3주기 원소

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1. 개요
2. 원자 구조
3. 3주기 원소 목록
4. 생물학적 역할
참조

1. 개요

3주기 원소는 주기율표의 세 번째 가로줄에 위치한 화학 원소들을 지칭한다. 이들은 원자 구조에서 세 번째 전자 껍질(n=3)에 전자가 채워지며, s 및 p 부껍질이 채워지는 특징을 갖는다. 3주기에는 나트륨(Na), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 규소(Si), 인(P), 황(S), 염소(Cl), 아르곤(Ar)이 포함된다. 이 원소들은 금속, 준금속, 비금속의 성질을 나타내며, 다양한 화합물을 형성하여 산업 및 생물학적 과정에 기여한다. 특히, 나트륨, 마그네슘, 인, 황, 염소는 생명체 내에서 필수적인 역할을 수행하며, 규소는 일부 생물체의 구조 형성에, 아르곤은 생물학적 역할이 없는 불활성 기체로 존재한다.

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3주기 원소
개요
주기	3주기
원자 번호 범위	11 (나트륨) - 18 (아르곤)
전자 껍질	2, 8, 1-8
전자 껍질 설명	3번째 전자 껍질 채워짐
원소 정보
원소	Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, Ar
종류	알칼리 금속: Na 알칼리 토금속: Mg 전이후 금속: Al 준금속: Si 비금속: P, S, Cl 비활성 기체: Ar
상태	모두 상온에서 고체 또는 기체 상태로 존재
존재	자연에서 발견
반응성	나트륨은 반응성이 매우 높고, 아르곤은 안정적임.
특징	3주기 원소는 원자 번호가 증가함에 따라 금속에서 비금속으로 성질이 변함.

2. 원자 구조

양자역학적 원자 구조에 대한 설명에서, 3주기는 전자가 세 번째(n = 3) 껍질에 채워지는 것에 해당하며, 특히 3s 및 3p 부껍질이 채워진다. 3d 부껍질이 존재하지만, 아우프바우 원리에 따라 4주기 원소에서 채워진다. 이것은 여덟 개의 모든 원소가 정확히 같은 순서로 2주기 원소와 유사하게 만든다. 3d 부껍질은 일반적으로 작용하지 않으므로 옥텟 규칙은 2주기 원소와 마찬가지로 3주기에 적용된다.

3. 3주기 원소 목록

3주기 원소는 나트륨(Na)부터 아르곤(Ar)까지 8개의 원소로 구성된다.

3주기 원소
원소	기호	원자 번호	블록	전자 배치
나트륨	Na	11	s-블록	[Ne] 3s¹
마그네슘	Mg	12	s-블록	[Ne] 3s²
알루미늄	Al	13	p-블록	[Ne] 3s² 3p¹
규소	Si	14	p-블록	[Ne] 3s² 3p²
인	P	15	p-블록	[Ne] 3s² 3p³
황	S	16	p-블록	[Ne] 3s² 3p⁴
염소	Cl	17	p-블록	[Ne] 3s² 3p⁵
아르곤	Ar	18	p-블록	[Ne] 3s² 3p⁶

3. 1. 나트륨 (Na)

'''나트륨''' (기호 '''Na''')은 부드럽고 은백색을 띠며 반응성이 매우 큰 금속으로, 알칼리 금속에 속한다. 유일하게 안정적인 동위 원소는 ²³Na이다. 나트륨은 풍부한 원소로, 장석, 소다석 및 암염과 같은 수많은 광물에 존재한다. 많은 나트륨 염은 물에 잘 녹으며, 따라서 지구의 물에 상당한 양으로 존재하며, 특히 바다에서 염화 나트륨 형태로 가장 풍부하게 발견된다.

많은 나트륨 화합물은 유용하게 사용되며, 예를 들어 비누 제조에 사용되는 수산화 나트륨(가성소다), 제빙제 및 영양소로 사용되는 염화 나트륨 등이 있다. 동일한 이온은 질산 나트륨과 같은 많은 광물의 구성 요소이기도 하다.

자유 금속, 즉 원소 상태의 나트륨은 자연 상태에서는 존재하지 않으며, 나트륨 화합물로부터 제조해야 한다. 원소 나트륨은 1807년 험프리 데이비에 의해 수산화 나트륨의 전기 분해를 통해 처음으로 분리되었다.

