비활성 기체

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# 비활성 기체

비활성 기체(Noble gas, 역사적으로 불활성 기체, 때로는 에어로젠(aerogens)으로 불리기도 한다)는 주기율표의 18족 원소인 헬륨 (He), 네온 (Ne), 아르곤 (Ar), 크립톤 (Kr), Xe (Xe), 라돈 (Rn), 일부 경우 오가네손 (Og)이 속하는 원소 분류이다. 표준 조건에서 이들 중 첫 6개 원소는 무색, 무취의 단원자 기체이며 화학 반응성이 매우 낮고 극저온의 끓는점을 가진다. 오가네손의 특성은 불확실하다.

비활성 기체 원자 간의 분자간 힘은 매우 약한 런던 분산력이므로 이들의 끓는점은 모두 극저온이며, 165 K (−108 °C)보다 낮다.

비활성 기체의 비활성 성질, 즉 다른 화학 물질과 반응하지 않으려는 경향은 전자 배열에서 비롯된다. 이 원소의 원자가 전자의 가장 바깥 껍질은 "가득 차" 있어 화학 반응에 참여하려는 성질이 거의 없다. 알려진 비활성 기체 화합물은 수백 개에 불과하다. 비활성 기체의 반응하지 않는 성질 덕분에 화학 반응이 원치 않을 때 유용하게 사용된다. 예를 들어 아르곤은 용접 시 차폐 가스로 사용되며, 백열등의 충전 기체로도 사용된다. 헬륨은 연식비행선과 풍선의 부력을 제공하는 데 사용된다. 헬륨과 네온은 낮은 끓는점 때문에 냉매로도 사용된다. 라돈을 제외한 산업용 비활성 기체는 기체의 액화와 분별 증류를 이용한 공기 분리를 통해 얻어진다. 또한 헬륨은 천연가스 채굴의 부산물이기도 하다. 라돈은 일반적으로 용해된 라듐, 토륨, 또는 우라늄 화합물의 방사성 붕괴로부터 분리된다.

18족의 일곱 번째 원소인 오가네손은 불안정한 인공 원소이며, 2020년 기준으로 단 5개의 매우 짧은 수명(t1/2 = 0.69 ms)을 가진 원자만이 합성되었기 때문에 그 화학적 특성은 아직 불확실하다. 국제 순수·응용 화학 연합(IUPAC)은 "비활성 기체"라는 용어를 "18족"과 같은 말로 사용하며 오가네손을 포함한다. 그러나 상대론적 효과로 인해 오가네손은 표준 조건에서 고체이며, "비활성"이라고 부를 수 없을 정도로 반응성이 높을 것으로 예측된다.

비활성 기체는 독일어 명사 Edelgas에서 번역된 것으로, 1900년 후고 에르트만이 극히 낮은 반응성을 나타내기 위해 처음 사용했다. 이 영어 이름 noble gas라는 이름은 반응성이 낮은 "귀금속(noble metal)"이라는 용어와 유사성을 가진다. 비활성 기체는 이전에 불활성 기체라고도 불렸지만, 현재 많은 비활성 기체 화합물이 알려져 있어 이 용어는 더 이상 사용되지 않는다. 희귀 기체(Rare gases)라는 용어도 사용되었지만, 이것 역시 부정확하다. 아르곤은 방사성 칼륨-40의 붕괴로 인해 지구의 대기의 상당 부분(부피로 0.94%, 질량으로 1.3%)을 차지하기 때문이다.

