4주기 원소

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1. 개요

4주기 원소는 주기율표의 네 번째 주기 원소로, 칼륨(K)부터 크립톤(Kr)까지 19개의 원소를 포함한다. 이들은 대부분 안정적이며 지각과 핵에서 흔히 발견되며, 강도가 높은 전이 금속은 산업에 널리 사용된다. 반면, 일부 원소는 독성을 띠며, 생존에 필수적인 칼슘과 같은 원소도 존재한다. 4주기 원소는 아우프바우 원리에 따라 전자 배치를 가지며, s, d, p 오비탈에 전자를 채운다. 이들은 s-블록, d-블록, p-블록에 걸쳐 분포하며, 각 블록의 원소는 고유한 특성을 나타낸다. 4주기 원소는 생물학적 역할도 수행하며, 단백질 기능 조절, 세포 막 전위 유지, 산소 운반체 역할 등을 한다.

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4주기 원소
개요
주기	4주기
원자 번호	19에서 36까지
전자 껍질	K, L, M, N
전자 배치	2, 8, 8, 1에서 2, 8, 18, 8까지
원소 목록
19	칼륨 (K)
20	칼슘 (Ca)
21	스칸듐 (Sc)
22	티타늄 (Ti)
23	바나듐 (V)
24	크로뮴 (Cr)
25	망가니즈 (Mn)
26	철 (Fe)
27	코발트 (Co)
28	니켈 (Ni)
29	구리 (Cu)
30	아연 (Zn)
31	갈륨 (Ga)
32	저마늄 (Ge)
33	비소 (As)
34	셀레늄 (Se)
35	브로민 (Br)
36	크립톤 (Kr)

2. 성질

4주기 원소는 모두 안정적이며,^[1] 대부분이 지각 및/또는 핵에서 매우 흔하게 발견된다. 불안정한 원소가 없는 마지막 주기이다. 이 주기의 많은 전이 금속은 강도가 높고, 따라서 산업에서 흔히 사용된다. 특히 철이 그러하다.^[3] 바나듐 화합물은 모두 독성을 띠며,^[2] 비소는 가장 잘 알려진 독극물 중 하나이고, 브로민은 독성 액체이다. 반면, 칼슘과 같이 인간 생존에 필수적인 원소도 있는데, 칼슘은 뼈의 주요 구성 성분이다.^[3]

2. 1. 원자 구조

원자 번호가 증가함에 따라 아우프바우 원리에 의해 4주기 원소들은 4s, 3d, 4p 부껍질에 차례대로 전자를 채운다. 하지만, 크롬과 같은 예외도 있다. 처음 12개의 원소—K, Ca, 전이 금속—는 각각 1개에서 12개의 최외각 전자를 가지며, 이는 4s와 3d에 배치된다.

아르곤의 전자 배치를 기준으로 12개의 전자가 더해져 아연의 전자 배치, 즉 3d¹⁰ 4s²에 도달한다. 이 원소 이후, 채워진 3d 부껍질은 화학 반응에서 효과적으로 벗어나고, 다음 경향은 2주기와 3주기의 경향과 매우 유사해 보인다. 4주기의 p-블록 원소는 최외각 전자 껍질이 네 번째 껍질의 4s 및 4p 부껍질로 구성되어 있으며, 옥텟 규칙을 따른다.

양자 화학 관점에서 이 주기는 단순화된 전자 껍질 패러다임에서 다양한 방위 양자수를 가진 부껍질 연구로의 전환을 보여준다. 이들의 상대적인 에너지 준위 배치는 다양한 물리적 효과의 상호 작용에 의해 결정된다. 이 주기의 s-블록 금속은 공칭적으로 낮은 주 양자수 상태에 빈자리가 있음에도 불구하고, 4s에 전자를 배치한다. 이는 가벼운 원소에서는 볼 수 없는 현상이다. 반대로, 갈륨에서 크립톤까지의 6개 원소는 최외각 전자 껍질 아래의 모든 전자 껍질이 "완전히" 채워진 가장 무거운 원소이다. 이는 f-부껍질이 존재하기 때문에 다음 주기에서는 더 이상 불가능하다.

