3주기 원소
| 주기율표 |
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3주기 원소는 주기율표의 세 번째 행(주기)에 있는 화학 원소 중 하나이다. 주기율표는 원자 번호가 증가함에 따라 원소의 화학적 행동에서 반복되는(주기적인) 경향을 보여주기 위해 행으로 배열된다. 화학적 행동이 반복되기 시작할 때 새로운 행이 시작되며, 이는 유사한 행동을 가진 원소가 같은 수직 열에 속함을 의미한다. 3주기에는 나트륨, 마그네슘, 알루미늄, 규소, 인, 황, 염소, 아르곤의 8개 원소가 포함된다. 처음 두 원소인 나트륨과 마그네슘은 주기율표의 S-구역에 속하며, 다른 원소들은 P-구역에 속한다. 모든 3주기 원소는 자연에서 발견되며 적어도 하나 이상의 안정 동위 원소를 가지고 있다.[1]
원자 구조
[편집]양자역학적 원자 구조 설명에서 이 주기는 세 번째 (n = 3) 껍질의 전자 축적, 더 구체적으로 3s 및 3p 부껍질 채우기에 해당한다. 3d 부껍질이 있지만, 쌓음 원리에 따라 4주기까지는 채워지지 않는다. 이는 이 여덟 가지 원소가 정확히 같은 순서로 2주기 원소의 유사체임을 의미한다. 옥텟 규칙은 3d 부껍질이 일반적으로 비활성이기 때문에 2주기 원소와 같은 방식으로 3주기 원소에도 일반적으로 적용된다.
원소
[편집]| 원소 |
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원소 기호 | 구역 | 전자 배열 |
|---|---|---|---|---|
| 나트륨 | 11 | Na | s-block | [Ne] 3s1 |
| 마그네슘 | 12 | Mg | s-block | [Ne] 3s2 |
| 알루미늄 | 13 | Al | p-block | [Ne] 3s2 3p1 |
| 규소 | 14 | Si | p-block | [Ne] 3s2 3p2 |
| 인 | 15 | P | p-block | [Ne] 3s2 3p3 |
| 황 | 16 | S | p-block | [Ne] 3s2 3p4 |
| 염소 | 17 | Cl | p-block | [Ne] 3s2 3p5 |
| 아르곤 | 18 | Ar | p-block | [Ne] 3s2 3p6 |
나트륨
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나트륨(기호 Na)은 부드러운 은백색의 반응성이 높은 금속이며 알칼리 금속에 속한다. 유일한 안정 동위 원소는 23Na이다. 장석, 소달라이트, 암염과 같은 수많은 광물에 존재하는 풍부한 원소이다. 많은 나트륨 염은 물에 매우 잘 녹기 때문에 지구의 수역, 특히 염화 나트륨 형태로 해양에 상당한 양으로 존재한다.
비누 제조용 수산화 나트륨(양잿물), 제빙제 및 영양소로 사용되는 염화 나트륨과 같이 많은 나트륨 화합물은 유용하다. 같은 이온은 질산 나트륨과 같은 많은 광물의 구성 성분이기도 하다.
자유 금속인 원소 나트륨은 자연에 존재하지 않으며 나트륨 화합물로부터 제조되어야 한다. 원소 나트륨은 1807년 험프리 데이비가 수산화 나트륨의 전기 분해로 처음 분리했다.
마그네슘
[편집]마그네슘(기호 Mg)은 알칼리 토금속이며 일반적인 산화수는 +2이다. 지구의 지각에서 여덟 번째로 풍부한 원소이며[2] 알려진 우주 전체에서는 아홉 번째로 풍부하다.[3][4] 마그네슘은 지구 전체에서 네 번째로 흔한 원소(철, 산소, 규소 다음)로 지구 질량의 13%를 차지하며 지구의 맨틀의 상당 부분을 구성한다. 이것은 탄소(세 개의 헬륨 핵으로 만들어짐)에 세 개의 헬륨 핵을 연속적으로 추가함으로써 초신성 별에서 쉽게 생성되기 때문에 비교적 풍부하다. 마그네슘 이온의 높은 용해도로 인해 바닷물에 세 번째로 풍부하게 용해된 원소이다.[5]
자유 원소(금속)는 지구상에서 자연적으로 발견되지 않는데, 이는 반응성이 매우 높기 때문이다(하지만 일단 생성되면 얇은 산화물 층으로 덮여 [[[부동태화]] 참조], 이 반응성을 부분적으로 가린다). 자유 금속은 특유의 밝은 흰색 빛을 내며 타므로 플레어에 유용한 성분이다. 이 금속은 현재 주로 고염수에서 얻은 마그네슘 염의 전기 분해를 통해 얻어진다. 상업적으로 이 금속의 주요 용도는 알루미늄-마그네슘 합금을 만드는 합금제로, 때로는 "마그날륨" 또는 "마그네륨"이라고 불린다. 마그네슘은 알루미늄보다 밀도가 낮기 때문에 이 합금은 상대적인 가벼움과 강도로 높이 평가된다.