3. 2. 마그네슘 (Mg)

'''마그네슘''' (기호 '''Mg''')은 알칼리 토금속으로, 지각에서 8번째로 풍부한 원소이다.^[2] 지구 전체에서는 철, 산소, 규소 다음으로 4번째로 흔하며, 지구 질량의 13%를 차지하고 맨틀의 상당 부분을 구성한다. 마그네슘은 초신성에서 탄소에 3개의 헬륨 핵이 순차적으로 추가되어 쉽게 생성되기 때문에 비교적 풍부하다.^[3]^[4] 마그네슘 이온은 물에 잘 녹아 바닷물에 녹아있는 원소 중 3번째로 많다.^[5]

자유 원소 상태의 마그네슘(금속)은 반응성이 매우 커서 지구에서 자연적으로 발견되지 않는다. 다만, 생성된 후에는 얇은 산화막으로 덮여 반응성이 কিছুটা 줄어든다(부동태화). 마그네슘 금속은 밝은 흰색 빛을 내며 타올라 조명탄의 재료로 사용된다. 이 금속은 주로 염수에서 얻은 마그네슘 염을 전해하여 생산한다. 상업적으로는 알루미늄-마그네슘 합금("마그날륨" 또는 "마그넬륨")을 만드는 데 사용된다. 마그네슘은 알루미늄보다 밀도가 낮아, 이러한 합금은 가볍고 강하다는 장점이 있다.

마그네슘 이온은 신맛이 나며, 낮은 농도에서는 미네랄 워터에 자연스러운 신맛을 더한다.

3. 3. 알루미늄 (Al)

'''알루미늄'''(기호 '''Al''')은 붕소족에 속하는 은백색의 화학 원소이며, 일부 화학자들은 전이 후 금속으로 분류하는 p-블록 금속이다.^[6] 일반적인 상황에서는 물에 녹지 않는다. 알루미늄은 지구 지각에서 산소 및 규소 다음으로 세 번째로 풍부한 원소이자, 가장 풍부한 금속이다. 지구 고체 표면의 약 8%를 차지한다. 알루미늄 금속은 화학적으로 반응성이 너무 커서 자연 상태로 존재하지 않는다. 대신, 270가지가 넘는 다양한 광물에서 결합된 형태로 발견된다.^[7] 알루미늄의 주요 광석은 보크사이트이다.

알루미늄은 금속의 낮은 밀도와 부동태화 현상으로 인한 부식 저항 능력으로 주목받는다. 알루미늄과 그 합금으로 만들어진 구조 부품은 항공우주 산업에 매우 중요하며, 다른 운송 및 구조 재료 분야에서도 중요하다. 알루미늄의 가장 유용한 화합물은, 적어도 중량 기준으로, 산화물과 황산염이다.

3. 4. 규소 (Si)

'''규소''' (기호 '''Si''')는 14족 원소에 속하는 준금속이다. 주기율표에서 바로 위에 위치한 비금속인 탄소보다 반응성이 낮지만, 바로 아래에 위치한 준금속인 게르마늄보다 반응성이 높다. 규소는 1824년에 순수한 형태로 처음 제조되고 특성화되었으며, '-ium'으로 끝나는 단어 형식을 사용하여 금속을 연상시키는 silicis|실리시스^la(부싯돌)에서 유래된 'silicium'이라는 이름을 얻었다. 그러나 1831년에 제안된 최종 이름은 화학적으로 더 유사한 원소인 탄소와 붕소를 반영한다.^[8]

규소는 질량 기준으로 우주에서 여덟 번째로 흔한 원소이지만, 자연 상태에서 순수한 자유 원소로 존재하는 경우는 매우 드물다. 규소는 먼지, 모래, 소행성 및 행성에 이산화 규소(실리카) 또는 규산염의 다양한 형태로 가장 널리 분포되어 있다. 지구 지각의 90% 이상이 규산염 광물로 구성되어 있으며, 이는 규소가 지구 지각에서 산소 다음으로 두 번째로 풍부한 원소(약 28% 질량)임을 나타낸다.^[8]

대부분의 규소는 분리하지 않고 상업적으로 사용되며, 실제로 자연에서 얻은 화합물을 거의 처리하지 않고 사용되는 경우가 많다. 여기에는 점토, 실리카 모래 및 돌의 직접적인 산업 건축 사용이 포함된다. 실리카는 세라믹 벽돌에 사용된다. 규산염은 모르타르 및 회반죽을 위한 포틀랜드 시멘트에 사용되며, 실리카 모래 및 자갈과 결합하여 콘크리트를 만든다. 규산염은 또한 백색 도자기와 같은 세라믹과 전통적인 석영 기반 소다-석회 유리에도 사용된다. 탄화 규소와 같은 보다 현대적인 규소 화합물은 연마재와 고강도 세라믹을 형성한다. 규소는 실리콘이라고 불리는 널리 사용되는 합성 규소 기반 고분자의 기본 물질이다.