3. 원소 목록

화학 원소			블록	전자 배치
19	K	칼륨	s-블록	[Ar] 4s¹
20	Ca	칼슘	s-블록	[Ar] 4s²
21	Sc	스칸듐	d-블록	[Ar] 3d¹ 4s²
22	Ti	티타늄	d-블록	[Ar] 3d² 4s²
23	V	바나듐	d-블록	[Ar] 3d³ 4s²
24	Cr	크롬	d-블록	[Ar] 3d⁵ 4s¹ (*)
25	Mn	망가니즈	d-블록	[Ar] 3d⁵ 4s²
26	Fe	철	d-블록	[Ar] 3d⁶ 4s²
27	Co	코발트	d-블록	[Ar] 3d⁷ 4s²
28	Ni	니켈	d-블록	[Ar] 3d⁸ 4s²
29	Cu	구리	d-블록	[Ar] 3d¹⁰ 4s¹ (*)
30	Zn	아연	d-블록	[Ar] 3d¹⁰ 4s²
31	Ga	갈륨	p-블록	[Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p¹
32	Ge	게르마늄	p-블록	[Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p²
33	As	비소	p-블록	[Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p³
34	Se	셀레늄	p-블록	[Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁴
35	Br	브로민	p-블록	[Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁵
36	Kr	크립톤	p-블록	[Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁶

(*) 마델룽 규칙의 예외

4. s-블록 원소

4주기 원소의 s-블록 원소에는 칼륨과 칼슘이 있다.

칼륨(K)은 알칼리 금속으로, 나트륨 아래, 루비듐 위에 있다.^[4] 반응성이 매우 커서 보통 화합물 형태로만 존재한다. 은백색 금속^[6]으로 공기 중의 산소에 노출되면 빠르게 산화되어 변색된다. 칼로 자를 수 있을 정도로 무르며^[5], 밀도가 두 번째로 낮다. 녹는점이 낮아^[6] 작은 불꽃에도 녹는다. 물보다 밀도가 낮아 이론적으로는 물에 뜰 수 있지만^[7] 물과 반응한다.^[6]

칼슘(Ca)은 4주기 원소의 두 번째 원소이다. 알칼리 토금속인 자생 원소 칼슘은 물과 반응하기 때문에 자연 상태에서는 거의 발견되지 않는다. 뼈와 치아를 구성하며, 생물학적으로 중요한 역할을 한다.^[9] 세포에서 신호 전달 과정에도 사용된다. 인체에서 가장 풍부한 무기질이다.

4. 1. 칼륨

칼륨(K)은 알칼리 금속으로, 나트륨 아래에 있으며 루비듐 위에 위치한^[4] 4주기 원소의 첫 번째 원소이다. 가장 반응성이 큰 화학 원소 중 하나로, 일반적으로 화합물 형태로만 존재한다. 은백색 금속^[6]으로 공기 중의 산소에 노출되면 빠르게 변색되며, 이는 산화 때문이다. 칼로 자를 수 있을 정도로 무르며^[5], 밀도가 두 번째로 낮은 원소이다. 칼륨은 비교적 낮은 녹는점을 가지며, 작은 화염 아래에서도 녹는다.^[6] 또한 물보다 밀도가 낮아 원리적으로는 물에 뜰 수 있지만^[7] (하지만 노출된 물과 반응한다)^[6]

4. 2. 칼슘

칼슘(Ca)은 4주기 원소의 두 번째 원소이다. 알칼리 토금속인 자생 원소 칼슘은 물과 반응하기 때문에 자연 상태에서는 거의 발견되지 않는다. 칼슘은 모든 동물과 일부 식물에서 뼈와 치아와 같은 구조적 요소를 구성하며, 가장 널리 알려진 생물학적 역할을 한다.^[9] 또한 세포에서 세포 과정의 신호와 같은 용도로 사용된다. 칼슘은 인체에서 가장 풍부한 무기질로 간주된다.

5. d-블록 원소

스칸듐(Sc)부터 아연(Zn)까지의 원소는 부분적으로 채워진 d 오비탈을 가지는 d-블록 원소이다. 이들은 다양한 산화 상태를 가질 수 있고, 착화합물을 형성하는 경향이 있으며, 대부분 전이 금속으로 분류된다. 일반적으로 단단하고, 녹는점과 끓는점이 높으며, 열과 전기를 잘 전달하고, 촉매로 작용하거나 다양한 색깔의 화합물을 만든다.