마그네슘 이온은 신맛이 나며, 낮은 농도에서는 신선한 광천수에 자연적인 신맛을 부여하는 데 도움이 된다.
알루미늄
[편집]알루미늄(기호 Al)은 은백색의 붕소족 화학 원소이며, 일부 화학자들은 이를 전이후 금속으로 분류하는 P-구역 금속이다.[6] 일반적인 환경에서는 물에 녹지 않는다. 알루미늄은 지구 지각에서 산소와 규소 다음으로 세 번째로 풍부한 원소이자 금속 중 가장 풍부한 원소이다. 지구 고체 표면 무게의 약 8%를 차지한다. 알루미늄 금속은 화학적으로 너무 반응성이 높아 자연 상태로 존재하지 않는다. 대신 270가지 이상의 다양한 광물에 결합된 형태로 발견된다.[7] 알루미늄의 주요 광석은 보크사이트이다.
알루미늄은 낮은 밀도와 부동태화 현상으로 인한 부식 저항 능력으로 주목할 만하다. 알루미늄 및 그 합금으로 만들어진 구조 부품은 항공우주 산업에 필수적이며, 다른 교통 및 구조 재료 분야에서도 중요하다. 무게를 기준으로 할 때 알루미늄의 가장 유용한 화합물은 산화물과 황산염이다.
규소
[편집]규소(기호 Si)는 14족 준금속이다. 주기율표에서 바로 위에 있는 탄소보다 반응성이 낮지만, 바로 아래에 있는 저마늄보다는 반응성이 높다. 규소의 특성에 대한 논란은 발견 시점부터 시작되었다. 규소는 1824년에 순수한 형태로 처음 제조되고 특성화되었으며, 금속을 암시하는 -ium 접미사가 붙어 실리슘(라틴어: silicis, 부싯돌에서 유래)이라는 이름이 붙여졌다. 그러나 1831년에 제안된 최종 이름은 화학적으로 더 유사한 원소인 탄소와 붕소를 반영한다.
규소는 질량 기준으로 우주에서 여덟 번째로 흔한 원소이지만, 자연에서 순수한 자유 원소로는 거의 발견되지 않는다. 주로 먼지, 모래, 소행성체, 행성에서 다양한 형태의 이산화 규소(실리카) 또는 규산염으로 널리 분포한다. 지구 지각의 90% 이상은 규산염 광물로 구성되어 있으며, 규소는 산소 다음으로 지구 지각에서 두 번째로 풍부한 원소(질량 기준으로 약 28%)이다.[8]
대부분의 규소는 분리되지 않고, 종종 자연 상태의 화합물을 거의 가공하지 않은 상태로 상업적으로 사용된다. 여기에는 점토, 실리카 모래, 돌의 직접적인 산업 건축 사용이 포함된다. 실리카는 세라믹 벽돌에 사용된다. 규산염은 모르타르와 스투코용 포틀랜드 시멘트에 들어가고, 실리카 모래 및 자갈과 결합하여 콘크리트를 만든다. 규산염은 도자기와 같은 백색 도자기 및 전통적인 석영 기반 소다회 유리에도 포함된다. 탄화 규소와 같은 더 현대적인 규소 화합물은 연마제와 고강도 세라믹을 형성한다. 규소는 유비쿼터스 합성 규소 기반 중합체인 실리콘의 기초이다.
원소 규소 또한 현대 세계 경제에 큰 영향을 미친다. 대부분의 자유 규소는 철강 정제, 알루미늄 주조, 정밀 화학 산업(종종 흄드 실리카를 만드는 데 사용됨)에 사용되지만, 반도체 전자 제품에 사용되는 매우 고순도 규소의 비교적 작은 부분(10% 미만)은 훨씬 더 중요할 수 있다. 대부분의 컴퓨터의 기초인 집적 회로에 규소가 널리 사용되기 때문에 많은 현대 기술이 여기에 의존한다.
