비활성 기체
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1. 개요
비활성 기체는 매우 낮은 반응성을 보이는 기체 원소로, 18족에 속하며, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 라돈, 오가네손 등이 있다. 1900년 휴고 에르드만이 낮은 반응성을 나타내는 독일어 'Edelgas'에서 유래된 이 명칭은 귀금속과 유사하며, '희귀 기체' 또는 '귀 기체'로도 불린다. 비활성 기체는 표준 상태에서 무색, 무취, 무미하며 불연성이고, 낮은 녹는점과 끓는점을 가지며, 단원자 분자로 존재한다. 이들은 극저온 냉매, 잠수용 호흡 가스, 비행선 부양 가스, 조명, 레이저, 마취제 등 다양한 분야에서 활용된다.
비활성 기체는 약한 원자간 힘을 가지므로 녹는점과 끓는점이 매우 낮다. 표준 조건에서 이들은 모두 단원자 기체이며, 심지어 일반적인 고체 원소보다 원자 질량이 더 큰 화학 원소도 포함한다.[13] 헬륨은 1atm에서 끓는점이 다른 모든 알려진 화학 물질보다 낮고, 초유동성을 보이는 유일한 원소이며, 대기압에서 냉각하여 고체화할 수 없는 유일한 원소라는 독특한 특성을 가진다.[1] 고체 헬륨을 만들기 위해서는 25atm의 압력을 950의 온도에서 가해야 한다.[29] 크세논까지의 비활성 기체는 여러 안정한 동위 원소를 가지고 있다. 라돈은 안정 동위 원소가 없으며, 가장 오래 지속되는 동위원소인 222Rn은 반감기가 3.8일이다.[13] 비활성 기체는 족을 따라 내려갈수록 녹는점과 끓는점이 증가한다.
비활성 기체는 표준 상태에서 무색, 무취, 무미하며 불연성이다.[34] 과거에는 원자가가 0이라고 여겨져 주기율표에서 ''0족''으로 분류되었으나, 일부 비활성 기체들이 화합물을 형성한다는 사실이 발견되면서 이 분류는 더 이상 사용되지 않게 되었다.[13]
2. 역사
1868년 8월 18일 피에르 얀센과 조셉 노먼 록여는 태양의 채층을 관찰하던 중 새로운 원소를 발견하고, 그리스어 ἥλιος|hḗliosgrc에서 따서 헬륨이라고 명명했다.[9] 나중에 헬륨이 비활성 기체임이 밝혀졌지만, 당시에는 화학적 분석이 불가능했다. 1784년, 영국의 화학자이자 물리학자인 헨리 캐번디시는 공기 중에 질소보다 반응성이 훨씬 낮은 물질이 소량 존재한다는 사실을 발견했다.[10]
1세기 후인 1895년, 레이리 경은 공기 중에서 얻은 질소 시료의 밀도가 화학 반응을 통해 얻은 질소의 밀도와 다르다는 것을 발견했다. 레이리 경은 윌리엄 램지와 함께 런던대학교 유니버시티 칼리지에서 실험을 통해 공기에서 추출한 질소에 다른 기체가 섞여 있다고 추측하고, 그리스어 ἀργός|argósgrc ("게으른" 또는 "나태한")에서 따온 새로운 원소 아르곤을 성공적으로 분리했다.[10] 이 발견으로 그들은 주기율표에 전체 기체 계열이 빠져 있음을 깨달았다. 램지는 아르곤을 찾는 과정에서 광물인 클레베이트를 가열하는 동안 최초로 헬륨을 분리하는 데에도 성공했다. 1902년 드미트리 멘델레예프는 헬륨과 아르곤의 존재 증거를 받아들여 주기율표의 0족에 이 비활성 기체들을 포함시켰다.[11]
램지는 분별 증류 방법을 사용하여 액체 공기를 여러 성분으로 분리하는 방법으로 이 기체들을 계속 찾았다. 1898년 그는 크립톤, 네온, 크세논 원소를 발견하고 각각 그리스어 κρυπτός|kryptósgrc ("숨겨진"), νέος|néosgrc ("새로운"), ξένος|ksénosgrc ("낯선 사람")에서 이름을 따왔다. 라돈은 1898년 프리드리히 에른스트 도른에 의해 처음 확인되었고,[12] ''라듐 방출체''라고 명명되었지만, 1904년 다른 비활성 기체와 유사한 특성을 지닌다는 것이 밝혀질 때까지 비활성 기체로 간주되지 않았다.[13] 레이리와 램지는 비활성 기체 발견으로 각각 1904년 노벨 물리학상과 노벨 화학상을 수상했다.[14][15]
비활성 기체의 발견은 원자 구조에 대한 이해를 넓히는 데 기여했다. 1895년 프랑스 화학자 앙리 무아상은 플루오린과 아르곤 사이의 반응을 시도했지만 실패했다. 과학자들은 20세기 말까지 아르곤 화합물을 만들 수 없었지만, 이러한 시도는 새로운 원자 구조 이론 개발에 도움이 되었다. 덴마크 물리학자 닐스 보어는 1913년 원자의 전자가 원자핵 주변의 껍질에 배열되며, 헬륨을 제외한 모든 비활성 기체의 최외각 껍질에는 항상 8개의 전자가 포함되어 있다고 제안했다.[13] 1916년 길버트 N. 루이스는 옥텟 규칙을 공식화하여 최외각 껍질에 8개의 전자를 가진 것이 가장 안정적인 배열이며, 이 때문에 다른 원소와 반응하지 않는다는 결론을 내렸다.[16]
1962년 닐 바틀릿은 최초의 비활성 기체 화합물인 육플루오르화크세논을 발견했다.[17] 이후 다른 비활성 기체 화합물도 발견되었는데, 1962년에는 이플루오르화라돈,[18] 1963년에는 이플루오르화크립톤이 발견되었다.[19] 플루오르화수소아르곤은 2000년에 처음으로 생성되었다.[20]
2006년 10월, 합동 핵 연구소와 로렌스 리버모어 국립 연구소는 캘리포늄과 칼슘을 충돌시켜 18족의 일곱 번째 원소인 오가네손을 합성했다.[21] [22]
2. 1. 비활성 기체 용어의 변천
'비활성 기체'라는 용어는 1900년 휴고 에르드만[5]이 매우 낮은 반응성을 나타내는 것을 가리키기 위해 처음 사용한 독일어 명사 Edelgas|에델가스de에서 유래했다. 이 명칭은 역시 반응성이 낮은 "귀금속"이라는 용어와 유사하다. 비활성 기체는 '불활성 기체'로도 불렸지만, 현재 많은 비활성 기체 화합물이 알려져 있으므로 이 용어는 더 이상 사용되지 않는다.[6] '희유 기체'라는 용어도 사용되었지만,[7] 이 또한 정확하지 않다. 방사성 칼륨-40의 붕괴로 인해 지구 대기에 아르곤이 상당한 비율(부피 기준 0.94%, 질량 기준 1.3%)을 차지하기 때문이다.[8]
18족 원소는 원자 궤도의 최외각 전자껍질 중 비교적 에너지가 낮은 s 궤도와 p 궤도가 닫힌 껍질을 이루고 있기 때문에 화학적으로 비활성이며, 종종 단원자 분자로 존재한다.[132] 과거 18족 원소에는 화합물이 알려져 있지 않았기 때문에, 화학 반응을 일으키지 않는다는 의미에서 '''비활성 기체'''(inert gas)로 불렸다. 그러나 화학적 비활성의 정도는 주기율표 1주기 원소인 헬륨을 시작으로 주기가 진행될수록 약해진다.