스칸듐(Sc): 주기율표에서 첫 번째 전이 금속이다. 희토류 원소와 화학적 성질이 유사하여 분리하기 어렵고, 알루미늄 합금에 사용된다.
타이타늄(Ti): 밀도가 낮고 강하며 부식에 강해 비행기, 골프 클럽 등에 사용되는 합금 재료로 유용하다.
바나듐(V): 자연에서 순수한 형태로 발견되지 않고 화합물 형태로 존재하며, 부식에 강하지만 공기 중에서 산화된다. 일부 화합물은 독성이 있다.
크로뮴(Cr): 스테인리스강의 주요 구성 요소로 부식에 매우 강하다. 다양한 색깔의 화합물을 가지고 있어 안료로 사용된다.
망가니즈(Mn): 스테인리스강의 중요한 구성 요소이며, 철과 함께 발견된다. 안료로도 사용되지만, 과다 흡입 시 신경 손상을 일으킬 수 있다.
철(Fe): 강철의 주요 구성 요소로 지구상에서 가장 흔한 4주기 원소이다. 헤모글로빈 등 인체에서도 중요한 역할을 한다.
코발트(Co): 파란색을 띠는 화합물이 많아 안료로 사용된다. 자성 합금 및 고강도 합금의 성분이며, 비타민 B12의 구성 요소이다.
니켈(Ni): 스테인리스강과 초합금의 구성 요소이다. 지구 지각에서는 희귀하지만 지구의 핵에는 풍부하다.
구리(Cu): 붉은색을 띠는 금속으로, 오래전부터 사용되었다. 필수 영양소이지만 과도하면 유독하며, 목재 방부제나 살균제로도 사용된다.
아연(Zn): 황동의 주요 구성 성분이며, 인체에 필수적인 원소이다. 탄소-아연 전지 및 부식 방지 도금에 사용된다.

5. 1. 스칸듐

스칸듐(Sc)은 주기율표의 3족 원소이며, 주기율표에서 첫 번째 전이 금속이다. 스칸듐은 자연계에 비교적 흔하지만, 다른 희토류 원소 화합물과 화학적 성질이 매우 유사하여 분리하기 어렵다. 스칸듐은 상업적 응용 분야가 거의 없으며, 주요 예외는 알루미늄 합금이다.

5. 2. 티타늄

타이타늄(Ti)은 4족에 속하는 원소이다. 타이타늄은 밀도가 가장 낮은 금속 중 하나이자 가장 강하고 부식에 강한 금속 중 하나이다. 따라서 철과 같은 다른 원소와의 합금에서 특히 많은 용도를 가진다. 타이타늄은 강하면서도 가벼워야 하는 비행기, 골프 클럽 및 기타 물체에 일반적으로 사용된다.

5. 3. 바나듐

바나듐(V)은 5족 원소에 속하는 원소이다. 바나듐은 자연 상태에서 순수한 형태로 발견되지 않으며, 화합물 형태로 흔히 발견된다. 바나듐은 티타늄과 유사하게 부식에 매우 강하지만, 티타늄과 달리 실온에서도 공기 중에서 산화된다. 모든 바나듐 화합물은 어느 정도의 독성을 가지며, 일부는 매우 유독하다.

5. 4. 크로뮴

크로뮴 (Cr)은 6족에 속하는 원소이다. 크로뮴은 앞선 티타늄과 바나듐과 마찬가지로 부식에 매우 강하며, 실제로 스테인리스강의 주요 구성 요소 중 하나이다. 크로뮴은 또한 다채로운 화합물을 가지고 있어, 크롬 그린과 같은 안료로 매우 흔하게 사용된다.

5. 5. 망가니즈

망가니즈는 7족에 속하는 원소로, 철과 결합된 상태로 자주 발견된다. 망가니즈는 스테인리스강의 중요한 구성 요소로 철의 부식을 방지하며, 안료에도 자주 사용된다. 망가니즈는 독성이 있어 충분히 흡입하면 돌이킬 수 없는 신경 손상을 일으킬 수 있다.

5. 6. 철

철(Fe)은 8족에 속하는 원소이다. 철은 이 주기에서 가장 흔한 원소이며, 가장 잘 알려진 원소일 것이다. 철은 강철의 주요 구성 요소이다. 철-56은 모든 원소의 동위원소 중에서 가장 낮은 에너지 밀도를 가지며, 이는 초거성 별에서 생성될 수 있는 가장 무거운 원소임을 의미한다. 철은 헤모글로빈을 구성하는 등 인체에서도 몇 가지 용도로 사용된다.

5. 7. 코발트

코발트(Co)는 9족에 속하는 원소이다. 코발트 화합물은 파란색을 띠는 경우가 많아 안료로 주로 사용된다. 코발트는 자성 합금 및 고강도 합금의 핵심 성분이기도 하다. 코발트의 유일한 안정 동위 원소인 코발트-59는 비타민 B12의 중요한 구성 요소이며, 코발트-60은 핵 낙진의 구성 요소로, 다량 존재할 경우 방사능으로 인해 위험할 수 있다.