인
[편집]인(기호 P)은 다원자가 비금속으로, 질소족에 속한다. 광물로서 인은 거의 항상 최대로 산화된(5가) 상태로, 무기 인산염 광물 형태로 존재한다. 원소 인은 두 가지 주요 형태(백린과 적린)로 존재하지만, 높은 반응성 때문에 인은 지구상에서 자유 원소로 발견되지 않는다.
최초로 생산된 원소 인(1669년의 백린)은 산소에 노출되면 희미한 빛을 내는데, 이는 그리스 신화에서 "빛을 가져오는 자"를 의미하는 Φωσφόρος(라틴어: 루시퍼)에서 유래한 이름이다. 이는 행성 금성을 가리키는 "새벽별"을 의미한다. "인광"이라는 용어는 인의 이 특성에서 유래했지만, 인의 빛은 백린(적린은 제외)의 산화에서 발생하므로 화학발광이라고 불러야 한다. 또한 옥텟 규칙의 안정적인 예외를 쉽게 생성하는 가장 가벼운 원소이다.
인의 화합물 대부분은 비료로 소비된다. 다른 응용 분야로는 유기 인 화합물이 세제, 농약, 신경작용제 및 성냥에서 하는 역할이 있다.[9]
황
[편집]황(기호 S)은 풍부한 다원자가 비금속으로, 16족 원소에 속한다. 표준 온도 압력에서 황 원자는 화학식 S8의 고리형 팔원자 분자를 형성한다. 원소 황은 실온에서 밝은 노란색의 결정성 고체이다. 화학적으로 황은 산화제 또는 환원제로 반응할 수 있다. 대부분의 금속과 탄소를 포함한 여러 비금속을 산화시켜 대부분의 유기황 화합물에서 음전하를 띠게 되지만, 산소와 플루오린과 같은 여러 강한 산화제를 환원시킨다.
자연에서 황은 순수 원소 형태로, 그 외 황화물 및 황산염 광물 형태로 발견될 수 있다. 원소 황 결정은 밝은 색의 다면체 모양 때문에 광물 수집가들에게 흔히 인기가 있다. 자연 상태에서 풍부하게 발견되는 황은 고대 그리스, 중국, 고대 이집트에서 사용된 기록이 있을 정도로 고대에 알려져 있었다. 황 연기는 훈증제로 사용되었고, 황 함유 약용 혼합물은 연고 및 기생충 제거제로 사용되었다. 황은 성경에서 영어로 유황으로 언급되며, 이 이름은 여러 비과학적 용어에서 여전히 사용된다.[10] 황은 그 자체의 연금술 기호를 받을 만큼 중요하게 여겨졌다. 최고 품질의 흑색화약을 만드는 데 필요했으며, 밝은 노란색 가루는 연금술사가 금의 특성을 일부 포함하고 있어 그것으로부터 금을 합성하려고 시도했다는 가설이 세워졌다. 1777년, 앙투안 라부아지에는 황이 화합물이 아닌 기본 원소임을 과학계에 확신시키는 데 기여했다.
원소 황은 한때 솔트 돔에서 추출되었는데, 그곳에서 거의 순수한 형태로 발견되기도 했지만, 이 방법은 20세기 후반 이후로 사용되지 않는다. 오늘날 거의 모든 원소 황은 천연가스 및 석유에서 황 함유 오염 물질을 제거하는 부산물로 생산된다. 이 원소의 상업적 용도는 주로 비료에 사용되는데, 이는 식물이 황을 상대적으로 많이 필요로 하기 때문이며, 주요 산업 화학 물질인 황산 제조에도 사용된다. 이 원소의 다른 잘 알려진 용도는 성냥, 살충제, 살진균제이다. 많은 황 화합물은 냄새가 나며, 냄새가 나는 천연가스, 스컹크의 분비물, 자몽, 마늘의 냄새는 황 화합물 때문이다. 살아있는 유기체가 생산하는 황화 수소는 썩은 달걀 및 기타 생물학적 과정에서 특유의 냄새를 부여한다.
염소
[편집]염소(기호 Cl)는 두 번째로 가벼운 할로젠이다. 이 원소는 표준 조건에서 이원자 분자인 이염소를 형성한다. 모든 원소 중 가장 높은 전자 친화도와 가장 높은 전기 음성도 중 하나를 가지고 있다. 따라서 염소는 강한 산화제이다.
