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.
16족 원소는 할로겐 다음으로 전기음성도가 높고 반응성이 높은 원소들이다. 주기가 증가함에 따라 금속성이 증가하는 경향을 보인다. 산소와 황은 전형적인 비금속이지만, 셀레늄과 텔루륨은 준금속 성질을 나타내며, 폴로늄은 금속으로 분류된다. 산소에서 셀레늄까지는 공유 결합 물질이며, 텔루륨과 폴로늄은 준금속이다.
2. 성질
16족 원소의 단체는 산소만 기체이며, 황, 셀레늄, 텔루륨, 폴로늄은 고체이다. 16족 원소 중 일부는 불꽃 반응을 나타낸다.
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. 물(H2O)는 수소결합을 형성한다.
황화수소, 셀렌화수소, 텔루르화수소는 성질이 비슷하지만, 물 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) | 원소 | 각 껍질의 전자 수 |
---|---|---|
8 | 산소 | 2, 6 |
16 | 황 | 2, 8, 6 |
34 | 셀레늄 | 2, 8, 18, 6 |
52 | 텔루르 | 2, 8, 18, 18, 6 |
84 | 폴로늄 | 2, 8, 18, 32, 18, 6 |
116 | 리버모륨 | 2, 8, 18, 32, 32, 18, 6 (예측)[8] |
원소 | 녹는점 (°C)[11] | 끓는점 (°C)[11] | 표준 상태에서의 밀도 (g/cm3)[11] |
---|---|---|---|
산소 | −219 | −183 | 0.00143 |
황 | 120 | 445 | 2.07 |
셀레늄 | 221 | 685 | 4.3 |
텔루르 | 450 | 988 | 6.24 |
폴로늄 | 254 | 962 | 9.2 |
리버모륨 | 364–507 (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 | 황 ₁₆S | 셀레늄 ₃₄Se | 텔루륨 ₅₂Te | 폴로늄 ₈₄Po | |
---|---|---|---|---|---|
전자배치 | |||||
제1 이온화 에너지 (kJ·mol−1) | 1313.9 | 999.6 | 941 | 869.3 | 812 |
제2 이온화 에너지 (kJ·mol−1) | 3388.3 | 2252 | 2045 | 1790 | - |
전자 친화도 (kJ·mol−1) | -147 | -206 | -201 | -196 | -189 |
전자 친화력 (kJ·mol−1) | 141 | 200 | 195 | 190 | 183 |
전기음성도 (Allred-Rochow) | 3.50 | 2.44 | 2.48 | 2.01 | 1.76 |
이온 반지름 (M2−, pm) | 140 | 184 | 198 | 221 | (230) |
이온 반지름 (M4+, pm) | - | 51 | 64 | 66 | 65 |
이온 반지름 (M6+, pm) | - | 26 | 42 | 70 | - |
공유 결합 반지름 (pm) | 73 | 104 | 117 | 137 | 153 |
반데르발스 반지름 (pm) | 152 | 180 | 190 | 206 | - |
녹는점 (K) | 50.35 (O₂) | 386(α황) 393(β황) 380(γ황) | 490 | 725 | 527 |
끓는점 (K) | 90.18 (O₂) | 718 | 958 | 1263 | 1235 |
환원 전위 E0 (V) | +1.21 (O₂/H₂O) | +0.14 (S/H₂S) | - | - | - |
16족 원소 중 일부는 불꽃 반응을 나타낸다.
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]황은 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.
원소 | 동소체 종류 및 특징 |
---|---|
산소 | 이원자 산소(O2), 오존(O3), 사산소(O4), 고체 산소 (6가지) |
황 | 20가지 이상, 고리형 S8 (가장 일반적), 사방정계 황, 단사정계 황, 기체 황 (S2와 S8 혼합물) 등 |
셀레늄 | 8가지 이상, 회색 셀레늄 (육각형, 안정), 적색 셀레늄 (단사정계, 준안정), 비정질 셀레늄 (적색, 흑색) 등 |
텔루륨 | 동소체 없음 (일반적인 형태는 육각형) |
폴로늄 | α-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 물(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]

황산, 아황산, 셀렌산, 텔루르산을 포함한 많은 칼코겐 함유 산이 있다. 수소 칼코겐화물은 물을 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) | 황 (₁₆S) | 셀레늄 (₃₄Se) | 텔루륨 (₅₂Te) | 폴로늄 (₈₄Po) | |
---|---|---|---|---|---|
전자배치 | [He]2s22p4 | [Ne]3s23p4 | [Ar]3d104s24p4 | [Kr]4d105s25p4 | [Xe]4f145d106s26p4 |
제1 이온화 에너지 (kJ·mol−1) | 1313.9 | 999.6 | 941 | 869.3 | 812 |
제2 이온화 에너지 (kJ·mol−1) | 3388.3 | 2252 | 2045 | 1790 | - |
전자 친화도 (kJ·mol−1) | -147 | -206 | -201 | -196 | -189 |
전자 친화력 (kJ·mol−1) | 141 | 200 | 195 | 190 | 183 |
전기음성도 (Allred-Rochow) | 3.50 | 2.44 | 2.48 | 2.01 | 1.76 |
이온 반지름 (M2-, pm) | 140 | 184 | 198 | 221 | (230) |
이온 반지름 (M4+, pm) | - | 51 | 64 | 66 | 65 |
이온 반지름 (M6+, pm) | - | 26 | 42 | 70 | - |
공유 결합 반지름 (pm) | 73 | 104 | 117 | 137 | 153 |
반데르발스 반지름 (pm) | 152 | 180 | 190 | 206 | - |
녹는점 (K) | 50.35 (O₂) | 386 (α황) 393 (β황) 380 (γ황) | 490 | 725 | 527 |
끓는점 (K) | 90.18 (O₂) | 718 | 958 | 1263 | 1235 |
환원 전위 E0 (V) | +1.21 (O₂/H₂O) | +0.14 (S/H₂S) | - | - | - |
16족 원소의 단체는 산소만 기체이며, 황, 셀레늄, 텔루륨, 폴로늄은 고체이다.
16족 원소 중 일부는 불꽃 반응을 나타낸다.
셀레늄 | 텔루륨 |
---|---|
청색 | 담녹색 |
산소의 산화물로는 과산화물과 초과산화물이 알려져 있다. 산소를 제외한 황, 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.
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 물(H2O)는 수소결합을 형성한다.
황화수소, 셀렌화수소, 텔루르화수소는 성질이 비슷하지만, 물 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
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(인, 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(TeF6) 염화물 일산화 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)브롬화물 일산화 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)아이오딘화물 이산화사아이오딘(I2O4)
구산화사아이오딘(I4O9)
오산화이아이오딘(I2O5) 사아이오딘화 텔루륨(TeI4) 사아이오딘화 폴로늄(PoI4)