7족 원소
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1. 개요
7족 원소는 주기율표의 7족에 속하는 전이 금속 원소로, 망가니즈(Mn), 테크네튬(Tc), 레늄(Re), 보륨(Bh)을 포함한다. 이들은 물리적 성질에서 원자 번호가 증가함에 따라 녹는점, 끓는점, 밀도가 증가하는 경향을 보이며, 망가니즈를 제외한 모든 원소는 육방 밀집 구조를 갖는다. 화학적으로는 +7의 최대 산화수를 나타낼 수 있으며, 망가니즈를 제외한 다른 원소들은 다양한 산화 상태의 화합물을 형성한다. 망가니즈는 지각에 비교적 풍부하게 존재하며, 강철 제조에 사용되는 페로망가니즈 생산에 중요하며, 테크네튬은 핵의학 영상에 사용되는 방사성 동위원소를, 레늄은 촉매 및 특수 합금에 활용된다. 보륨은 인공적으로 합성된 원소로, 방사능 때문에 실용적인 용도는 제한적이다. 망가니즈는 인체에 필수 미량 영양소로 작용하지만, 다른 원소들은 알려진 생물학적 역할이 없다.
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| 7족 원소 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 족 번호 | 7족 |
| 명명 유래 | 망간족 |
| CAS 족 번호 | VIIB |
| 구 IUPAC 족 번호 | VIIA |
| 구성 원소 | 망간(Mn), 테크네튬(Tc), 레늄(Re), 보륨(Bh) |
| 왼쪽 족 | 6족 원소 |
| 오른쪽 족 | 8족 원소 |
| 원소 정보 | |
 | |
| 망간 | 상태: 고체 종류: 전이 금속 기원: 태초 원자 번호: 25 |
| |
| 테크네튬 | 상태: 고체 종류: 전이 금속 기원: 붕괴 원자 번호: 43 |
 | |
| 레늄 | 상태: 고체 종류: 전이 금속 기원: 태초 원자 번호: 75 |
| 보륨 | 상태: 불명 종류: 전이 금속 기원: 합성 원자 번호: 107 |
2. 물리적 성질
7족 원소는 다른 초기 d-블록 족의 경향을 따르지만, 5주기에서 6주기로 넘어갈 때 채워진 f-껍질이 핵에 추가되면서 경향성이 덜 두드러진다.[1] 망가니즈를 제외한 모든 7족 원소는 육방 밀집 구조(hcp)로 결정화되며, 망가니즈는 체심 입방 구조(bcc)를 갖는다. 보륨 역시 hcp 구조를 가질 것으로 예상된다.[1]
7족 원소들은 d5s2 전자 구조를 갖는다. 아래 표는 망가니즈, 테크네튬, 레늄의 전자 배치, 이온화 에너지, 전자 친화도, 전기 음성도, 이온 반경, 금속 결합 반경, 녹는점, 끓는점, 산화 환원 전위를 나타낸다.
| 망가니즈 25Mn | 테크네튬 43Tc | 레늄 75Re |
|---|---|---|
| [Ar]3d54s2 | [Kr]4d55s2 | [Xe]4f145d46s2 |
| 719.1 | 702 | 749 |
| 1,509.1 | 1,472 | |
| 3,248.4 | 2,850 | |
| 4,940 | ||
| 6,990 | ||
| 9,200 | ||
| 11,508 | ||
| 0.666 | 0.746 | 0.815 |
| 1.60 | 1.46 | |
| 67 (6배위) | 79 (6배위) | |
| 39 (4배위) | 52 (4배위) 67 (6배위) | |
| 112 | 135 | 137 |
| 1,517 | 2,430 | 3,459 |
| 2,235 | 4,538 | 5,869 |
| 1.23 (MO2/Mn2+) | 0.272 (MO2/M) | 0.22 (MO2/M) |
2. 1. 7족 원소의 물리적 성질 (표)
| 이름 | Mn, 망가니즈 | Tc, 테크네튬 | Re, 레늄 | Bh, 보륨 |
|---|---|---|---|---|