5. 8. 니켈

니켈(Ni)은 10족에 속하는 원소이다. 니켈은 지구의 지각에서는 희귀하며, 이는 니켈이 공기 중의 산소와 반응하기 때문이다. 지구상의 니켈 대부분은 니켈철 운석에서 기원한다. 하지만 니켈은 지구의 핵에 매우 풍부하며, 철과 함께 핵심적인 두 가지 구성 요소 중 하나이다. 니켈은 스테인리스강과 많은 초합금의 중요한 구성 요소이다.

5. 9. 구리

구리(Cu)는 11족에 속하는 원소이다. 구리는 흰색이나 회색이 아닌 몇 안 되는 금속 중 하나이며, 다른 금속으로는 금, 오스뮴, 세슘 등이 있다. 구리는 수천 년 동안 인간에 의해 많은 물체에 붉은색을 제공하는 데 사용되었으며, 심지어 인간에게 필수적인 영양소이기도 하지만 과도하면 유독하다. 구리는 또한 목재 방부제 또는 살균제로도 흔히 사용된다.

5. 10. 아연

아연 (Zn)은 12족 원소에 속하는 원소이다. 기원전 10세기부터 사용된 황동의 주요 구성 성분 중 하나이다. 아연은 인간에게 매우 중요한 원소이며, 전 세계적으로 약 20억 명이 아연 결핍으로 고통받고 있다. 그러나 아연을 과다 섭취하면 구리 결핍을 유발할 수 있다. 탄소-아연 전지에 사용되며, 부식에 매우 강하기 때문에 많은 도금에 중요한 역할을 한다.

6. p-블록 원소

갈륨(Ga)은 붕소족 원소로, 알루미늄 아래에 위치한 13족 원소이다. 녹는점이 약 303 켈빈으로 실온에 가깝다.

게르마늄(Ge)은 탄소족 14족 원소이다. 규소와 함께 중요한 반도체로, 다이오드와 트랜지스터에 비소와 함께 사용된다.

비소(As)는 질소족 15족 원소이다. 게르마늄과 합금 형태로 반도체에 자주 사용되며, 순수한 형태와 일부 합금은 독성이 강하다.

셀레늄(Se)은 칼코젠 16족 원소이다. 4주기 첫 번째 비금속 원소로, 황과 유사한 성질을 갖는다. 소량은 인체에 필수적이지만, 다량 섭취 시 독성을 나타낸다.

브로민(Br)은 할로젠 17족 원소이다. 실온에서 액체에 가까우며, 약 330K에서 끓는다. 매우 독성이 강하고 부식성이 있다.

크립톤(Kr)은 비활성 기체로, 아르곤 아래, 제논 위에 위치한다. 자신이나 다른 원소와 거의 반응하지 않는다.

6. 1. 갈륨

갈륨(Ga)은 붕소족 원소이며, 알루미늄 아래에 위치한 13족 원소이다. 갈륨은 녹는점이 약 303 켈빈으로, 실온에 가깝다는 점에서 주목할 만하다. 예를 들어, 전형적인 봄날에는 고체 상태이지만, 더운 여름날에는 액체 상태가 된다. 갈륨은 주석과 함께 갈린스탄 합금의 중요한 구성 요소이다. 갈륨은 또한 반도체에서도 발견될 수 있다.

6. 2. 게르마늄

게르마늄(Ge)은 14족 원소인 탄소족에 속한다. 게르마늄은 규소와 같이 중요한 반도체로, 다이오드와 트랜지스터에 비소와 함께 사용된다. 지구에서 비교적 희귀하여 늦게 발견되었다. 게르마늄 화합물은 눈, 피부, 폐에 자극을 줄 수 있다.

6. 3. 비소

비소 (As)는 질소족 원소인 15족 원소에 속한다. 비소는 게르마늄과 합금 형태로 반도체에 자주 사용된다. 순수한 형태의 비소와 일부 합금은 모든 다세포 생물에게 극도로 유독하며, 이 때문에 살충제의 일반적인 성분으로 사용된다. 비소는 독성이 발견되기 전에는 일부 안료에도 사용되었다.

6. 4. 셀레늄

셀레늄(Se)은 16족 칼코젠 원소 중 하나이다. 4주기에서 첫 번째 비금속 원소이며, 황과 유사한 성질을 갖는다. 셀레늄은 자연 상태에서 순수한 형태로 매우 희귀하며, 주로 황철석과 같은 광물에서 발견되지만, 그 양 또한 매우 적다. 소량의 경우 인체에 필수적이지만, 다량 섭취 시 독성을 나타낸다. 단분자 구조에서는 붉은색을 띠지만, 결정 구조에서는 금속성 회색을 띤다.

