간 저농도에 노출되면 피로감과 소화 불량을 유발한다. 텔루르산나트륨(Na2TeO3)은 약 2g 섭취시 치명적이다.[2]

폴로늄알파 입자 방출체로, 매우 유독하다. 섭취 시 폴로늄-210은 중량 기준으로 청산보다 백만 배나 독성이 강하며, 살해에 사용된 바 있다.[2] 폴로늄 중독은 메스꺼움, 구토, 식욕 부진, 림프구 감소증을 유발하며, 모낭백혈구를 손상시킬 수 있다.[1][73] 폴로늄-210은 알파 입자 방출이 인체 피부를 투과할 수 없기 때문에 섭취하거나 흡입한 경우에만 위험하다.[74] 폴로늄-209도 유독하며 백혈병을 유발할 수 있다.[75]

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