| 녹는점 | 1519 K (1246 °C) | 2430 K (2157 °C) | 3459 K (3186 °C) | 알 수 없음 |
| 끓는점 | 2334 K (2061 °C) | 4538 K (4265 °C) | 5903 K (5630 °C) | 알 수 없음 |
| 밀도 | 7.21 g·cm−3 | 11 g·cm−3 | 21.02 g·cm−3 | 26-27 g·cm−3?[2][3] |
| 외관 | 은백색 금속 | 은회색 | 은회색 | 알 수 없음 |
| 원자 반지름 | 127 pm | 136 pm | 137 pm | 128 pm? |
7족 원소는 다른 족과 마찬가지로 전자 배치에서 패턴을 보이며, 특히 가장 바깥 껍질에서 두드러진다. 7족의 모든 원소는 +7의 산화 상태를 나타낼 수 있으며, 족이 내려갈수록 이 상태가 더 안정해진다. 테크네튬은 안정적인 +4 상태를, 레늄은 안정적인 +4 및 +3 상태를 나타낸다. 보륨은 +7 산화 상태 외에도 +4와 같은 낮은 산화 상태를 나타낼 수 있을 것으로 예상된다.[1]
3. 화학적 성질
7족 원소에서 원자가 전자 및 내각 전자의 전자 구조는 d5s2 구조를 갖는다. 망가니즈, 테크네튬, 레늄의 이온화 에너지, 전자 친화도, 전기 음성도, 이온 반경, 금속 결합 반경, 녹는점, 끓는점, 산화 환원 전위는 아래 표와 같다.[2]망가니즈
25Mn테크네튬
43Tc레늄
75Re제1 이온화 에너지
(kJ mol-1)719.1 702 749 제2 이온화 에너지
(kJ mol-1)1,509.1 1,472 제3 이온화 에너지
(kJ mol-1)3,248.4 2,850 전자 친화도
(전자 볼트)0.666 0.746 0.815 전기 음성도
(Allred-Rochow)1.60 1.46 이온 반경
(pm; M4+)67 (6배위) 79 (6배위) 이온 반경
(pm; M7+)39 (4배위) 52 (4배위)
67 (6배위)금속 결합 반경
(pm)112 135 137 녹는점
(K)1,517 2,430 3,459 끓는점
(K)2,235 4,538 5,869 산화 환원 전위 E0 (V) 1.23 (MO2/Mn2+) 0.272
(MO2/M)0.22
(MO2/M)
7족 원소는 착화합물을 포함하면 s 전자 및 d 전자를 모두 제공한 +7에서 -1가의 상태까지 취할 수 있다. 테크네튬과 레늄은 성질이 비슷하지만 망가니즈는 그 성질이 다소 다르다. 테크네튬과 레늄의 단염은 +4, +5, +7 상태를 선호하는 반면, 망가니즈의 단염은 +2, +4, +6, +7 상태를 취한다. Mn(+2)의 자유 에너지는 현저하게 낮아 망가니즈는 Mn(+2) 상태가 가장 안정적이다. 고차 산화 상태의 망가니즈 화합물은 산화제로, 단체 망가니즈는 환원제로 유용하다.[2]
망가니즈는 반응성이 높아 할로젠, 산소, 황, 탄소, 질소 등 많은 비금속과 화합물을 형성한다. 강철에는 망가니즈가 포함되어 제철에서 중요한 첨가 원소이다. 테크네튬과 레늄은 산화물, 황화물, 할로젠화물을 제공한다. 테크네튬의 짧은 반감기 동위 원소는 의료용 방사성 추적자로 이용된다. 레늄은 탈수소촉매, 필라멘트 첨가물, 열전대로 이용된다. 99Tc는 원자로에서 우라늄 핵분열 생성물의 6%를 차지하며, 100MW급 원자로에서 매일 약 2.5g의 테크네튬이 생성된다. 따라서 오늘날에는 안정 핵종인 레늄보다 방사성 핵종인 테크네튬이 더 구하기 쉽다.[2]
3. 1. 전자 배치 (표)
| Z | 원소 | 껍질 당 전자 수 |
|---|---|---|
| 25 | 망가니즈 | 2, 8, 13, 2 |
| 43 | 테크네튬 | 2, 8, 18, 13, 2 |
| 75 | 레늄 | 2, 8, 18, 32, 13, 2 |
| 107 | 보륨 | 2, 8, 18, 32, 32, 13, 2 |
4. 화합물
7족 원소는 다양한 산화 상태를 가지며, 여러 화합물을 형성한다.