'''희유 기체'''(rare gas)라는 명칭은 "희귀한"이라는 의미에서 유래한다. 이 또한 과거 화학적 분리 및 추출이 어려웠던 시대의 명칭의 잔재이다. 칼륨-40의 붕괴에 의해 아르곤이 지구 대기에 비교적 많이 포함되어 있다. 따라서 이 명칭은 정확하지 않다. '''귀 기체'''(noble gas)라는 명칭은 귀금속(noble metal)에 대응하여 반응성이 낮다는 것에서 유래하며, 1898년 휴고 에르트만이 독일어로 Edelgas라고 명명한 것을 번역한 것이다.[134] 일본화학회는 2015년 3월 17일, 해외 고등학교 교과서가 예외 없이 사용하고 있는 "noble gas"에 맞춰 "귀 기체" 표기로 변경할 것을 제안하고 있다.[135]
2. 2. 비활성 기체의 발견
피에르 얀센과 조셉 노먼 록여는 1868년 8월 18일 태양의 채층을 관찰하던 중 새로운 원소를 발견하고, 그리스어 ἥλιος|hḗliosgrc에서 따서 헬륨이라고 명명했다.[9] 나중에 헬륨이 비활성 기체임이 밝혀졌지만, 당시에는 화학적 분석이 불가능했다. 1784년, 영국의 화학자이자 물리학자인 헨리 캐번디시는 공기 중에 질소보다 반응성이 훨씬 낮은 물질이 소량 존재한다는 사실을 발견했다.[10]
1세기 후인 1895년, 레이리 경은 공기 중에서 얻은 질소 시료의 밀도가 화학 반응을 통해 얻은 질소의 밀도와 다르다는 것을 발견했다. 레이리 경은 윌리엄 램지와 함께 런던대학교 유니버시티 칼리지에서 실험을 통해 공기에서 추출한 질소에 다른 기체가 섞여 있다고 추측하고, 그리스어 ἀργός|argósgrc ("게으른" 또는 "나태한")에서 따온 새로운 원소 아르곤을 성공적으로 분리했다.[10] 이 발견으로 그들은 주기율표에 전체 기체 계열이 빠져 있음을 깨달았다. 램지는 아르곤을 찾는 과정에서 광물인 클레베이트를 가열하는 동안 최초로 헬륨을 분리하는 데에도 성공했다. 1902년 드미트리 멘델레예프는 헬륨과 아르곤의 존재 증거를 받아들여 주기율표의 0족에 이 비활성 기체들을 포함시켰다.[11]
램지는 분별 증류 방법을 사용하여 액체 공기를 여러 성분으로 분리하는 방법으로 이 기체들을 계속 찾았다. 1898년 그는 크립톤, 네온, 크세논 원소를 발견하고 각각 그리스어 κρυπτός|kryptósgrc ("숨겨진"), νέος|néosgrc ("새로운"), ξένος|ksénosgrc ("낯선 사람")에서 이름을 따왔다. 라돈은 1898년 프리드리히 에른스트 도른에 의해 처음 확인되었고,[12] ''라듐 방출체''라고 명명되었지만, 1904년 다른 비활성 기체와 유사한 특성을 지닌다는 것이 밝혀질 때까지 비활성 기체로 간주되지 않았다.[13] 레이리와 램지는 비활성 기체 발견으로 각각 1904년 노벨 물리학상과 노벨 화학상을 수상했다.[14][15] 당시 스웨덴 왕립 과학 아카데미 회장이었던 J. E. 세더블롬은 "단 하나의 대표 원소도 확실하게 알려지지 않았던 완전히 새로운 원소 그룹의 발견은 화학 역사상 전적으로 독특한 것으로, 본질적으로 과학의 특별한 의미를 지닌 발전이다."라고 했다.[15]
2. 3. 비활성 기체 연구의 발전
피에르 얀센과 조셉 노먼 록여는 1868년 8월 18일 태양의 채층을 관찰하던 중 새로운 원소를 발견하고, 태양을 뜻하는 그리스어 ἥλιος|hḗliosgrc에서 따서 헬륨이라고 명명했다.[9] 당시에는 화학적 분석이 불가능했지만, 나중에 헬륨이 비활성 기체임이 밝혀졌다. 그 이전인 1784년, 영국의 화학자이자 물리학자인 헨리 캐번디시는 공기 중에 질소보다 반응성이 훨씬 낮은 물질이 소량 존재한다는 사실을 발견했다.[10] 1세기 후인 1895년, 레이리 경은 공기 중에서 얻은 질소 시료의 밀도가 화학 반응을 통해 얻은 질소의 밀도와 다르다는 것을 발견했다. 레이리 경은 스코틀랜드 과학자 윌리엄 램지와 함께 런던대학교 유니버시티 칼리지에서 공기에서 추출한 질소에 다른 기체가 섞여 있다고 추측하고, 실험을 통해 그리스어 ἀργός|argósgrc ("게으른" 또는 "나태한")에서 따온 새로운 원소 아르곤을 성공적으로 분리했다.[10] 이 발견을 통해 그들은 주기율표에 전체 기체 계열이 빠져 있음을 깨달았다. 램지는 아르곤을 찾는 과정에서 광물인 클레베이트를 가열하는 동안 최초로 헬륨을 분리하는 데에도 성공했다. 1902년 드미트리 멘델레예프는 헬륨과 아르곤의 존재 증거를 받아들여 주기율표의 0족에 이 비활성 기체들을 포함시켰다.[11]
램지는 분별 증류 방법을 사용하여 액체 공기를 여러 성분으로 분리하는 방법으로 이 기체들을 계속 찾았다. 1898년 그는 크립톤, 네온, 크세논 원소를 발견하고 각각 그리스어 κρυπτός|kryptósgrc ("숨겨진"), νέος|néosgrc ("새로운"), ξένος|ksénosgrc ("낯선 사람")에서 이름을 따왔다. 라돈은 1898년 프리드리히 에른스트 도른에 의해 처음 확인되었고,[12] ''라듐 방출체''라고 명명되었지만, 1904년 다른 비활성 기체와 유사한 특성을 지닌다는 것이 밝혀질 때까지 비활성 기체로 간주되지 않았다.[13] 레이리와 램지는 비활성 기체 발견으로 각각 1904년 노벨 물리학상과 화학상을 수상했다.[14][15]