원소 규소는 또한 현대 세계 경제에 큰 영향을 미친다. 대부분의 자유 규소는 강철 정련, 알루미늄 주조 및 정밀 화학 산업에서 사용되지만(종종 흄드 실리카를 만들기 위해), 반도체 전자 제품에 사용되는 매우 고도로 정제된 규소의 비교적 적은 부분(< 10%)이 훨씬 더 중요하다. 대부분의 컴퓨터의 기본인 집적 회로에 규소가 널리 사용되기 때문에 많은 현대 기술이 이에 의존한다.

3. 5. 인 (P)

'''인'''(기호 '''P''')은 다원자가 비금속의 질소족 원소이며, 광물로서의 인은 거의 항상 최대로 산화된 상태(오가원자)인 무기 인산염 암석으로 존재한다. 원소 인은 두 가지 주요 형태, 즉 백린과 적린으로 존재하지만, 반응성이 높기 때문에 지구상에서 자유 원소로 발견되지 않는다.

최초로 생산된 원소 인의 형태(1669년 백린)는 산소에 노출되면 희미한 빛을 발산하는데, 이것이 그리스 신화에서 유래된 이름 Φωσφόρος|포스포로스^el "빛을 짊어진 자"(라틴어: ''루시퍼'')이며, "샛별"인 금성을 가리킨다. 인광이라는 용어는 조명 후 빛을 내는 것을 의미하며, 인의 이러한 특성에서 유래했지만, 인의 빛은 백린(적린 제외)의 산화에서 발생하며 화학 발광이라고 해야 한다. 또한, 옥텟 규칙의 안정한 예외를 쉽게 생성하는 가장 가벼운 원소이기도 하다.

인 화합물의 대다수는 비료로 소비된다. 다른 용도로는 세제, 살충제, 신경 작용제 및 성냥에 사용되는 유기인 화합물의 역할이 있다.^[9]

3. 6. 황 (S)

황(S)은 다원자가 비금속으로, 칼코젠 중 하나이다. 표준 상태에서 황 원자는 화학식 S₈을 갖는 고리형 8원자 분자를 형성한다. 원소 황은 실온에서 밝은 노란색 결정 고체이다. 화학적으로 황은 산화제 또는 환원제로 작용할 수 있다. 대부분의 금속과 탄소를 포함한 여러 비금속을 산화시키는데, 이는 대부분의 유황 화합물에서 음전하를 띠게 한다. 하지만 산소와 플루오린과 같은 강력한 산화제를 환원시키기도 한다.

자연에서 황은 순수한 원소, 황화물 및 황산염 광물로 발견될 수 있다. 원소 황 결정은 밝은 색상의 다면체 모양으로 인해 광물 수집가들이 흔히 찾는다. 자연 상태로 풍부하게 존재하기 때문에 황은 고대 시대에 알려져 있었고, 고대 그리스, 중국, 이집트에서 사용되었다는 언급이 있다. 황 연기는 훈증제로 사용되었으며, 황 함유 약용 혼합물은 연고 및 항기생충제로 사용되었다. 황은 성경에서 영어로 유황으로 언급되었으며, 이 이름은 여러 비과학적인 용어에서 여전히 사용된다.^[10] 황은 자체 연금술 기호를 받을 만큼 중요하게 여겨졌다. 최고 품질의 검은 화약을 만드는 데 필요했으며, 밝은 노란색 가루는 연금술사들이 그것으로부터 합성하려 했던 금의 일부 특성을 포함한다고 가정했다. 1777년, 앙투안 라부아지에는 황이 화합물이 아닌 기본 원소임을 과학계에 설득하는 데 기여했다.