족의 모든 구성원들은 쉽게 +7의 족 산화 상태를 나타내며, 족이 내려갈수록 이 상태는 더 안정해진다. 테크네튬은 안정적인 +4 상태를 보이며, 레늄은 안정적인 +4 및 +3 상태를 나타낸다. 보륨 역시 이러한 낮은 상태를 나타낼 수 있다. 높은 +7 산화 상태는 과망가니즈산염, 과테크네튬산염, 과레늄산염과 유사하게, 과보륨산염 BhO4−과 같은 옥시아니온에서 존재할 가능성이 높다. 보륨(VII)은 수용액에서 불안정할 가능성이 높으며, 더 안정적인 보륨(IV)으로 쉽게 환원될 것이다.[11]
7족 원소는 착화합물을 포함하면 s 전자 및 d 전자를 모두 제공한 +7에서 -1가의 상태까지 취할 수 있다. 그러나 테크네튬과 레늄은 성질이 비슷하지만 망가니즈는 그 성질이 다소 다르다. 테크네튬과 레늄의 단염은 +4, +5, +7 상태를 선호하는 반면, 망가니즈의 단염은 +2, +4, +6, +7 상태를 취한다. Mn(+2)의 자유 에너지는 현저하게 낮아 망가니즈는 Mn(+2) 상태가 가장 안정적이다. 실제로 고차 산화 상태의 망가니즈 화합물은 산화제로서 유용하며 단체 망가니즈는 환원제로서 유용하다.
망가니즈는 반응성이 높은 원소로 할로젠, 산소, 황, 탄소, 질소, 및 많은 비금속과 화합물을 형성한다. 또한 철의 합금인 강철에는 모두 망가니즈가 포함되어 있으며, 제철업에서는 중요한 첨가 원소이다. 테크네튬과 레늄은 산화물, 황화물, 할로겐화물을 제공한다.
4. 1. 산화물
테크네튬의 주요 산화물은 테크네튬(IV) 산화물과 테크네튬(VII) 산화물이다. 테크네튬(IV) 산화물은 1949년 암모늄 과테크네튬산염 용액을 수산화 암모늄 하에서 전기 분해하여 처음 생산되었으며, 몰리브덴과 레늄으로부터 테크네튬을 분리하는 데 자주 사용되었다.[14][12][11] 보다 효율적인 제조 방법으로는 아연 금속과 염산, 염화 주석, 히드라진, 히드록실아민, 아스코르브산을 이용한 암모늄 과테크네튬산염의 환원,[12] 헥사클로로테크네튬산 칼륨의 가수분해,[13] 불활성 분위기에서 700°C로 암모늄 과테크네튬산염을 분해하는 방법이 있다.[14][15][16] 테크네튬(IV) 산화물은 450°C에서 산소와 반응하여 테크네튬(VII) 산화물을 생성한다.
테크네튬(VII) 산화물은 450°C-500°C에서 테크네튬을 산화시켜 직접 제조할 수 있다.[17] 이는 루테늄(VIII) 산화물, 오스뮴(VIII) 산화물과 함께 분자 이원 금속 산화물의 드문 예시이다. 중심 대칭 모서리 공유 이중 사면체 구조를 가지며, 말단 및 브릿징 Tc−O 결합 길이는 각각 167pm, 184pm이고, Tc−O−Tc 각도는 180°이다.[18]
7족 원소인 망가니즈, 테크네튬, 레늄은 원자가 전자 및 내각 전자의 전자 구조가 d5s2 구조이다. 레늄은 몰리브덴 광석인 휘수연광(MoS2)에 극히 소량 포함되어 있어, 몰리브덴 정제 과정의 매연이나 특정 구리 광석의 부산물에서 얻어진다.