비활성 기체의 발견은 원자 구조에 대한 일반적인 이해 발전에 기여했다. 1895년 프랑스 화학자 앙리 무아상은 가장 전기 음성도가 높은 원소인 플루오린과 비활성 기체 중 하나인 아르곤 사이의 반응을 시도했지만 실패했다. 과학자들은 20세기 말까지 아르곤의 화합물을 생성할 수 없었지만, 이러한 시도는 새로운 원자 구조 이론을 개발하는 데 도움이 되었다. 덴마크 물리학자 닐스 보어는 이러한 실험에서 얻은 교훈을 바탕으로 1913년 원자의 전자는 원자핵 주변의 껍질에 배열되며, 헬륨을 제외한 모든 비활성 기체의 최외각 껍질에는 항상 8개의 전자가 포함되어 있다고 제안했다.[13] 1916년 길버트 N. 루이스는 최외각 껍질에 8개의 전자를 가진 것이 모든 원자에 대해 가장 안정적인 배열이라는 결론을 내린 ''옥텟 규칙''을 공식화했다. 이 배열은 최외각 껍질을 채우는 데 더 이상 전자가 필요하지 않기 때문에 다른 원소와 반응하지 않게 했다.[16]
1962년 닐 바틀릿은 최초의 비활성 기체 화합물인 육플루오르화크세논을 발견했다.[17] 다른 비활성 기체의 화합물도 곧 발견되었다. 1962년 라돈의 경우 방사성 추적자 기술로 확인된 이플루오르화라돈 ,[18] 1963년 크립톤의 경우 이플루오르화크립톤 이다.[19] 아르곤의 첫 번째 안정한 화합물은 2000년 40,000의 온도에서 플루오르화수소아르곤(HArF)이 생성될 때 보고되었다.[20]
2006년 10월, 합동 핵 연구소와 로렌스 리버모어 국립 연구소의 과학자들은 캘리포늄에 칼슘을 충돌시켜 18족의 일곱 번째 원소인 오가네손을 합성으로 성공적으로 생성했다.[21] [22]
3. 물리적 및 원자적 성질
비활성 기체 원자의 원자 반지름은 전자 수가 증가함에 따라 주기마다 꾸준히 증가한다. 원자의 크기는 여러 성질과 관련이 있는데, 예를 들어 이온화 전위는 반지름이 증가함에 따라 감소한다. 비활성 기체는 각 주기의 원소 중에서 가장 큰 이온화 전위를 가지는데, 이는 전자 배열의 안정성을 반영한다.[32] 하지만 일부 무거운 비활성 기체는 다른 원소와 분자의 이온화 전위와 비슷할 정도로 작은 이온화 전위를 갖기도 한다. 비활성 기체는 안정한 음이온을 형성하기 위해 전자를 받아들일 수 없으므로 음의 전자 친화도를 가진다.[31]
거시적 물리적 성질은 원자 사이의 약한 반데르발스 힘에 의해 결정된다. 극성의 증가와 이온화 전위의 감소로 인해 인력은 원자의 크기에 따라 증가한다. 이는 체계적인 족 경향을 초래하는데, 18족을 따라 내려갈수록 원자 반지름이 증가하고, 이에 따라 원자간 힘이 증가하여 녹는점, 끓는점, 증발열 및 용해도가 증가한다. 밀도의 증가는 원자 질량의 증가 때문이다.[32]
비활성 기체는 표준 조건에서 거의 이상 기체처럼 행동하지만, 이상 기체 법칙에서 벗어나는 것은 분자간 상호 작용 연구에 중요한 단서를 제공했다. 분자간 상호 작용을 모델링하는 데 자주 사용되는 레너드-존스 포텐셜은 1924년 존 레너드-존스가 아르곤에 대한 실험 데이터에서 유도하였다.[33]성질[13][32] 헬륨 네온 아르곤 크립톤 크세논 라돈 오가네손 밀도 (g/dm3) 0.1786 0.9002 1.7818 3.708 5.851 9.97 7200 (예측값)[23] 끓는점 (K) 4.4 27.3 87.4 121.5 166.6 211.5 450±10 (예측값)[23] 녹는점 (K) –[24] 24.7 83.6 115.8 161.7 202.2 325±15 (예측값)[23] 증발열 (kJ/mol) 0.08 1.74 6.52 9.05 12.65 18.1 – 용해도 (20 °C, 물 1kg 당 cm3) 8.61 10.5 33.6 59.4 108.1 230 – 원자 번호 2 10 18 36 54 86 118 원자 반지름 (계산값) (pm) 31 38 71 88 108 120 – 이온화 에너지 (kJ/mol) 2372 2080 1520 1351 1170 1037 839 (예측값)[25] 전기음성도[26] 4.16 4.79 3.24 2.97 2.58 2.60 2.59[27]
4. 화학적 성질
18족 원소는 원자 궤도의 최외각 전자껍질 중 비교적 에너지가 낮은 s 궤도와 p 궤도가 닫힌 껍질을 이루고 있기 때문에 화학적으로 비활성이며, 종종 단원자 분자로 존재한다.[132] He, Ne를 제외한 비활성 기체 원소의 경우 최외각에는 빈 궤도가 존재한다. 과거 18족 원소에는 화합물이 알려져 있지 않았기 때문에, 화학 반응을 일으키지 않는다는 의미에서 '''비활성 기체'''로 불렸다. 그러나 현재는 다른 18족 원소에서도 화합물이 발견되어 완전히 비활성이라고는 할 수 없다.