원소 황은 한때 염반구에서 추출되었는데, 여기에서 거의 순수한 형태로 나타나기도 하지만, 이 방법은 20세기 후반부터 쓸모없게 되었다. 오늘날, 거의 모든 원소 황은 천연 가스 및 석유에서 황 함유 오염 물질을 제거하는 과정에서 부산물로 생산된다. 이 원소의 상업적 용도는 주로 식물이 상대적으로 많은 양을 필요로 하기 때문에 비료에 사용되며, 주요 산업 화학 물질인 황산 제조에도 사용된다. 이 원소의 다른 잘 알려진 용도로는 성냥, 살충제, 살균제가 있다. 많은 황 화합물은 악취가 나며, 냄새를 첨가한 천연 가스, 스컹크 냄새, 자몽, 마늘 냄새는 황 화합물 때문이다. 살아있는 유기체가 생성하는 황화 수소는 썩은 달걀 및 기타 생물학적 과정에 특유의 냄새를 부여한다.

3. 7. 염소 (Cl)

염소(기호 '''Cl''')는 두 번째로 가벼운 할로젠이다. 이 원소는 표준 상태에서 이원자 분자를 형성하며, 이를 이염소라고 한다. 염소는 모든 원소 중에서 가장 높은 전자 친화도와 가장 높은 전기 음성도를 가지고 있으며, 따라서 강력한 산화제이다.

염소의 가장 흔한 화합물인 염화 나트륨(소금)은 고대부터 알려져 왔지만, 1630년경 벨기에의 화학자이자 의사인 얀 밥티스타 판 헬몬트가 염소 기체를 얻었다. 원소 염소의 합성 및 특성 규명은 1774년 스웨덴 화학자 카를 빌헬름 셸레에 의해 이루어졌으며, 그는 이를 "탈플로지스톤 염산 공기"라고 불렀다. 당시에는 산이 반드시 산소를 포함한다고 생각했기 때문에, 셸레는 이것이 염산에서 얻은 산화물이라고 생각했다. 클로드 베르톨레를 포함한 여러 화학자들은 셸레의 "탈플로지스톤 염산 공기"가 산소와 아직 발견되지 않은 원소의 조합임에 틀림없다고 제안했으며, 셸레는 이 산화물 내의 새로운 원소를 ''무리아티쿰''이라고 명명했다. 이 새롭게 발견된 기체가 단순 원소라는 주장은 1809년 조제프 루이 게이뤼삭과 루이 자크 테나르에 의해 제기되었다. 이는 1810년 험프리 데이비 경에 의해 확인되었으며, 그는 그리스어 단어 ''χλωρός''(chlōros)에서 따와 염소를 "녹황색"을 의미하는 "chlorine"이라고 명명했다.

염소는 많은 다른 화합물의 구성 요소이다. 지구 지각에서 두 번째로 풍부한 할로젠이자 21번째로 풍부한 원소이다. 염소의 강력한 산화력은 표백 및 살균 용도로 이어졌으며, 화학 산업에서 필수적인 시약이 되었다. 흔한 소독제로서 염소 화합물은 수영장을 깨끗하고 위생적으로 유지하기 위해 사용된다. 상층 대기에서 클로로플루오로카본과 같은 염소를 포함하는 분자는 오존층 파괴와 관련되어 있다.

3. 8. 아르곤 (Ar)

'''아르곤'''(기호 '''Ar''')은 18족, 즉 비활성 기체에 속하는 세 번째 원소이다. 아르곤은 지구 대기에서 0.93%를 차지하는 세 번째로 흔한 기체로, 이산화 탄소보다 더 흔하다. 이 아르곤의 거의 대부분은 지구의 지각에서 칼륨-40의 붕괴로 생성된 방사성 아르곤-40이다. 우주에서 아르곤-36은 항성 핵합성으로 생성되는 아르곤 동위원소로, 가장 흔한 아르곤 동위원소이다.

"아르곤"이라는 이름은 그리스어 중성 형용사 ''ἀργόν''에서 유래되었으며, 이는 "게으른" 또는 "비활성적인 것"을 의미하는데, 이 원소가 거의 화학 반응을 일으키지 않기 때문이다. 외부 원자 껍질에 있는 완전한 옥텟(8개의 전자)은 아르곤을 안정적으로 만들고 다른 원소와의 결합에 저항하게 한다. 83.8058 K의 삼중점 온도는 1990년 국제 온도 눈금의 정의된 고정점이다.

아르곤은 액체 공기의 분별 증류를 통해 산업적으로 생산된다. 아르곤은 주로 용접 및 다른 고온 산업 공정에서 불활성 차폐 기체로 사용되는데, 여기서 일반적으로 비활성 물질이 반응하게 된다. 예를 들어, 아르곤 분위기는 흑연이 타는 것을 방지하기 위해 흑연 전기 용광로에서 사용된다. 아르곤 기체는 백열등 및 형광등, 그리고 기타 종류의 기체 방전관에도 사용된다. 아르곤은 독특한 청록색 기체 레이저를 만든다.