염소의 가장 흔한 화합물인 염화 나트륨(식탁염)은 고대부터 알려져 있었지만, 1630년경 벨기에의 화학자이자 의사인 얀 바프티스트 판 헬몬트가 염소 기체를 얻었다. 원소 염소의 합성 및 특성화는 1774년 스웨덴의 화학자 카를 빌헬름 셸레가 이루었는데, 그는 염소 기체를 "탈플로지스톤화된 염산 공기"라고 불렀다. 당시 산은 반드시 산소를 포함해야 한다고 여겼기 때문에 염산에서 얻은 산화물을 합성했다고 생각했기 때문이다. 클로드 베르톨레를 포함한 여러 화학자들은 셸레의 "탈플로지스톤화된 염산 공기"가 산소와 아직 발견되지 않은 원소의 결합일 것이라고 제안했고, 셸레는 이 산화물 내의 가상의 새 원소를 염산염소라고 명명했다. 이 새로 발견된 기체가 단순한 원소라는 제안은 1809년 조제프 루이 게이뤼삭과 루이 자크 테나르가 이루었다. 이는 1810년 험프리 데이비 경이 확인했고, 그는 그리스어 χλωρός(chlōros, "녹황색"을 의미)에서 따와 염소(chlorine)라고 명명했다.
염소는 다른 많은 화합물의 구성 요소이다. 지구 지각에서 두 번째로 풍부한 할로젠이자 21번째로 풍부한 원소이다. 염소의 강력한 산화력은 표백 및 살균 용도로 이어졌으며, 화학 산업에서 필수적인 시약이 되었다. 일반적인 소독제로서 염소 화합물은 수영장을 깨끗하고 위생적으로 유지하는 데 사용된다. 상층 대기에서는 클로로플루오로카본과 같은 염소 함유 분자들이 오존홀에 연루되어 있다.
아르곤
[편집]아르곤(기호 Ar)은 18족인 비활성 기체의 세 번째 원소이다. 아르곤은 지구 대기에서 세 번째로 흔한 기체로 0.93%를 차지하며, 이산화 탄소보다 더 흔하다. 이 아르곤의 거의 대부분은 지구 지각의 칼륨-40 붕괴에서 유래한 방사성 생성 아르곤-40이다. 우주에서는 아르곤-36이 가장 흔한 아르곤 동위 원소이며, 항성 핵합성에 생성되는 선호되는 아르곤 동위 원소이다.
"아르곤"이라는 이름은 그리스어 중성 형용사 ἀργόν에서 유래했으며, 이는 "게으른" 또는 "비활성적인 것"을 의미한다. 이 원소는 화학 반응을 거의 일으키지 않기 때문이다. 바깥 원자 껍질의 완전한 옥텟(8개의 전자)은 아르곤을 안정적이고 다른 원소와의 결합에 저항하게 만든다. 삼중점 온도는 83.8058 K으로, 국제온도눈금 1990의 정의된 고정점이다.
아르곤은 액화 공기의 분별 증류를 통해 산업적으로 생산된다. 아르곤은 주로 용접 및 기타 고온 산업 공정에서 비활성 차폐 가스로 사용되는데, 이러한 공정에서는 일반적으로 비활성 물질도 반응성이 있게 된다. 예를 들어, 흑연 전기로에서는 흑연이 타는 것을 방지하기 위해 아르곤 분위기가 사용된다. 아르곤 가스는 백열등, 형광등 및 다른 종류의 기체 방전관에도 사용된다. 아르곤은 독특한 청록색 기체 레이저를 만든다.
생물학적 역할
[편집]나트륨은 모든 동물과 일부 식물에 필수적인 원소이다. 동물에서 나트륨 이온은 칼륨 이온에 대항하여 세포막에 전하를 축적하는 데 사용되며, 이 전하가 소실될 때 신경 자극의 전달을 가능하게 한다. 따라서 나트륨은 식이 무기 거대 미네랄로 분류된다.
마그네슘은 인체에서 질량 기준으로 11번째로 풍부한 원소이다. 마그네슘 이온은 모든 살아있는 세포에 필수적이며, ATP, DNA, RNA와 같은 중요한 생물학적 폴리인산염 화합물을 조작하는 데 중요한 역할을 한다. 따라서 수백 개의 효소가 기능하기 위해 마그네슘 이온을 필요로 한다. 마그네슘은 또한 엽록소의 중심에 있는 금속 이온이며, 따라서 비료에 흔히 첨가된다.[11] 마그네슘 화합물은 일반적인 완하제, 제산제(예: 마그네시아 밀크)로, 비정상적인 신경 흥분 및 혈관 경련의 안정화가 필요한 여러 상황(예: 자간전증 치료)에서 의약품으로 사용된다.