'''희유 기체'''는 "희귀한"이라는 의미에서 유래하며, 과거 화학적 분리 및 추출이 어려웠던 시대의 명칭의 잔재이다. '''귀 기체'''(noble gas)라는 명칭은 귀금속(noble metal)에 대응하여 반응성이 낮다는 것에서 유래하며, 1898년 휴고 에르트만이 독일어로 Edelgas라고 명명한 것을 번역한 것이다.[134] 일본 고등학교 화학 교과서에서는 모든 출판사가 "희유 기체"로 표기(일부에서 "귀 기체"를 병기)하고 있지만, 영어에서는 IUPAC(국제순수·응용화학연합)의 2005년 권고를 받아들여 noble gas로 표기하고 있다. 이에 대해 일본화학회는 2015년 3월 17일, 앞으로는 해외 고등학교 교과서가 예외 없이 사용하고 있는 "noble gas"에 맞춰 "귀 기체" 표기로 변경할 것을 제안하고 있다.[135]
헬륨을 제외하고, 상압 및 빙점 이하에서 약한 반데르발스 결합에 의한 결정(단원자 분자에 의한 분자성 결정)을 형성한다.
4. 1. 전자 배열
다른 족과 마찬가지로, 이 족의 원소들은 특히 최외각 전자껍질에서 화학적 성질의 경향성을 보이는 전자 배열 패턴을 보인다.
| Z | 원소 | 전자 수/전자껍질 |
|---|---|---|
| 2 | 헬륨 | 2 |
| 10 | 네온 | 2, 8 |
| 18 | 아르곤 | 2, 8, 8 |
| 36 | 크립톤 | 2, 8, 18, 8 |
| 54 | 크세논 | 2, 8, 18, 18, 8 |
| 86 | 라돈 | 2, 8, 18, 32, 18, 8 |
| 118 | 오가네손 | 2, 8, 18, 32, 32, 18, 8 (예측) |
비활성 기체는 가전자 전자껍질이 완전히 채워져 있다. 가전자는 원자의 최외각 전자이며 일반적으로 화학 결합에 참여하는 유일한 전자이다. 가전자 껍질이 완전히 채워진 원자는 매우 안정적이므로 화학 결합을 형성하는 경향이 거의 없고 전자를 얻거나 잃는 경향이 거의 없다.[35] 그러나 라돈과 같은 무거운 비활성 기체는 헬륨과 같은 가벼운 비활성 기체보다 전자기력에 의해 더 약하게 결합되어 있어 무거운 비활성 기체에서 외각 전자를 제거하기가 더 쉽다.
완전히 채워진 껍질의 결과로, 비활성 기체는 전자 배열 표기와 함께 사용하여 ''비활성 기체 표기법''을 형성할 수 있다. 이렇게 하려면 문제의 원소 앞에 가장 가까운 비활성 기체를 먼저 쓰고, 그 지점부터 전자 배열을 계속한다. 예를 들어, 인의 전자 표기는 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3이고, 비활성 기체 표기는 [Ne] 3s2 3p3이다. 이보다 간결한 표기법은 원소를 더 쉽게 식별할 수 있게 해주며, 원자 궤도의 전체 표기를 쓰는 것보다 더 짧다.[36]
비활성 기체는 블록의 경계를 넘는다. 헬륨은 s-원소인 반면 나머지 원소들은 p-원소이다. 이것은 IUPAC 족 중에서 특이한 현상이다. 다른 모든 IUPAC 족은 각각 하나의 블록에서 온 원소들을 포함한다. 이것은 주기율표 전체의 경향성에 일부 불일치를 야기하며, 그러한 이유로 일부 화학자들은 헬륨을 다른 s2 원소들과 함께 2족으로 옮겨야 한다고 제안했지만,[37][38][39] 이러한 변화는 일반적으로 채택되지 않았다.
4. 2. 화합물
비활성 기체는 매우 낮은 화학 반응성을 보이지만, 일부 화합물을 형성한다. 헬륨과 네온은 중성 화합물을 생성하지 않는 것으로 알려져 있다. (헬륨을 포함하는 이온은 존재하며, 중성 헬륨 화합물에 대한 이론적 증거도 존재한다.) 크세논, 크립톤, 아르곤은 제한적인 반응성만을 보인다.[40] 반응성은 Ne < He < Ar < Kr < Xe < Rn ≪ Og 순서를 따른다.라이너스 폴링은 1933년에 무거운 비활성 기체가 플루오린 및 산소와 화합물을 형성할 수 있다고 예측했다. 그는 육불화크립톤(KrF6)과 육불화크세논(XeF6)의 존재를 예측했고, 팔불화크세논(XeF8)이 불안정한 화합물로 존재할 수 있으며, 크센산이 과크세네이트 염을 형성할 수 있다고 추측했다.[41][42] XeF8은 현재 열역학적으로나 운동학적으로 불안정하다고 여겨진다.[43]
크세논 화합물은 생성된 비활성 기체 화합물 중 가장 많은 수를 차지한다.[44] 대부분의 크세논 화합물은 +2, +4, +6 또는 +8의 산화 상태를 가지며, 전기음성도가 높은 플루오린이나 산소 원자와 결합한다. 예를 들어 이플루오르화크세논(XeF2), 사플루오르화크세논(XeF4), 육플루오르화크세논(XeF6), 사산화크세논(XeO4), 과크세네이트나트륨(Na4XeO6) 등이 있다. 크세논은 플루오린과 반응하여 여러 플루오르화크세논을 형성한다.[45]
::Xe + F2 → XeF2
::Xe + 2F2 → XeF4
::Xe + 3F2 → XeF6
XeF2는 불소화제로 사용될 수 있다.[45] 2007년 현재, 탄소와 결합된 유기크세논 화합물을 포함하여 질소, 염소, 금, 수은, 붕소, 수소 등과 결합된 약 500가지 크세논 화합물이 확인되었다.[40][46]
라돈은 크세논보다 반응성이 높지만, 높은 방사능과 짧은 반감기 때문에 실제로 생성된 플루오르화물과 산화물은 몇 가지에 불과하다.[47] 라돈은 크세논보다 금속성이 강하며, 이플루오르화라돈(RnF2)은 매우 이온성이 강하다.[48][49][50]
크립톤은 크세논보다 반응성이 낮지만, +2 산화 상태의 이플루오르화크립톤(KrF2)을 포함한 여러 화합물이 보고되었다.[40] 극한 조건에서 크립톤은 플루오린과 반응하여 KrF2를 형성한다.