피에르 장센과 조지프 노먼 로키어는 1868년 8월 18일 태양의 채층을 관찰하다가 새로운 원소를 발견하고, 태양을 뜻하는 그리스어 ἥλιος (hḗlios)에서 따와 헬륨이라고 명명했다. 당시에는 화학 분석이 불가능했지만, 헬륨은 나중에 비활성 기체임이 밝혀졌다. 그보다 앞서 1784년에 영국의 화학자이자 물리학자 헨리 캐번디시는 공기 중에 질소보다 반응성이 낮은 물질이 소량 포함되어 있음을 발견했다. 한 세기 후인 1895년, 레일리 경은 공기 중의 질소 샘플이 화학 반응으로 얻은 질소와 다른 밀도를 가짐을 발견했다. 유니버시티 칼리지 런던의 스코틀랜드 과학자 윌리엄 램지와 함께 레일리 경은 공기에서 추출한 질소가 다른 기체와 혼합되어 있다고 이론화했고, 이는 그리스어 ἀργός (argós, "게으른" 또는 "느린")에서 유래한 새로운 원소인 아르곤을 성공적으로 분리하는 실험으로 이어졌다. 이 발견으로 그들은 주기율표에 통째로 빠져 있던 기체 계열이 있음을 깨달았다. 아르곤을 찾는 동안 램지는 또한 광물인 클레베이트를 가열하여 처음으로 헬륨을 분리하는 데 성공했다. 1902년, 헬륨과 아르곤 원소에 대한 증거를 받아들인 드미트리 멘델레예프는 이 비활성 기체를 원소 배열에 0족으로 포함시켰고, 이는 나중에 주기율표가 되었다.

램지는 액화 공기를 여러 성분으로 분리하는 분별 증류 방법을 사용하여 이 기체를 계속 찾았다. 1898년, 그는 크립톤, 네온, 제논 원소를 발견하고 각각 그리스어 κρυπτός (kryptós, "숨겨진"), νέος (néos, "새로운"), ξένος (ksénos, "낯선 사람")에서 이름을 따왔다. 라돈은 1898년 프리드리히 에른스트 도른이 처음 확인했으며, 라듐 에마나티온(radium emanation)으로 명명되었지만 1904년에 그 특성이 다른 비활성 기체와 유사하다는 것이 밝혀질 때까지는 비활성 기체로 간주되지 않았다. 레일리와 램지는 비활성 기체 발견으로 각각 1904년 노벨상 물리학상과 화학상을 수상했다. 당시 스웨덴 왕립 과학한림원 회장이었던 J. E. 세데르블롬은 "단 하나의 대표 원소도 확실히 알려지지 않았던 완전히 새로운 원소 계열의 발견은 화학 역사상 전적으로 독특한 일이며, 본질적으로 특별한 의미를 지닌 과학적 진보이다."라고 밝혔다.

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 사이에 반응을 시도했지만 실패했다. 과학자들은 20세기 말까지 아르곤 화합물을 제조하지 못했지만 이러한 시도는 원자 구조에 대한 새로운 이론을 개발하는 데 도움이 되었다. 이 실험에서 얻은 교훈을 바탕으로 덴마크 물리학자 닐스 보어는 1913년에 원자의 전자가 원자핵을 둘러싼 껍질에 배열되어 있으며, 헬륨을 제외한 모든 비활성 기체는 가장 바깥 껍질에 항상 8개의 전자를 가진다고 제안했다. 1916년 길버트 뉴턴 루이스는 옥텟 규칙을 만들었는데, 이는 가장 바깥 껍질에 8개의 전자를 가진 것이 모든 원자에게 가장 안정적인 배열이라는 결론을 내렸다. 이러한 배열은 다른 원소와 반응할 필요가 없게 하여 비활성 성질을 만든다.

1962년 닐 바틀릿은 최초의 비활성 기체 화합물인 제논 육플루오린화 백금을 발견했다. 다른 비활성 기체 화합물도 곧 발견되었다. 1962년에는 라돈의 경우 이플루오린화 라돈 (RnF2)이 방사성 추적자 기술로 확인되었고 1963년에는 크립톤의 경우 이불화 크립톤 (KrF2)이 발견되었다. 아르곤의 첫 번째 안정적인 화합물은 2000년에 아르곤 플루오로하이드라이드 (HArF)가 40 K (−233.2 °C; −387.7 °F)의 온도에서 형성되면서 보고되었다.