4. 생물학적 역할

나트륨은 모든 동물과 일부 식물에게 필수적인 식이 무기질이다. 동물에서 나트륨 이온은 칼륨 이온에 대항하여 세포막에 전하를 축적하는 데 사용되어 전하가 소실될 때 신경 자극의 전달을 가능하게 한다. 따라서 식이 무기질 거대 영양소로 분류된다.

마그네슘 이온은 모든 살아있는 세포에 필수적이며, ATP, DNA, RNA 등 중요한 생물학적 폴리인산 화합물을 조작하는 데 중요한 역할을 한다. 수백 개의 효소가 기능을 수행하기 위해 마그네슘 이온을 필요로 한다.^[11] 마그네슘은 엽록소 중심에 있는 금속 이온이므로 비료에 흔히 첨가된다.

알루미늄염은 환경에 널리 존재하지만, 어떤 생명체에서도 사용되는 것으로 알려져 있지 않다. 알루미늄은 널리 퍼져 있기 때문에 식물과 동물에 의해 잘 견딜 수 있다.^[12] 알루미늄 화합물의 잠재적인 생물학적 역할에 대한 관심은 지속적으로 이어지고 있다.

규소는 생물학에서 필수적인 원소이지만, 동물에게는 소량의 규소만 필요한 것으로 보인다.^[13] 다양한 해면동물은 구조를 가지기 위해 규소가 필요하다. 규소는 식물, 특히 많은 목초의 대사에 훨씬 더 중요하며, 규산 (일종의 실리카)은 미세한 규조류의 보호 껍질 배열의 기초를 형성한다.

인은 생명체에 필수적이다. 인산염으로서 인은 DNA, RNA, ATP의 구성 요소이며 모든 세포막을 형성하는 인지질의 구성 요소이기도 하다. 원소 인은 역사적으로 처음으로 사람의 소변에서 분리되었으며, 뼈 재는 중요한 초기 인산염 공급원이었다. 인산염 광물은 화석이다. 낮은 인산염 수치는 일부 수생 시스템에서 성장을 제한하는 중요한 요소이다.

황은 모든 생명체에 필수적인 원소이며 생화학적 과정에 널리 사용된다. 유기적 형태의 황은 비타민 비오틴과 티아민에 존재하며, 후자는 황에 대한 그리스어에서 이름을 따왔다. 황은 많은 효소와 글루타티온, 티오레독신 등 항산화 분자의 중요한 부분이다. 유기적으로 결합된 황은 아미노산 시스테인과 메티오닌 등 모든 단백질의 구성 요소이다. 이황화 결합은 외피, 머리카락 및 깃털에서 발견되는 단백질 케라틴의 기계적 강도와 불용성에 크게 기여한다.

원소 염소는 모든 생명체에 매우 위험하고 유독하며 화학전에서 폐 자극제로 사용된다. 그러나 염소는 염화물 이온 형태로 인간을 포함한 대부분의 생명체에 필요하다.

아르곤은 생물학적 역할이 없다.

참조

_[1] 웹사이트 Period 3 Element http://scienceaid.co[...] 2012-07-29
_[2] 웹사이트 Abundance and form of the most abundant elements in Earth's continental crust http://railsback.org[...] 2008-02-15
_[3] 서적 Housecroft3rd
_[4] 서적 The Top 10 of Everything 2006: The Ultimate Book of Lists http://plymouthlibra[...] Dk Pub
_[5] 뉴스 The chemical composition of seawater http://www.seafriend[...]
_[6] 서적 Principles of Structure & Reactivity HarperCollins College Publishers
_[7] 웹사이트 Chemical of the Week: Aluminum http://scifun.chem.w[...] Science is Fun 2007-08-28
_[8] 웹사이트 Abundances of the Elements in the Earth's Crust http://hyperphysics.[...] Georgia State University
_[9] 간행물 Phosphorus Wiley-VCH, Weinheim
_[10] 서적 Chemistry of the Elements Butterworth-Heinemann
_[11] 웹사이트 Magnesium in health http://www.mg12.info
_[12] 서적 Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry
_[13] 논문 Ultratrace Elements in Nutrition

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