::Kr + F2 → KrF2
크립톤이 질소와 산소에 단일 결합을 형성하는 화합물도 있지만, 각각 -60°C 및 -90°C 이하에서만 안정하다.[51][40]
플루오르화수소아르곤(HArF)과 같은 아르곤 화합물은 2000년에 보고되었다.[40] 2007년 현재, 공유 결합으로 결합된 헬륨이나 네온을 포함하는 안정한 중성 분자는 알려져 있지 않다.[40]
오가네손은 비활성 기체 중 가장 반응성이 높을 것으로 예상되지만, '비활성 기체'라는 명칭이 적합한지에 대한 의문이 제기되었다.[52] 오가네손은 규소 또는 주석과 비슷할 것으로 예상되며,[53] 상온 및 상압에서 고체 반도체일 것이다.[23][56]
비활성 기체는 기체 상에서 안정적인 분자 이온을 형성할 수 있다. 가장 간단한 예는 헬륨 수소화물 이온(HeH+)이다.[59]
비활성 기체는 공유 결합 화합물 외에도 비공유 결합 화합물을 형성한다. 포접화합물은 특정 유기 및 무기 물질의 결정 격자 공극에 포획된 비활성 기체 원자로 구성된다.[60] 예를 들어 아르곤, 크립톤, 크세논은 히드로퀴논과 포접화합물을 형성하지만, 헬륨과 네온은 너무 작거나 분극성이 낮아 포접화합물을 형성하지 않는다.[61] 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논은 비활성 기체가 얼음 속에 포획된 포접수화물도 형성한다.[62]
비활성 기체는 내포 풀러렌 화합물을 형성할 수 있으며, 여기서 비활성 기체 원자는 풀러렌 분자 내부에 포획된다.[63]
5. 존재 및 생산
비활성 기체는 약한 원자간 힘을 가지고 있어 매우 낮은 녹는점과 끓는점을 가진다. 표준 조건에서 모든 비활성 기체는 단원자 기체이며, 여기에는 많은 일반적인 고체 원소보다 더 큰 원자 질량을 가진 화학 원소도 포함된다.[13] 헬륨은 1기압에서 끓는점이 다른 모든 알려진 화학 물질보다 낮고, 초유동성을 보이는 유일한 원소이며, 대기압에서 냉각하여 고체화할 수 없는 유일한 원소라는 독특한 특성을 가지고 있다.[1] 헬륨을 고체로 만들려면 25atm의 압력을 950의 온도에서 가해야 한다.[29] 크세논까지의 비활성 기체는 여러 안정한 동위 원소를 가지고 있다. 크립톤과 크세논은 또한 자연적으로 발생하는 방사성 동위 원소를 가지고 있는데, 78Kr, 124Xe, 그리고 136Xe가 있으며, 이들은 모두 매우 긴 수명(> 1021 년)을 가지고 있으며 이중 전자 포획 또는 이중 베타 붕괴를 거칠 수 있다. 라돈과 오가네손은 안정 동위 원소가 없다. 라돈의 가장 오래 지속되는 동위원소인 222Rn은 반감기가 3.8일이며, 헬륨과 폴로늄을 형성하는 붕괴를 일으키고, 궁극적으로 납으로 붕괴된다.[13] 오가네손의 유일한 동위 원소인 294Og는 반감기가 0.7ms로 매우 짧다. 족을 따라 내려갈수록 녹는점과 끓는점이 증가한다.
대부분의 족의 원자들처럼 비활성 기체 원자의 원자 반지름은 증가하는 전자의 수 때문에 주기마다 꾸준히 증가한다. 원자의 크기는 여러 성질과 관련이 있다. 예를 들어, 더 큰 비활성 기체의 최외각 전자는 핵에서 더 멀리 떨어져 있기 때문에 원자에 의해 강하게 결합되어 있지 않으므로 이온화 전위는 반지름이 증가함에 따라 감소한다. 비활성 기체는 각 주기의 원소 중에서 가장 큰 이온화 전위를 가지는데, 이는 전자 배열의 안정성을 반영하며 상대적으로 부족한 반응성과 관련이 있다.[32] 하지만 일부 무거운 비활성 기체는 다른 원소와 분자의 이온화 전위와 비슷할 정도로 작은 이온화 전위를 갖는다. 닐 바틀렛은 크세논의 이온화 전위가 산소 분자와 유사하다는 점에 착안하여 육불화백금을 사용해 크세논을 산화시키려는 시도를 했다.[17] 비활성 기체는 안정한 음이온을 형성하기 위해 전자를 받아들일 수 없다. 즉, 음의 전자 친화도를 가집니다.[31]
거시적 물리적 성질은 원자 사이의 약한 반데르발스 힘에 의해 지배된다. 극성의 증가와 이온화 전위의 감소로 인해 인력은 원자의 크기에 따라 증가한다. 이는 체계적인 족 경향을 초래한다. 18족을 따라 내려갈수록 원자 반지름이 증가하고, 이에 따라 원자간 힘이 증가하여 녹는점, 끓는점, 증발열 및 용해도가 증가한다. 밀도의 증가는 원자 질량의 증가 때문이다.[32]
비활성 기체는 표준 조건에서 거의 이상 기체이지만, 이상 기체 법칙에서의 편차는 분자간 상호 작용 연구에 중요한 단서를 제공했다. 분자간 상호 작용을 모델링하는 데 자주 사용되는 레너드-존스 포텐셜은 1924년 존 레너드-존스가 아르곤에 대한 실험 데이터에서 유도되었다.[33]
5. 1. 우주와 지구에서의 존재비
우주에서 비활성 기체의 존재량은 원자 번호가 증가함에 따라 감소한다. 헬륨은 수소 다음으로 우주에서 가장 흔한 원소이며, 질량 분율은 약 24%이다. 우주에 존재하는 헬륨의 대부분은 빅뱅 핵합성 과정에서 생성되었지만, 항성 핵합성에서 수소의 융합(그리고 매우 미미한 정도로 무거운 원소의 알파 붕괴)으로 인해 헬륨의 양은 꾸준히 증가하고 있다.[69][70]지구에서의 비활성 기체 존재량은 우주와는 다른 경향을 보인다. 예를 들어, 헬륨은 지구 대기 중에서 세 번째로 풍부한 비활성 기체일 뿐이다. 그 이유는 대기 중에 원시 헬륨이 없기 때문이다. 원자의 질량이 작기 때문에 헬륨은 지구의 중력장에 의해 유지될 수 없다.[71] 지구상의 헬륨은 지각에서 발견되는 우라늄과 토륨과 같은 무거운 원소의 알파 붕괴에서 생성되며, 천연가스전에 축적되는 경향이 있다.[71]
반면 아르곤의 존재량은 지구 지각에서 발견되는 칼륨-40의 베타 붕괴 결과로 증가하여 아르곤-40을 형성하는데, 이는 태양계에서는 비교적 드물지만 지구상에서 가장 풍부한 아르곤 동위원소이다. 이 과정은 칼륨-아르곤 연대 측정 방법의 기초가 된다.[72]
크세논은 대기 중에서 예상보다 낮은 존재량을 보이는데, 이는 "잃어버린 크세논 문제"로 불린다. 한 가지 이론은 잃어버린 크세논이 지구 지각 내부의 광물에 갇혀 있을 수 있다는 것이다.[73] 이산화크세논 발견 후 연구에 따르면 크세논은 석영에서 규소를 대체할 수 있다.[74]
라돈은 암석권에서 라듐의 알파 붕괴에 의해 생성된다. 라돈은 건물의 기초에 있는 균열을 통해 스며들어 환기가 잘 되지 않는 곳에 축적될 수 있다. 높은 방사능 때문에 라돈은 상당한 건강상의 위험을 초래한다. 미국에서만 연간 약 2만 1천 건의 폐암 사망 사례에 연루되어 있다.[75] 오가네손은 자연적으로 발생하지 않으며, 과학자들이 인공적으로 합성한다.
