알칼리 토금속

3. 물리적 및 원자적 특성

알칼리 토금속은 모두 은색을 띠고 무르며, 상대적으로 낮은 밀도, 녹는점, 끓는점을 가진다. 알칼리 토금속은 원자가 껍질에 두 개의 전자를 가지고 있어, 두 전자를 잃고 양이온이 되려는 경향이 강하다.

알칼리 토금속의 주요 물리적 및 원자적 특성

알칼리 토금속	표준 원자량 (u)	녹는점 (K)	녹는점 (°C)	끓는점 (K)	끓는점 (°C)	밀도 (g/cm3)	전기 음성도 (폴링)	첫 번째 이온화 에너지 (kJ·mol−1)	공유 결합 반지름 (pm)	불꽃 시험 색
베릴륨	9.012182(3)	1560	1287	2744	2471	1.845	1.57	899.5	105	흰색[21]
마그네슘	24.3050(6)	923	650	1363	1090	1.737	1.31	737.7	150	밝은 흰색[2]
칼슘	40.078(4)	1115	842	1757	1484	1.526	1.00	589.8	180	벽돌색[2]
스트론튬	87.62(1)	1050	777	1655	1382	2.582	0.95	549.5	200	진홍색[2]
바륨	137.327(7)	1000	727	2170	1897	3.594	0.89	502.9	215	사과색[2]
라듐	[226]	969	696	2010	1737	5.502	0.9	509.3	221	진홍색

베릴륨은 다른 알칼리 토금속과 달리 예외적인 성질을 보인다. 높은 온도가 아니면 물이나 수증기와 반응하지 않으며,^[11] 할로젠화물은 공유 결합 화합물이다. 베릴륨 화합물은 높은 전하 밀도로 인해 주변의 전자 구름을 강하게 극성화시켜 공유 결합을 형성한다.^[12] 베릴륨 불화물 조차도 낮은 녹는점과 전기 전도도를 가진다.^[13][14][15]

마그네슘은 베릴륨과 다른 알칼리 토금속의 중간적인 성질을 보인다.

알칼리 토금속 원소들은 최외각 전자껍질에서 전자 배치 패턴을 보이며, 이는 화학적 성질의 경향으로 이어진다.

칼슘, 스트론튬, 바륨, 라듐은 서로 비슷한 성질을 보인다.^[90]

2족 원소는 닫힌 껍질 구조에 의한 차폐를 받지 않는 핵전하가 같은 주기의 1족 원소보다 크기 때문에, 알칼리 금속보다 원자 간 금속 결합이 강하고, 단체의 녹는점·경도가 높다. 또한, 같은 이유로 양이온은 같은 주기의 1족 원소보다 이온 반지름이 작다.

2족 원소 중 일부는 불꽃 반응을 나타낸다.

3. 1. 핵 안정성

칼슘-48과 바륨-130은 매우 긴 반감기를 가지는 원시 방사성 핵종으로, 실질적으로 안정적이다. 이들은 이중 베타 붕괴를 통해 붕괴하지만, 그 확률이 매우 낮아 반감기가 매우 길다.

21개의 안정 또는 거의 안정적인 동위원소 외에도, 알칼리 토금속은 많은 수의 방사성 동위원소를 가지고 있다. 이들은 대부분 짧은 반감기를 가지며, 초신성이나 중성자별 충돌과 같은 자연적인 과정에서 생성된다. 베릴륨-7, 베릴륨-10, 칼슘-41은 우주선과의 충돌로 생성되는 미량의 우주선 생성 핵종이다.

라듐-226은 우라늄-238의 붕괴 사슬의 구성원으로, 라듐 동위원소 중 가장 긴 반감기(1600년)를 가진다.^[24] 스트론튬-90과 바륨-140은 원자로에서 우라늄의 핵분열 생성물이다.^[25]

알칼리 토금속의 방사성 동위원소는 뼈의 주요 구성 성분인 칼슘과 화학적으로 유사하게 작용하여 뼈에 축적되는 경향("뼈 탐색자")이 있다. 이는 골수에 손상을 줄 수 있지만, 방사선 치료에 활용되기도 한다.

4. 역사

IUPAC과 대한화학회는 베릴륨과 마그네슘을 포함한 2족 원소 전체를 알칼리 토금속으로 정의하는 것을 권장하고 있다.^[87][88] 그러나 학술적으로는 베릴륨과 마그네슘이 4주기 이후 원소들과 다른 성질을 나타내기 때문에 알칼리 토금속에 포함시키지 않는 경우도 있다.

