비활성기체

비활성기체

주기율표에서 비활성기체의 위치

 

주기율표상 비활성기체의 위치

 

불활성 기체 또는 희가스로도 불리는 비활성기체는 주기율표의 가장 오른쪽인 18족에 위치하는 원소들을 일컫는 말입니다. 이 원소들은 비금속에 속하는 원소들로 아래의 원소들을 포함합니다

 

헬륨 (He)

네온 (Ne)

아르곤 (Ar)

크립톤 (Kr)

제논 (또는 크세논, Xe)

라돈 (Rn)

오가네손 (Og)

 

오가네손을 제외한 나머지 원소들은 상온, 1기압의 조건에서 모두 기체상태로 존재합니다. 오가네손의 경우 인공적으로 만들어진 불안정한 원소로 아직까지 그 특성이 명확히 알려지지 않았지만 많은 과학자들은 오가네손이 상온, 1기압의 조건에서 액체나 기체일 것으로 추측하고 있습니다.

 

참고로 라돈과 오가네손은 방사성을 띄는 원소로도 구분됩니다.

 

비활성기체의 특성

 

•  낮은 화학적 반응성
•  완전히 채워진 오비탈(산화수 = 0)
•  높은 이온화 에너지
•  매우 낮은 전기음성도
•  낮은 끓는점
•  무색, 무취
•  불연성

 

이름 그대로 비활성기체는 반응성이 낮습니다. 실제로, 이들은 주기율표에서 가장 반응이 적은 원소에 속하며 오랜시간동안 화학반응을 시킬 수 없을 것이라 생각된 원소들입니다. 비활성기체들은 이미 완전히 다 채워진 전자껍질을 가지고 있기 때문에 전자를 얻거나 잃기 어렵습니다. 즉 이온화에너지는 높으며 전기음성도는 거의 0에 가깝고 끓는점과 녹는점이 매우 낮습니다. 이러한 낮은 화학적 반응성은 마치 귀금속과 비슷하다고 생각되어 귀족기체(noboe gas)라는 이름이 붙기도 했습니다.

 

다만 주기율표상에서 아래로 내려올수록 조금 더 반응성이 커지는 경향이 있습니다. 헬륨과 네온은 실질적으로 거의 불활성에 가까운 기체이지만 나머지 기체들은 안정적인 고체나 액체상태의 화합물을 만들 수 있는것으로 밝혀졌습니다.

 

참고로 헬륨을 제외한 나머지 비활성기체의 이름은 -on으로 끝난다는 공통점이 있습니다.

 

비활성기체의 사용

 

비활성기체의 방전

 

비활성기체는 그 자체의 낮은 화학적 반응성을 이용하기 위해 사용되는 경우가 많습니다. 일반적으로 아크 용접, 시편 보호 및 반응 억제를 위한 불활성 분위기를 조성하는데 사용됩니다. 또한 네온이나 크립톤, 제논은 조명이나 헤드램프, 레이저에 사용됩니다. 헬륨은 풍선이나 극저온 냉각에 사용됩니다. 이제 각 원소별로 자세히 알아보겠습니다.

 

헬륨

 

헬륨 (He, 원자 번호 2)은 상온 및 1기압에서 불활성이며 매우 가벼운 기체입니다. 액체 형태의 헬륨은 존재하지만 1기압 조건에서는 아무리 액체 헬륨의 온도를 낮춰도 고체상태로 상전이를 하지 않는 유일한 원소입니다. 헬륨은 지구의 중력으로 잡아두기에 너무 가벼워 점점 지구의 대기에서 탈출하는 기체이기도 합니다.

 

네온

 

네온(Ne, 원자 번호 10)은 3개의 안정한 동위 원소가 존재합니다. 네온은 저온 형성을 위한 냉매나 조명  또는 레이저로 사용됩니다. 헬륨과 마찬가지로 네온은 대부분의 조건에서 다른 물질과 반응을 일으켜 화합물을 만들지 않습니다. 다만 불안정한 상태의 클라스레이트 화합물을 만드는 것으로 알려졌습니다.

 

다른 비활성기체와 마찬가지로 네온 또한 방전시키면 주황색의 독특한 빛을 내는데 이를 이용한 조명이 바로 네온사인입니다.

 

아르곤

 

아르곤(Ar, 원자 번호 18)은 3개의 안정한 동위 원소의 혼합물로 구성된 비활성기체입니다. 아르곤은 주로 용접이나 화학 반응 시 불활성 분위기를 제공하기 위한 분위기 가스 또는 레이저에 주로 사용됩니다. 아르곤은 비활성기체에 속하지만 클라스레이트 화합물을 만들 수 있고 이온을 형성할 수 있는 것으로 알려졌습니다. 아르곤은 산소나 질소보다 무거우며 지구의 중력이 충분히 붙잡을 수 있기 때문에 대기 중 높은 농도로 존재합니다.