| 존재량 | 헬륨 | 네온 | 아르곤 | 크립톤 | 크세논 | 라돈 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 태양계 (규소 원자 1개당)[76] | 2343 | 2.148 | 0.1025 | 5.515 × 10−5 | 5.391 × 10−6 | – |
| 지구 대기 (ppm 부피 분율)[77] | 5.20 | 18.20 | 9340.00 | 1.10 | 0.09 | (0.06–18) × 10−19[91] |
| 화성암 (ppm 질량 분율)[32] | 3 × 10−3 | 7 × 10−5 | 4 × 10−2 | – | – | 1.7 × 10−10 |
5. 2. 생산 방법
헬륨은 최대 7%의 헬륨을 함유할 수 있는 천연가스로부터 분별 증류를 통해 추출된다.[79]네온, 아르곤, 크립톤, 크세논은 원소를 액체 상태로 전환하는 기체의 액화 및 혼합물을 구성 요소로 분리하는 분별 증류 방법을 사용하여 공기에서 얻는다. 헬륨은 일반적으로 천연가스로부터 분리하여 생산되며, 라돈은 라듐 화합물의 방사성 붕괴로부터 분리된다.[13] 비활성 기체의 가격은 자연적 존재량의 영향을 받으며, 아르곤이 가장 저렴하고 크세논이 가장 비싸다. 2004년 각 기체의 실험실 규모의 미국 가격은 다음과 같다.
| 기체 | 2004년 가격 (USD/m3)[78] |
|---|---|
| 헬륨 (산업용) | 4.2달러–4.9달러 |
| 헬륨 (실험용) | 22.3달러–44.9달러 |
| 아르곤 | 2.7달러–8.5달러 |
| 네온 | 60USD–120USD |
| 크립톤 | 400USD–500USD |
| 크세논 | 4000USD–5000USD |
6. 생물학적 중요성
7. 응용
비활성 기체는 매우 낮은 끓는점과 녹는점을 가지므로 극저온공학 냉매로 유용하며,[81] 낮은 용해도 특성 때문에 스쿠버 다이빙과 관련된 호흡 가스에도 사용된다.[83] 1937년 힌덴부르크호 참사 이후에는 비행선과 풍선에 수소 대신 부양 가스로 헬륨이 사용되고 있다.[88]
비활성 기체는 불활성 분위기를 제공하여 다양한 과학 실험 및 산업 공정에도 활용된다. 예를 들어, 아르곤은 질소에 민감한 화합물 합성에 사용되고, 헬륨은 가스크로마토그래피의 운반 기체로 사용된다.[90][78] 헬륨과 아르곤은 용접 시 용접 부위를 보호하는 데에도 사용된다.[91]
화학적 반응성이 낮은 특성 덕분에 비활성 기체는 조명에도 널리 사용된다.[91] 백열전구에는 아르곤이, 고성능 전구에는 크립톤이 사용된다.[91] 가스 방전 램프는 비활성 기체 특유의 색을 내는 특징이 있어, 흔히 '네온등'으로 불리지만 네온 외에 다른 비활성 기체나 형광체를 포함하는 경우도 많다.[91] 크세논 아크 램프는 연속 스펙트럼에 가까운 빛을 내 영화 프로젝터나 자동차 헤드램프에 사용된다.[91]
비활성 기체는 엑시머 레이저의 재료로도 사용되며, 자외선을 발생시켜 정밀 이미징을 가능하게 한다.[92] 의학 분야에서는 헬륨이 호흡 곤란 완화에,[91] 크세논이 마취제로 사용된다.[93] 라돈은 방사선 치료에 사용된다.[13] 크세논은 불활성 특성으로 인해 이온 엔진의 연료로도 사용된다.
지구 대기에 비교적 많이 포함된 아르곤은, 18족 원소 중에서는 비교적 저렴하기 때문에, 반응성이 낮다는 점을 이용하여 식품 등의 산화를 방지하기 위해 식품과 함께 밀봉 용기에 넣는 경우가 있다.
극미량의 비활성 기체 분자라도 고감도로 검출할 수 있는 전용 질량 분석기를 이용하여, 지구 내부[140] 및 지구 외 암석의 기원과 다양한 과정의 정보를 분석할 수 있다[141]. 예를 들어, 소행성 탐사선 하야부사가 가져온 소행성이토카와의 샘플 분석에 사용되었다[142].
진공관에 비활성 기체를 채우고 방전시키면 기체 종류에 따라 다양한 색의 빛을 발한다. 이 성질은 네온관(네온사인)이나 소독램프 등에 이용된다.