드미트리 멘델레예프가 주기율표를 제창하기 이전부터 칼슘, 스트론튬, 바륨은 요한 야코프 베르셀리우스가 제창한 삼원소군 중 하나로 알려져 있었지만, 베릴륨과 마그네슘은 여기에 포함되지 않았다. 베릴륨은 공유 결합을 형성하기 쉽고, 산화베릴륨은 산성과 염기성 조건 모두에서 녹는다. 마그네슘은 비교적 금속처럼 행동하지만 그리냐르 시약으로 대표되는 유기 마그네슘 화합물도 형성하며, 산화마그네슘은 약한 염기성을 나타낸다. 베릴륨과 마그네슘은 불꽃 반응을 나타내지 않는다.

반면, 2족의 4주기 이후 원소들은 모두 불꽃 반응을 보이고, 산화물은 강염기성을 나타내며, 단체의 안정성이 낮다.

4. 1. 어원

4. 2. 발견

5. 분포

베릴륨은 지각에 2~6ppm(백만분율)의 농도로 존재하며,^[49] 대부분은 토양에 존재하는데, 토양 내 농도는 6ppm이다. 베릴륨은 바닷물에서 가장 희귀한 원소 중 하나이며, 스칸듐보다도 희귀하여 0.2ppt(조분율)의 농도를 나타낸다.^[50][51] 그러나 민물에서는 다소 흔하며, 0.1ppb(십억분율)의 농도를 가진다.^[52]

마그네슘과 칼슘은 지각에서 매우 흔한 원소로 각각 다섯 번째와 여덟 번째로 풍부한 원소이다. 알칼리 토금속 중 어떤 원소도 자유 원소 상태로 발견되지 않는다. 마그네슘을 함유하는 일반적인 광물로는 카날라이트, 마그네사이트, 돌로마이트가 있다. 칼슘을 함유하는 일반적인 광물로는 백악, 석회암, 석고, 무수석고가 있다.^[2]

스트론튬은 지각에서 15번째로 풍부한 원소이다. 주요 광물은 셀레스타이트와 스트론티아나이트이다.^[53] 바륨은 스트론튬보다 약간 덜 흔하며, 대부분 중정석 광물에 존재한다.^[54]

라듐은 우라늄의 붕괴 생성물이므로 모든 우라늄 함유 광석에서 발견된다.^[55] 비교적 짧은 반감기^[56] 때문에 지구 초기의 라듐은 이미 붕괴되었고, 현재 발견되는 라듐은 모두 우라늄의 훨씬 느린 붕괴에서 생성된 것이다.^[55]

2족 원소는 지구 지각에 다음과 같은 농도로 존재한다.

마그네슘과 칼슘은 해수에 비교적 풍부하게 존재한다. 라듐을 제외한 2족 원소는 지구에서 볼 수 있는 다양한 광물의 구성 성분으로 포함되어 있다. 라듐은 붕괴를 계속하고 있지만, 우라늄-238과 우라늄-235 및 토륨-232의 붕괴에 의해 모핵종이 계속 공급되고 있기 때문에 지각에 미량 존재한다.

6. 생산

7. 응용

베릴륨은 주로 군사용으로 사용되지만,^[59] 민간 용도로도 활용된다. 전자공학 분야에서 베릴륨은 일부 반도체의 p형 도펀트로 사용되며, 산화베릴륨은 고강도 절연체이자 열전도체로 사용된다.^[61] 베릴륨 합금은 넓은 온도 범위에서 강성, 경량 및 치수 안정성이 필요한 기계 부품에 사용된다.^[62][63]

마그네슘은 알루미늄과 같은 다른 구조 재료보다 가볍다는 장점이 있지만, 가연성으로 인해 사용이 제한된다.^[64] 강도와 내식성을 높이기 위해 종종 알루미늄, 아연 및 망간과 합금된다.^[65] 마그네슘은 철과 강철 생산과 티타늄 생산을 위한 크롤 공정에도 사용된다.^[66]

칼슘은 우라늄과 같은 다른 금속을 광석에서 분리하는 환원제로 사용된다. 특히 알루미늄과 구리 합금을 포함한 많은 합금의 주요 구성 요소이며, 합금의 산소를 제거하는 데에도 사용된다. 칼슘은 치즈, 모르타르 및 시멘트 제조에도 사용된다.^[67]

스트론튬과 바륨은 가벼운 알칼리 토금속보다 활용도가 적다. 탄산스트론튬은 빨간색 폭죽 제조에 사용된다.^[68] 순수 스트론튬은 뉴런에서의 신경전달물질 방출 연구에 사용된다.^[69][70] 방사성 스트론튬-90은 붕괴열을 이용하는 RTG에서 사용된다.^[71][72] 바륨은 진공관에서 기체를 제거하는 게터로 사용된다.^[54] 황산바륨은 석유 산업^[4][73] 및 기타 산업^[4][54][74]에서 사용된다.