| 망가니즈 25Mn | 테크네튬 43Tc | 레늄 75Re | |
|---|---|---|---|
| 전자 배치 | |||
| 제1 이온화 에너지 (kJ/mol) | 719.1 | 702 | 749 |
| 제2 이온화 에너지 (kJ/mol) | 1,509.1 | 1,472 | |
| 제3 이온화 에너지 (kJ/mol) | 3,248.4 | 2,850 | |
| 제4 이온화 에너지 (kJ/mol) | 4,940 | ||
| 제5 이온화 에너지 (kJ/mol) | 6,990 | ||
| 제6 이온화 에너지 (kJ/mol) | 9,200 | ||
| 제7 이온화 에너지 (kJ/mol) | 11,508 | ||
| 전자 친화도 (eV) | 0.666 | 0.746 | 0.815 |
| 전기 음성도 (Allred-Rochow) | 1.60 | 1.46 | |
| 이온 반지름 (pm; M4+) | 67 (6배위) | 79 (6배위) | |
| 이온 반지름 (pm; M7+) | 39 (4배위) | 52 (4배위) 67 (6배위) | |
| 금속 결합 반지름 (pm) | 112 | 135 | 137 |
| 녹는점 (K) | 1,517 | 2,430 | 3,459 |
| 끓는점 (K) | 2,235 | 4,538 | 5,869 |
| 산화 환원 전위 E0 (V) | 1.23 (MO2/Mn2+) | 0.272 (MO2/M) | 0.22 (MO2/M) |
7족 원소는 착화합물을 포함하여 +7에서 -1까지의 산화수를 가질 수 있다. 테크네튬과 레늄은 성질이 비슷하지만, 망가니즈는 다소 다른 성질을 보인다. 테크네튬과 레늄의 단염은 +4, +5, +7 산화수를 선호하는 반면, 망가니즈의 단염은 +2, +4, +6, +7 상태를 취한다. 레늄은 실험실에서 탈수소촉매, 필라멘트 첨가물, 열전대 등에 사용된다.
4. 1. 1. 망가니즈
망가니즈는 존재량이 많은 원소(지각의 0.085%)이며, 5종류의 산화물 중 4종이 천연으로 산출된다.[19] 망가니즈는 7족 원소 중에서 테크네튬이나 레늄과는 성질이 다소 다르다. 망가니즈의 단염은 +2, +4, +6, +7 상태를 취하며, Mn(+2)의 자유 에너지가 현저하게 낮아 Mn(+2) 상태가 가장 안정적이다. 고차 산화 상태의 망가니즈 화합물은 산화제로 유용하며, 단체 망가니즈는 환원제로 유용하다.[20]망가니즈는 반응성이 높은 원소로, 할로겐, 산소, 황, 탄소, 질소 등 많은 비금속과 화합물을 형성한다.[21] 또한 철의 합금인 강철에는 모두 망가니즈가 포함되어 있으며, 제철업에서 중요한 첨가 원소이다.[22]
| 망가니즈 25Mn | |
|---|---|
| 전자 배치 | |
| 제1 이온화 에너지 (kJ/mol) | 719.1 |
| 제2 이온화 에너지 (kJ/mol) | 1,509.1 |
| 제3 이온화 에너지 (kJ/mol) | 3,248.4 |
| 제4 이온화 에너지 (kJ/mol) | 4,940 |
| 제5 이온화 에너지 (kJ/mol) | 6,990 |
| 제6 이온화 에너지 (kJ/mol) | 9,200 |
| 제7 이온화 에너지 (kJ/mol) | 11,508 |
| 전자 친화도 (eV) | 0.666 |
| 전기 음성도 (Allred-Rochow) | 1.60 |
| 이온 반지름 (pm; M4+) | 67 (6배위) |
| 이온 반지름 (pm; M7+) | 39 (4배위) |
| 금속 결합 반지름 (pm) | 112 |
| 녹는점 (K) | 1,517 |
| 끓는점 (K) | 2,235 |
| 산화 환원 전위 E0 (V) | 1.23 (MO2/Mn2+) |
4. 1. 2. 테크네튬
테크네튬은 모든 동위 원소가 방사성이며, 천연에서는 우라늄이 자연 핵분열하여 생기는 99Tc(반감기 2.14×105년)가 미량 존재할 뿐이다.[19] 테크네튬은 최초의 인공 원소로서 몰리브덴에 중수소를 조사하여 제조되었다.테크네튬의 반감기가 짧은 동위 원소는 의료용 방사선 감쇠 (주로 추적자)로 이용된다.[19] 99Tc는 원자로에서 우라늄의 핵분열 생성물의 6%를 차지한다. 즉, 100MW급 원자로에서는 매일 약 2.5g의 테크네튬이 생성되고 있다. 따라서 오늘날에는 천연에 존재하는 안정 핵종의 레늄보다 방사성 핵종인 테크네튬 쪽이 입수하기 쉽다.