2006년 10월, 핵 연구를 위한 통합 연구소와 로렌스 리버모어 국립연구소의 연구진은 칼리포르늄을 칼슘으로 부딪히게 하여 18족의 일곱 번째 원소인 오가네손을 인공적으로 생성하는 데 성공했다.

비활성 기체는 약한 원자간 힘을 가지며, 그 결과 매우 낮은 녹는점과 끓는점을 가진다. 이들은 모두 표준 조건에서 단원자 기체이며, 많은 일반적인 고체 원소보다 큰 원자 질량을 가진 원소도 포함된다. 헬륨은 다른 원소와 비교할 때 몇 가지 독특한 특성을 가진다. 1기압에서의 끓는점이 다른 어떤 알려진 화학 물질보다 낮다. 초유체를 보이는 유일한 원소이며, 대기압에서 냉각만으로 고체화될 수 없는 유일한 원소이다. (양자역학으로 설명되는 효과로, 그 영점 에너지가 너무 높아 결빙을 허용하지 않는다) 헬륨을 고체로 만들기 위해서는 0.95 K (−272.200 °C; −457.960 °F)의 온도에서 25 standard atmosphere (2,500 kPa; 370 psi)의 압력을 가해야 하며 실온에서는 약 113,500 atm (11,500,000 kPa; 1,668,000 psi)의 압력이 필요하다. 제논까지의 비활성 기체는 여러 안정적인 동위 원소를 가진다. 또한 크립톤과 제논은 자연 발생적인 방사성 동위 원소를 가지는데, 78Kr, 124Xe, 136Xe이며, 모두 매우 긴 수명(> 1021년)을 가지며 이중 전자 포획 또는 이중 베타 붕괴를 겪을 수 있다. 라돈은 안정 동위 원소가 없으며, 가장 수명이 긴 동위 원소인 222Rn은 3.8일의 반감기를 가지며 붕괴하여 헬륨과 폴로늄을 형성하고, 궁극적으로 납으로 붕괴한다. 오가네손 역시 안정 동위 원소가 없으며, 유일하게 알려진 동위 원소 294Og 은 매우 짧은 수명(반감기 0.7 ms)을 가진다. 녹는점과 끓는점은 족 아래로 갈수록 증가한다.

비활성 기체 원자는 대부분의 족 원자와 마찬가지로 전자 수가 증가함에 따라 한 주기에서 다음 주기로 갈수록 원자 반지름이 꾸준히 증가한다. 원자의 크기는 여러 특성과 관련이 있다. 예를 들어, 이온화 에너지는 반지름이 증가할수록 감소하는데 이는 더 큰 비활성 기체의 원자가 전자가 원자핵에서 더 멀리 떨어져 있어 원자에 의해 덜 단단히 결합되어 있기 때문이다. 비활성 기체는 각 주기의 원소 중에서 가장 큰 이온화 에너지를 가지며, 이는 전자 배열의 안정성을 반영하고 상대적인 화학 반응성 부족과 관련이 있다. 그러나 일부 무거운 비활성 기체는 다른 원소 및 분자의 이온화 에너지와 비교할 수 있을 정도로 작은 이온화 에너지를 가진다. 제논이 산소 분자와 유사한 이온화 에너지를 가진다는 통찰력 덕분에 바틀릿은 산소와 반응할 정도로 강한 산화제로 알려진 육플루오린화 백금을 사용하여 제논을 산화시키려고 시도했다. 비활성 기체는 전자를 받아들여 안정적인 음이온을 형성할 수 없다. 즉, 전자 친화도가 음수이다.

비활성 기체의 거시적인 물리적 성질은 원자 간의 약한 판데르발스 힘에 따른다. 편극률 증가와 이온화 에너지 감소의 결과로 인력이 원자 크기에 비례하여 증가한다. 이는 체계적인 족 경향을 낳는데, 18족을 따라 내려갈수록 원자 반지름이 증가하고 그에 따라 원자간 힘도 증가하여 녹는점, 끓는점, 기화열, 용해도가 증가한다. 밀도 증가는 원자 질량 증가에 기인한다.