 

크립톤

 

크립톤(Kr, 원자 번호 36)은 무거우며 무색, 무취의 비활성 기체로 30 종류의 동위원소가 존재하지만 6개만 안정한 상태로 존재합니다. 레이저와 조명 램프에 사용됩니다.

 

제논(크세논)

 

제논(Xe, 원자 번호 54)은 9개의 안정한 동위 원소가 혼합되어 있습니다. 순수한 제논 기체는 화학적으로 활성이 낮고 독성이 없지만 제논의 화합물은 강한 산화성이 있기 때문에 색을 띄며 유독합니다. 크릭톤과 유사하게 조명용 램프에 널리 사용됩니다.

 

라돈

 

라돈(Rn, 원자 번호 86)은 기체 중 가장 무거우며 희귀한 원소입니다. 라돈의 모든 동위원소는 방사성을 가집니다. 일반적인 기체 상태의 라돈은 무색이지만 온도를 낮춰 액체 상태로 만들면 인광에 의해 노란색의 빛을 냅니다. 여기서 온도를 더 낮추면 점점 붉은색으로 변합니다.

 

오가네손

 

오가네손(Og, 원자 번호 118)은 현재까지 발견된 원소 중 가장 원자량이 큰 원소입니다. 주기율표상 18족에 위치해 비활성기체에 포함시켰지만 자연상태에서 불안정한 방사성 원소이기 때문에 자세한 분석이 이루어지지 않았습니다.

 

비활성기체에 대한 여러가지 사실들

 

비활성기체는 종종 희가스라고 불리곤 합니다. 이는 희귀해서 붙은 이름이지만 실제로 지구나 우주에서 생각보다 흔히 발견할 수 있는 원소입니다. 실제로 아르곤은 대기를 구성하는 원소 중 3번째(수증기 제외)로 이산화탄소보다 많은 양을 차지하는 원소입니다. (부피 기준 0.94%) 네온, 크립톤 및 제논 또한 지구 대기에서 상업적으로 추출할 수 있는 농도로 존재하고 있습니다.

 

대표적인 제논 화합물인 XeF4

 

많은 사람들이 비활성기체는 화학적으로 완전히 반응성이 없어 화합물을 형성할 수 없다고 믿어왔습니다. 하지만 1900년대 중후반부터 몇몇 비활성기체의 화합물이 합성됨이 밝혀졌습니다. 특히 아르곤, 제논, 크립톤, 라돈을 함유하는 분자가 발견되었으며 고압의 조건에서는 네온, 심지어 헬륨도 화학 반응에 참여하여 화합물을 만들 수 있음이 알려졌습니다. 물론 여전히 화학적으로 반응성이 낮아 특수한 환경에서 반응이 일어난다는 제한이 있지만 비활성기체는 화학적으로 반응성이 완전히 없는 물질이 아니라는 것입니다.

 

비활성기체의 생산

 

네온, 아르곤, 크립톤 및 제논은 대기 중에 존재하기 때문에 공기를 액화시킨 후 끓는점에 따라 분별 증류를 수행함으로써 얻을 수 있습니다. 

 

하지만 헬륨의 경우 밀도가 너무 낮아 지구의 중력이 헬륨을 가둘 수 없어 공기 중에서 얻을 수 없습니다. 헬륨은 공기의 분별 증류가 아니라 천연 가스의 극저온 분리를 통해 생산됩니다. 지구에서는 구하기 힘들지만 우주에서는 흔한 물질이기 때문에 먼 미래에는 우주에서 가지고 오는 것이 헬륨 생산싀 주요한 방법이 될 수 있습니다.

 

무거우며 방사성을 띄는 라돈은 라듐, 토륨 및 우라늄을 포함한 무거운 원소의 방사성 붕괴로 생산됩니다.  

 

요약

 

•  비활성기체는 주기율표상 18족에 위치하는 원소들로, 주기율표의 오른쪽 끝에 위치하고 있습니다.
•  비활성기체의 종류에는 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논(크세논), 라돈 및 오가네손으로 총 7 가지의 원소가 존재합니다.
•  비활성기체의 화학 반응성은 매우 낮은데 이는 비활성기체 원자가 완전히 채워진 원자가 전자 껍질을 가지고 있기 때문에 화학적 반응을 일으키기 위해 전자를 주거나 받는 경향이 거의 없습니다.