4. 1. 3. 레늄
레늄의 주요 산화물은 이산화 레늄과 칠산화 레늄이다. 이산화 레늄은 회색에서 검은색의 결정성 고체로, 불균등화 반응을 통해 생성될 수 있다.[19] 고온에서 불균등화 반응을 겪으며, 촉매로 사용될 수 있다. 금홍석 구조를 가지며, 알칼리성 과산화 수소 및 산화산과 반응하여 과레늄산염을 형성한다.[20] 용융 수산화 나트륨에서는 레늄산 나트륨을 형성한다.[21] 반응식은 다음과 같다.: 2NaOH + ReO2 → Na2ReO3 + H2O
칠산화 레늄은 레늄, 레늄의 산화물, 또는 레늄의 황화물을 공기 중에서 500~700℃로 산화시켜 생성할 수 있다.[22] 물에 녹아 과레늄산을 생성하며, Re2O7을 가열하면 짙은 청색을 띠면서 이산화 레늄이 생성된다. 고체 형태의 Re2O7은 교대로 팔면체 및 사면체 Re 중심을 갖는다. 이는 숙주 광석을 로스팅할 때 얻는 휘발성 분획으로, 모든 레늄 화합물의 원료이다.[23]
4. 2. 할로젠화물
7족 원소는 할로젠과 반응하여 다양한 할로젠화물을 형성한다. 망가니즈는 +2, +4, +6, +7의 산화 상태를 가지는 할로젠화물을 형성할 수 있다. 테크네튬과 레늄은 주로 +4, +5, +7의 산화 상태를 가지는 할로젠화물을 형성한다. 특히, 레늄은 [Re2Cl8]2−와 같이 사중 금속-금속 결합을 특징으로 하는 염을 생성하기도 한다.[36]4. 2. 1. 망가니즈
망가니즈는 할로겐, 산소, 황, 탄소, 질소 등 많은 비금속과 반응하여 화합물을 형성하는 반응성이 높은 원소이다. 망가니즈는 +2, +4, +6, +7 등 다양한 산화수를 가질 수 있으며, 특히 Mn(+2) 상태가 가장 안정적이다. 높은 산화 상태의 망가니즈 화합물은 산화제로, 단체 망가니즈는 환원제로 유용하다.4. 2. 2. 테크네튬
테크네튬은 모든 동위 원소가 방사성이며, 천연에서는 우라늄이 자연 핵분열하여 생기는 99Tc(반감기 21만 4천 년)가 미량 존재할 뿐이다.[36] 그리고 테크네튬은 최초의 인공 원소로서 몰리브덴에 중수소를 조사하여 제조되었다.제7족 원소는 착화합물을 포함하면 s 전자 및 d 전자를 모두 제공한 +7에서 -1가의 상태까지 취할 수 있다. 그러나 테크네튬과 레늄은 성질이 비슷하지만 망가니즈는 그 성질이 다소 다르다. 테크네튬과 레늄의 단염은 선호하여 산화수 +4, +5, +7 상태를 취한다. 테크네튬의 반감기가 짧은 동위 원소는 의료용 방사선 감쇠 (주로 추적자)로 이용된다. 99Tc는 원자로에서 우라늄의 핵분열 생성물의 6%를 차지한다.
4. 2. 3. 레늄
가장 흔한 레늄의 염화물은 ReCl6, ReCl5, ReCl4, ReCl3이다.[36] 이러한 화합물의 구조는 종종 광범위한 Re-Re 결합을 특징으로 하는데, 이는 VII보다 낮은 산화 상태에서 이 금속의 특징이다. [Re2Cl8]2−의 염은 사중 금속-금속 결합을 특징으로 한다. 가장 높은 레늄 염화물이 Re(VI)를 특징으로 하지만, 플루오린은 d0 Re(VII) 유도체인 칠플루오르화 레늄을 생성한다. 레늄의 브로민화물과 요오드화물도 잘 알려져 있다.텅스텐과 몰리브덴은 화학적 유사성을 공유하는데, 레늄은 다양한 옥소할로겐화물을 형성한다. 옥시염화물이 가장 흔하며, ReOCl4, ReOCl3 등을 포함한다.
4. 3. 유기 금속 화합물
25Mn43Tc
75Re
(kJ mol-1)
(kJ mol-1)
(kJ mol-1)
(전자 볼트)
(pm)
(K)
(K)