6. 5. 브로민

브로민 (Br)은 할로젠 17족 원소이다. 자연계에서는 원소 상태로 존재하지 않는다. 브로민은 실온에서 액체에 가까우며, 약 330K에서 끓는다. 브로민은 매우 독성이 강하고 부식성이 있지만, 상대적으로 비활성인 브로민 이온은 할라이트 또는 식염에서 발견될 수 있다. 브로민은 많은 화합물이 자유 브로민 원자를 방출하도록 만들 수 있기 때문에 난연제로 사용된다.

6. 6. 크립톤

크립톤(Kr)은 비활성 기체로, 아르곤 아래, 제논 위에 위치한다. 비활성 기체이므로 크립톤은 자신이나 다른 원소와 거의 반응하지 않는다. 화합물이 발견되기는 했지만 모두 불안정하고 빠르게 분해되며, 이러한 이유로 크립톤은 형광등에 자주 사용된다. 대부분의 비활성 기체와 마찬가지로 크립톤 역시 다양한 스펙트럼선을 가지며, 앞에서 언급한 이유로 조명에 사용된다.

7. 생물학적 역할

4주기 원소는 단백질 기능을 조절하는 데 2차 전달자, 구조적 구성 요소 또는 효소 보조 인자로서 역할을 한다. 칼륨의 기울기는 세포가 막 전위를 유지하는 데 사용되며, 이는 활동 전위를 활성화하고 촉진 확산을 가능하게 한다. 칼슘은 칼모듈린과 같은 단백질의 흔한 신호 분자이며 척추동물의 골격근 수축을 유발하는 데 중요한 역할을 한다. 셀레늄은 비단백질 아미노산인 셀레노시스테인의 구성 요소이다. 셀레노시스테인을 포함하는 단백질은 셀레노단백질로 알려져 있다. 망가니즈 효소는 진핵생물과 원핵생물 모두에서 활용되며, 일부 병원성 박테리아의 독성에 역할을 할 수 있다.^[10] 바나빈은 바나듐 관련 단백질이라고도 하며, 일부 종의 멍게 혈액 세포에서 발견된다. 이 단백질의 역할은 논쟁의 여지가 있지만, 산소 운반체로 기능한다는 추측이 있다. 아연 이온은 많은 DNA 결합 단백질의 아연 핑거 구조적 모티프 미엘리외를 안정시키는 데 사용된다.

4주기 원소는 또한 유기 소분자와 배위 착물을 형성하여 보조 인자를 형성하는 데 사용될 수 있다. 가장 유명한 예는 헴이다. 헴은 철을 함유한 포르피린 화합물로, 미오글로빈과 헤모글로빈의 산소 운반 기능뿐만 아니라 사이토크롬 P450의 촉매 활성을 담당한다.^[11] 헤모시아닌은 말굽게, 타란툴라, 문어를 포함한 특정 무척추 동물의 혈액에서 헤모글로빈을 대체하여 산소 운반체로 사용된다. 비타민 B12는 코발트의 몇 안 되는 생화학적 응용 분야 중 하나를 나타낸다.

참조

_[1] 웹사이트 List of Elements of the Periodic Table – Sorted by Abundance in Earth's crust https://www.science.[...] Science.co.il 2012-08-14
_[2] 논문 Anti-diabetic and toxic effects of vanadium compounds
_[3] 서적 The Elements: A Visual Exploration of Every Known Atom in the Universe https://archive.org/[...] Black Dog & Leventhal Publishers
_[4] 웹사이트 Elements in the Modern Periodic Table, Periodic Classification of Elements http://www.tutorvist[...] Tutorvista.com 2012-08-14
_[5] 웹사이트 The Element Potassium http://education.jla[...] Jefferson Science Associates 2012-08-14
_[6] 웹사이트 Potassium http://www.chemistry[...] Advameg 2012-08-14
_[7] 웹사이트 Potassium - K http://www.lenntech.[...] Lenntech 2012-08-14
_[8] 웹사이트 Reactions of the Group 2 elements with water http://www.chemguide[...] 2021-12
_[9] 간행물 Human Vitamin and Mineral Requirements FAO Information Division Publishing and Multimedia Service 2012-08-14
_[10] 논문 Streptococcus sanguinis class Ib ribonucleotide reductase: high activity with both iron and manganese cofactors and structural insights 2014-02-28
_[11] 논문 Heme Dissociation from Myoglobin in the Presence of the Zwitterionic Detergent N,N-Dimethyl-N-Dodecylglycine Betaine: Effects of Ionic Liquids 2018-12

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