환경에 널리 퍼져 있음에도 불구하고 알루미늄염은 어떤 형태의 생명체에도 사용되지 않는 것으로 알려져 있다. 그 널리 퍼짐에 따라 식물과 동물에게 잘 내성이 있다.[12] 그 보급률 때문에 알루미늄 화합물의 잠재적인 유익한(또는 다른) 생물학적 역할은 계속적인 관심사이다.
규소는 생물학에 필수적인 원소이지만 동물에게는 아주 미미한 양만 필요한 것으로 보인다.[13] 다양한 바다 해면은 구조를 갖기 위해 규소를 필요로 한다. 식물, 특히 많은 풀의 신진대사에 훨씬 더 중요하며, 규산 (실리카의 일종)은 미세한 돌말류의 놀라운 보호 껍질 배열의 기초를 형성한다.
인은 생명에 필수적이다. 인산염으로서 DNA, RNA, ATP의 구성 요소이며, 모든 세포막을 형성하는 인지질의 구성 요소이기도 하다. 인과 생명 사이의 연관성을 보여주듯이, 원소 인은 역사적으로 처음 인간의 소변에서 분리되었고, 뼈 재는 중요한 초기 인산염 공급원이었다. 인산염 광물은 화석이다. 낮은 인산염 수치는 일부 수생 시스템에서 성장의 중요한 제한 요소이다. 오늘날 인 기반 화학 물질의 가장 중요한 상업적 용도는 식물이 토양에서 제거하는 인을 대체하기 위한 비료 생산이다.
황은 모든 생명체에 필수적인 원소이며, 생화학적 과정에 널리 사용된다. 대사 반응에서 황 화합물은 단순 유기체의 연료 및 호흡(산소 대체) 물질 역할을 한다. 유기 형태의 황은 비타민 바이오틴과 티아민에 존재하며, 후자는 황에 대한 그리스어에서 이름을 따왔다. 황은 많은 효소와 글루타티온 및 티오레독신과 같은 항산화 분자의 중요한 부분이다. 유기적으로 결합된 황은 아미노산인 시스테인과 메티오닌으로서 모든 단백질의 구성 요소이다. 이황화물 결합은 외부 피부, 머리카락, 깃털에서 발견되는 단백질 케라틴의 기계적 강도와 불용성에 크게 기여하며, 이 원소는 연소 시 특유의 강한 냄새를 유발한다.
원소 염소는 모든 생명체에 극도로 위험하고 독성이 있으며, 화학전에서 폐기제로 사용된다. 그러나 염소는 염화 이온 형태로 인간을 포함한 대부분의 생명체에 필요하다.
아르곤은 생물학적 역할이 없다. 산소를 제외한 다른 기체와 마찬가지로 아르곤은 질식제이다.
각주
[편집]- ↑ Period 3 Element 보관됨 2012-07-29 - 웨이백 머신 from Scienceaid.co.uk
- ↑ Railsback, L. Bruce. “Abundance and form of the most abundant elements in Earth's continental crust” (PDF). 《Some Fundamentals of Mineralogy and Geochemistry》. 2011년 9월 27일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서. 2008년 2월 15일에 확인함.
- ↑ Housecroft, C. E.; Sharpe, A. G. (2008), 《Inorganic Chemistry》 3판, Prentice Hall, 305–306쪽, ISBN 978-0-13-175553-6
- ↑ Ash, Russell (2005). 《The Top 10 of Everything 2006: The Ultimate Book of Lists》. Dk Pub. ISBN 0-7566-1321-3. 2010년 2월 10일에 원본 문서에서 보존된 문서.
- ↑ Anthoni, J Floor (2006). “The chemical composition of seawater”.
- ↑ Huheey JE, Keiter EA & Keiter RL 1993, Principles of Structure & Reactivity, 4th ed., HarperCollins College Publishers, ISBN 0-06-042995-X, p. 28
- ↑ Shakhashiri, Bassam Z. “Chemical of the Week: Aluminum”. Science is Fun. 2007년 9월 6일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2007년 8월 28일에 확인함.
- ↑ Nave, R. Abundances of the Elements in the Earth's Crust, Georgia State University
- ↑ Herbert Diskowski, Thomas Hofmann "Phosphorus" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 2005, Wiley-VCH, Weinheim. doi:10.1002/14356007.a19_505
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- ↑ “Magnesium in health”.
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