 |  |  |  |  |
| -- | -- | -- | -- | -- |
 |  |  |  |  |
| -- | -- | -- | -- | -- |
| 헬륨(Helium) | 네온(Neon) | 아르곤(Argon) （"Ar" 문자는 수은 혼합） | 크립톤(Krypton) | 제논(Xenon) |
기체 방전에 의한 발광 색은 여러 요인에 따라 달라진다.[144]
7. 1. 극저온
액체 헬륨은 4,200에서 끓으며, 자기공명영상과 핵자기공명에 필요한 초전도 자석을 냉각하는 데 사용된다.[82] 액체 네온은 액체 헬륨만큼 온도가 낮지는 않지만, 액체 헬륨보다 40배 이상, 액체 수소보다 3배 이상의 냉각 용량을 가지고 있어 극저온 냉매로 활용된다.[91]7. 2. 잠수
헬륨은 용해도가 낮고, 특히 지질에서의 용해도가 낮기 때문에 질소를 대체하는 호흡 가스의 구성 요소로 사용된다. 스쿠버 다이빙과 같이 압력을 받으면 가스가 혈액과 체조직에 흡수되어 질소 마취로 알려진 마취 효과를 유발한다.[83] 세포막에 거의 흡수되지 않는 헬륨은 트리믹스 또는 헬리옥스와 같이 호흡 혼합물의 일부를 대체하여 가스의 마취 효과를 감소시킨다.[84] 헬륨의 감소된 용해도는 감압병 (잠수병)에도 이점을 제공한다.[13][85] 체내에 용해된 가스의 양이 줄어들면 상승 시 압력 감소 동안 가스 기포가 덜 형성되기 때문이다. 또 다른 비활성 기체인 아르곤은 스쿠버 다이빙용 드라이슈트 팽창 가스로 사용하기에 가장 적합한 옵션으로 간주된다.[86]7. 3. 항공
1937년 힌덴부르크호 참사 이후,[88] 헬륨은 비행선과 풍선에서 수소를 대체하는 부양 가스로 사용되어 왔다. 헬륨은 수소에 비해 부력이 8.6%[89] 감소했지만, 가연성이 아니기 때문이다.[13]7. 4. 과학 및 기타 용도
아르곤은 질소에 민감한 공기 민감성 화합물 합성에 사용된다. 고체 아르곤은 매우 불안정한 화합물을 연구하는 데에도 사용된다.[90] 헬륨은 가스크로마토그래피에서 운반 매체, 온도계의 충전 가스, 가이거 계수기 및 버블 챔버와 같은 방사선 측정 장치에 사용된다.[78] 헬륨과 아르곤은 모두 용접 및 절단 중에 대기로부터 용접 아크와 주변 모재를 보호하는 데 일반적으로 사용되며, 다른 야금 공정과 반도체 산업용 실리콘 생산에도 사용된다.[91]7. 5. 조명
비활성 기체는 화학적 반응성이 매우 낮아 조명에 일반적으로 사용된다.[91] 아르곤은 질소와 혼합하여 백열전구의 충전 가스로 사용된다.[91] 크립톤은 아르곤보다 필라멘트 증발률이 낮아 더 높은 색온도와 효율을 가진 고성능 전구에 사용되며, 특히 할로겐 램프는 요오드 또는 브롬 화합물과 소량 혼합된 크립톤을 사용한다.[91]비활성 기체는 "네온등"과 같은 가스 방전 램프에서 사용될 때 독특한 색으로 빛난다. 네온등은 네온으로 명명되었지만, 다른 가스나 형광체를 포함하여 네온의 주황색-빨간색에 다양한 색조를 더하기도 한다. 제논은 크세논 아크 램프에 주로 사용되는데, 이는 연속 스펙트럼과 유사하여 주광과 비슷하며 영화 프로젝터나 자동차 헤드램프에 사용된다.[91]
진공관에 비활성 기체를 채우고 방전시키면 기체 종류에 따라 다양한 색의 빛을 발한다. 이 성질은 네온관(네온사인)이나 소독램프 등에 이용된다.
기체 방전에 의한 발광 색은 여러 요인에 따라 달라진다.[144]
- 방전 파라미터: 국소 전류 밀도, 전기장, 온도 등. 위쪽 줄 사진에서 방전관 내 위치에 따라 색이 다양하다.
- 기체 순도: 미량의 다른 기체가 섞이면 색에 영향을 준다.
- 방전관 재료: 아래쪽 줄 사진은 가정용 두꺼운 유리관으로 만들어져 자외선 및 청색광이 억제된다.
7. 6. 레이저
비활성 기체는 엑시머 레이저에 사용되는데, 이는 엑시머로 알려진 수명이 짧은 전자적으로 여기된 분자를 기반으로 한다.[92] 레이저에 사용되는 엑시머는 Ar₂, Kr₂ 또는 Xe₂ 와 같은 비활성 기체 이량체일 수도 있고, 보다 일반적으로는 비활성 기체가 ArF, KrF, XeF 또는 XeCl과 같은 엑시머에서 할로겐과 결합된다. 이러한 레이저는 자외선을 생성하며, 이는 짧은 파장(ArF의 경우 193 nm, KrF의 경우 248 nm)으로 인해 고정밀 이미징이 가능하다. 엑시머 레이저는 많은 산업, 의료 및 과학적 응용 분야가 있다. 이들은 집적 회로 제조에 필수적인 마이크로리소그래피와 마이크로 제작 및 레이저 혈관 성형술 및 안과 수술을 포함한 레이저 수술에 사용된다.[92]7. 7. 의학
헬륨은 천식 환자의 호흡을 용이하게 하는 데 사용된다.[91] 크세논은 지질에 대한 높은 용해도로 인해 일반적인 아산화질소보다 더 강력하고 신체에서 쉽게 제거되어 회복이 빠르기 때문에 마취제로 사용된다.[93] 크세논은 과분극 MRI를 통한 폐의 의료 이미징에도 활용된다.[94] 매우 방사성이며 미량으로만 이용 가능한 라돈은 방사선 치료에 사용된다.[13]7. 8. 이온 엔진
크세논은 이온 엔진의 연료로 주로 사용되는데, 이는 화학 반응에 의해 구동되지 않아 연료와 엔진의 다른 부분 사이에 원치 않는 반응을 방지하기 위해 화학적으로 불활성인 연료가 필요하기 때문이다.8. 지구과학에서의 응용
귀금속 기체의 상대적 동위원소 존재비는 지구화학에서 지구의 가스 방출 역사와 주변 환경(즉, 대기 구성[96])에 미치는 영향을 밝히는 중요한 추적 도구 역할을 한다.[95] 귀금속 기체는 불활성 특성과 낮은 존재비 때문에, 농도와 동위원소 비율의 변화를 통해 다양한 지질학적 환경에서 현재의 신호에 영향을 미치는 과정을 해결하고 정량화할 수 있다.[95][97]
귀금속 기체 측정은 화산 분출구, 온천, 지열정과 같은 곳에서 특정 샘플링 프로토콜에 따라 얻을 수 있다.[123] 대표적인 샘플링 프로토콜은 다음과 같다.
- 구리관: 표준 냉장용 구리관(약 10cm3 크기, 3/8” 외경)을 사용하며, 역전된 깔때기를 TygonⓇ 튜브를 통해 관에 연결하여 휘발성 배출물을 샘플링한다. 단방향 유입을 보장하고 공기 오염을 방지하며, 가단성이 있어 샘플로 충분히 플러싱한 후 끝을 밀봉하기 위해 냉간 용접 또는 압착이 가능하다.