라듐은 과거에 방사능을 이용한 다양한 용도로 사용되었지만, 유해한 건강 영향과 긴 반감기 때문에 더 이상 일반적으로 사용되지 않는다. 과거 야광 페인트에 자주 사용되었으나,^[75] 작업자들이 질병에 걸린 후 사용이 중단되었다.^[76]

8. 생물학적 역할 및 주의사항

마그네슘과 칼슘은 모든 생물에게 필수적인 원소이다. 마그네슘은 일부 효소의 활성 중심으로 기능하며, 칼슘 염은 뼈와 같은 구조적 역할을 한다.^[38] 스트론튬은 해양 생물, 특히 단단한 산호가 외골격을 만드는 데 중요한 역할을 한다.^[47]

의학에서도 스트론튬과 바륨이 활용되는데, 방사선 영상 촬영에서 "바륨 식사"가 사용되며, 스트론튬 화합물은 일부 치약에 사용된다.

하지만 스트론튬-90은 방사능 때문에 독성이 강하다. 스트론튬-90은 칼슘과 유사하게 작용하여 뼈에 축적(뼈 탐색자)되어 생물 축적되며, 생물학적 반감기가 길다. 뼈는 방사선에 비교적 강하지만, 빠르게 분열하는 골수는 스트론튬-90에 의해 큰 피해를 입을 수 있다. 이온화 방사선이 골수에 미치는 영향으로 급성 방사선 증후군이 빈혈과 비슷한 증상을 보이며, 적혈구 기증이 생존율을 높일 수 있다.^[102]

베릴륨과 라듐은 독성이 강하다. 베릴륨은 수용성이 낮아 생물학적 시스템에서 거의 이용할 수 없으며, 생물체에 알려진 역할이 없고, 접촉 시 일반적으로 매우 독성이 강하다.^[12] 라듐은 방사능이 높아 생명체에 독성이 있다.^[48]

9. 확장

라듐 다음의 알칼리 토금속은 120번 원소로 여겨지지만, 상대론적 효과 때문에 이것이 사실이 아닐 수도 있다.^[81] 120번 원소의 합성은 2007년 3월, 플레로프 핵반응 연구소의 두브나(Dubna) 소재 팀이 플루토늄-244에 철-58 이온을 충돌시키는 실험에서 처음으로 시도되었지만, 원자가 생성되지 않아 연구된 에너지에서 단면적이 400fb 미만임이 밝혀졌다.^[82] 2007년 4월, GSI의 연구팀은 우라늄-238에 니켈-64를 충돌시켜 120번 원소를 생성하려고 시도했지만, 원자가 검출되지 않아 반응의 한계가 1.6 pb임이 밝혀졌다. 더 높은 감도로 합성을 다시 시도했지만, 원자가 검출되지 않았다. 다른 반응들도 시도되었지만, 모두 실패로 끝났다.^[83]

120번 원소의 화학적 성질은 칼슘이나 스트론튬의 성질과 더 가까울 것으로 예측된다.^[84] 바륨이나 라듐과는 다르다. 이것은 주기율표의 경향과 현저하게 대조되는데, 주기율표의 경향은 120번 원소가 바륨과 라듐보다 더 반응성이 클 것이라고 예측하기 때문이다. 이러한 반응성 감소는 120번 원소의 원자가 전자의 예상 에너지 때문이며, 120번 원소의 이온화 에너지를 증가시키고 금속 및 이온 반지름을 감소시킨다.^[84]

120번 원소 다음의 알칼리 토금속은 확실하게 예측되지 않았다. 아우프바우 원리를 사용한 단순한 외삽법은 170번 원소가 120번 원소와 같은 족에 속할 것이라고 시사하지만, 상대론적 효과로 인해 이러한 외삽법이 무효화될 수 있다. 알칼리 토금속과 유사한 성질을 가진 다음 원소는 166번 원소로 예측되었지만, 9s 부껍질 아래의 겹치는 오비탈과 낮은 에너지 갭으로 인해 166번 원소는 12족에, 코페르니슘 아래에 위치할 수도 있다.^[85][86]

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