비활성 기체는 표준 조건에서 거의 이상기체이지만, 이상기체 법칙에서의 편차는 분자간 상호작용 연구에 중요한 단서를 제공했다. 분자간 상호작용을 모델링하는 데 자주 사용되는 레너드-존스 퍼텐셜은 양자역학이 제1원리로부터 분자간 힘을 이해할 도구를 제공하기 전에 존 레너드-존스가 아르곤의 실험 데이터로부터 1924년에 유도했다. 비활성 기체는 단원자이며 원자가 구형이므로 원자 간의 상호작용이 방향에 무관하거나 등방성이라는 점에서 이러한 상호작용에 대한 이론적 분석이 가능해졌다.

비활성 기체는 표준 조건에서 무색, 무취, 무미, 불연성이다. 한때 주기율표에서 0족으로 분류되었는데, 이 원소의 원자가가 0이라고 믿었기 때문이다. 즉, 원자가 다른 원소의 원자와 결합하여 화합물을 형성할 수 없다고 보았다. 그러나 나중에 일부는 실제로 화합물을 형성하는 것으로 밝혀져 이 분류는 더 이상 사용되지 않게 되었다.

다른 족과 마찬가지로 이 계열의 원소도 전자 배열에서, 특히 가장 바깥 껍질에서 화학적 행동의 경향을 보이는 패턴을 나타낸다.

비활성 기체는 완전한 원자가 전자 껍질을 가진다. 원자가 전자는 원자의 가장 바깥쪽 전자이며 일반적으로 화학 결합에만 참여하는 전자이다. 완전한 원자가 전자 껍질을 가진 원자는 극도로 안정적이므로 화학 결합을 형성하려는 경향이 없으며 전자를 얻거나 잃으려는 경향이 거의 없다. 그러나 라돈과 같은 무거운 비활성 기체는 헬륨과 같은 가벼운 비활성 기체보다 전자기력에 덜 단단히 결합되어 있어 무거운 비활성 기체에서 외부 전자를 제거하기가 더 쉽다.

완전히 차 있는 껍질 때문에 비활성 기체는 전자 배열 표기법과 함께 사용하여 비활성 기체 표기법을 형성할 수 있다. 이를 위해 해당 원소에 앞서는 가장 가까운 비활성 기체를 먼저 쓰고, 그 지점부터 전자 배열을 계속한다. 예를 들어, 인의 전자 표기법은 2 2s2 2p6 3s2 3p3"}},"i":0}}]}'>1s2 2s2 2p6 3s2 3p3인 반면, 비활성 기체 표기법은 2 3p3"}},"i":0}}]}'>[Ne] 3s2 3p3이다. 이 더 간결한 표기법은 원소를 식별하기 쉽게 하며, 원자 궤도의 전체 표기법을 쓰는 것보다 짧다.

비활성 기체는 구역 경계를 넘나드는데, 헬륨은 s-원소인 반면 나머지 원소는 p-원소이다. 이는 IUPAC 족 중에서는 이례적인 일이다. 다른 모든 IUPAC 족은 각각 하나의 구역에서 온 원소로 구성된다. 이로 인해 주기율표 전반에 걸쳐 경향에서 일부 불일치가 발생하며, 이러한 이유로 일부 화학자는 헬륨이 다른 s2 원소들과 함께 2족으로 이동해야 한다고 제안했다. 그러나 이러한 주장은 일반적으로 채택되지 않았다.

비활성 기체는 극히 낮은 화학 반응성을 보인다. 따라서 수백 개의 비활성 기체 화합물만이 형성되었다. 헬륨과 네온이 화학 결합에 관여하는 중성 화합물은 형성되지 않았다 (일부 헬륨 함유 이온은 존재하며, 소수의 중성 헬륨 함유 화합물에 대한 이론적 증거는 있지만), 반면 제논, 크립톤, 아르곤은 미미한 반응성만을 보였다.