- 기겐바흐 병(Giggenbach Bottle): 샘플링과 가스 저장에 사용되는 Teflon 스톱콕이 있는 진공 유리 플라스크이다. 희귀 기체가 헤드스페이스에 축적되므로 샘플링 전에 사전 진공 처리가 필요하다.[124] 이 병은 독일 화학자 베르너 F. 기겐바흐(Werner F. Giggenbach)에 의해 처음 발명 및 배포되었다.[125]
8. 1. 헬륨
헬륨(Helium)에는 두 가지 풍부한 동위원소가 있다. 하나는 원시 핵종인 헬륨-3으로 지구의 핵과 맨틀에 풍부하게 존재하며, 다른 하나는 지각에 풍부한 방사성 핵종(232Th, 235,238U)의 붕괴에서 생성되는 헬륨-4이다. 헬륨의 동위원소 비율은 공기 측정치(3He/4He = 1.39×10−6)를 기준으로 하는 RA 값으로 나타낸다.[98] 지각에서 유래한 휘발성 물질은 0.02~0.05 RA를 가지는데, 이는 헬륨-4의 풍부함을 나타낸다.[99] 대륙 하부 맨틀(SCLM)과 같은 더 깊은 곳에서 유래한 휘발성 물질은 6.1±0.9 RA를 가진다.[100] 그리고 해령 현무암(MORB)은 더 높은 값(8±1 RA)을 보인다. 맨틀 플룸 시료는 8 RA보다 더 높은 값을 가진다.[100][101] 수정되지 않은 원시 특징을 나타내는 태양풍은 약 330 RA를 가지는 것으로 보고되었다.[102]8. 2. 네온
네온은 세 가지 주요 안정 동위원소를 가지고 있다. 20Ne, 21Ne, 22Ne이다. 20Ne는 우주 핵 생성 반응에 의해 생성되며, 대기 중에 풍부하게 존재한다.[97][103] 21Ne과 22Ne는 지구 지각에서 알파 입자와 중성자 입자가 가벼운 원소(18O, 19F, 24,25Mg)와 상호 작용하여 생성된다.[104] 네온 동위원소 비율(20Ne/22Ne 및 21Ne/22Ne)은 지구 맨틀과 휘발성 성분의 불균질성을 구분하는 데 체계적으로 사용된다. 헬륨 동위원소 데이터를 보완하여 네온 동위원소 데이터는 지구 시스템의 열적 진화에 대한 추가적인 통찰력을 제공한다.[105]| 20Ne/22Ne | 21Ne/22Ne | 종류 |
|---|---|---|
| 9.8 | 0.029 | 대기[106] |
| 12.5 | 0.0677 | MORB[107] |
| 13.81 | 0.0330 | 태양풍[108] |
| 0 | 3.30±0.2 | 고대 지각[109] |
| 0 | 0.47 | 선캄브리아기 지각[110] |
8. 3. 아르곤
아르곤(Argon)은 세 가지 안정 동위원소를 가지고 있다. 36Ar, 38Ar, 그리고 40Ar이다. 36Ar과 38Ar은 원시 핵종(Primordial nuclide)으로, 지구 지각 내 존재량은 지각 유체와의 대기 물(meteoric water) 평형에 의존한다.[97] 이는 대기 중 36Ar의 막대한 존재량을 설명한다. 이 두 동위원소(36Ar과 38Ar)의 생성은 지구 지각 내에서 무시할 만하며, 235,238U와 232Th의 붕괴에서 나오는 알파 입자와 가벼운 원소(37Cl과 41K)의 상호 작용을 통해 제한된 농도의 38Ar만 생성될 수 있다. 36Ar은 36Cl의 베타 붕괴를 통해 지속적으로 생성된다.[103][111] 40Ar은 40K의 방사성 붕괴 생성물이다. 40Ar/36Ar의 다른 종류의 값들이 보고되었는데, 공기(Air) = 295.5,[112] 중앙해령현무암(MORB) = 40,000,[112] 지각(crust) = 3000이다.[97]8. 4. 크립톤
크립톤(Krypton)은 여러 가지 동위원소를 가지고 있으며, 78Kr, 80Kr, 82Kr은 원시 핵종이다. 반면에 83Kr, 84Kr, 86Kr은 244Pu의 자발 핵분열과 238U의 방사성 붕괴로 생성된다.[113][97] 크립톤 동위원소의 지구화학적 특징은 현대 대기와 유사한 맨틀 저류지에서 태양과 같은 원시적 특징을 보존하고 있다.[114] 크립톤 동위원소는 지구 시스템에 휘발성 물질이 전달되는 메커니즘을 해독하는 데 사용되어 왔으며, 이는 지구의 진화(질소, 산소)와 생명의 출현에 큰 영향을 미쳤다.[115] 이는 콘드라이트 물질, 태양풍, 혜성 등 다양한 공급원에서 크립톤 동위원소의 특징이 명확하게 구분되기 때문이다.[116][117]8. 5. 크세논
크세논은 9가지 동위원소를 가지고 있으며, 그 대부분은 방사성 붕괴에 의해 생성된다. 크립톤과 크세논 희유 기체는 대기 오염을 피하기 위해 순수하고 견고한 지구화학적 샘플링 프로토콜이 필요하다.[118] 또한, 분석 중에 질량 차이가 적은 많은 동위원소들 사이의 질량 피크를 구분하기 위해 정교한 기기가 필요하다.
8. 6. 비활성 기체 샘플링
희귀 기체 측정은 특정 샘플링 프로토콜에 따라 화산 분출구, 온천, 지열정과 같은 원천에서 얻을 수 있다.[123] 고전적인 특정 샘플링 프로토콜에는 다음이 포함된다.- 구리관 - 이것은 표준 냉장용 구리관으로, 약 10cm3의 크기로 잘라 3/8” 외경을 가지며, 역전된 깔때기를 TygonⓇ 튜브를 통해 관에 연결하여 휘발성 배출물을 샘플링하는 데 사용되며, 단방향 유입을 보장하고 공기 오염을 방지한다. 가단성이 있기 때문에 샘플로 충분히 플러싱한 후 끝을 밀봉하기 위해 냉간 용접 또는 압착이 가능하다.
9. 방전색
비활성 기체는 방전 시 다양한 색깔의 빛을 낸다. 다음은 네온 사인에 쓰일 때 각 기체가 만들어 내는 색이다.
기체 방전 시 방출되는 빛의 색깔은 다음 요인에 따라 달라진다.[130][144]
- 방전 매개변수 (전류밀도, 전기장의 국부적 값, 온도 등): 위쪽 행의 방전 사진에서 색 변화를 참고할 수 있다.
- 기체 순도: 특정 기체의 아주 적은 비율도 색깔에 영향을 미칠 수 있다.
- 방전관 외피의 재질: 두꺼운 일반 유리로 만들어진 아래쪽 행의 관에서는 자외선(UV) 및 청색 성분이 억제된다.
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