1933년 라이너스 폴링은 더 무거운 비활성 기체가 플루오린 및 산소와 화합물을 형성할 수 있다고 예측했다. 그는 육플루오린화 크립톤 (KrF6)과 육플루오린화 제논 (XeF6)의 존재를 예측했으며, 팔플루오린화 제논 (XeF8)이 불안정한 화합물로 존재할 수 있다고 추측했고 제논산이 퍼제네이트 염을 형성할 수 있다고 제안했다. 이 예측은 일반적으로 정확한 것으로 판명되었지만, XeF8은 현재 열역학적으로도 운동학적으로도 불안정한 것으로 여겨진다.

제논 화합물은 형성된 비활성 기체 화합물 중에서 가장 수가 많다. 대부분은 이플루오린화 제논 (XeF2), 사플루오린화 제논 (XeF4), 육플루오린화 제논 (XeF6), 사산화 제논 (XeO4), 과제논산 나트륨 (Na4XeO6)과 같이 제논 원자가 +2, +4, +6, 또는 +8의 산화수를 가지며 플루오린이나 산소와 같은 높은 전기 음성도 원자와 결합한다. 제논은 플루오린과 반응하여 다음 방정식에 따라 여러 제논 플루오린화물을 형성한다.

이러한 화합물 중 일부는 화학 합성에서 산화제로 사용된다. 특히 XeF2는 시판되며 플루오린화제로 사용할 수 있다. 2007년 기준으로 제논이 다른 원소와 결합한 약 500개의 화합물이 확인되었으며, 여기에는 유기제논 화합물(제논이 탄소와 결합)과 제논이 질소, 염소, 금, 수은, 제논 자체와 결합한 화합물이 포함된다. 붕소, 수소, 브로민, 아이오딘, 베릴륨, 황, 티타늄, 구리, 은과 결합한 제논 화합물도 관찰되었지만, 극저온의 비활성 기체 매트릭스 또는 초음속 비활성 기체 제트에서만 관찰되었다.

라돈은 제논보다 반응성이 높으며, 제논보다 더 쉽게 화학 결합을 형성한다. 그러나 라돈 동위 원소의 높은 방사능과 짧은 반감기 때문에 실제로 형성된 플루오린화물과 산화물은 극히 적다. 라돈은 제논보다 금속 특성을 더 많이 나타내며, 이불화라돈 RnF2는 이온성이 매우 높고 할로젠 플루오린화물 용액에서 양이온 Rn2+가 형성된다. 이러한 이유로, +2 상태를 넘어 라돈을 산화시키는 것은 운동학적 방해로 인해 어렵다. 추적자 실험만이 성공한 것으로 보이며, 아마도 RnF4, RnF6, RnO3를 형성할 수 있다고 추정된다.

크립톤은 제논보다 반응성이 낮지만, +2 산화수를 가진 크립톤 화합물 여러 개가 보고되었다. 이불화 크립톤은 가장 눈에 띄고 쉽게 특성화될 수 있는 화합물이다. 극한 조건에서 크립톤은 플루오린과 반응하여 다음 방정식에 따라 KrF2를 형성한다.

크립톤이 질소 및 산소와 단일 결합을 형성하는 화합물도 특성화되었지만, 각각 −60 °C (213 K) 및 −90 °C (183 K) 이하에서만 안정하다.

다른 비금속(수소, 염소, 탄소) 및 일부 후기 전이 금속(구리, 은, 금)과 화학적으로 결합된 크립톤 원자도 관찰되었지만, 극저온 비활성 기체 매트릭스 또는 초음속 비활성 기체 제트에서만 관찰되었다. 2000년에는 아르곤 플루오로하이드라이드 (HArF)와 같은 최초의 아르곤 화합물과 구리, 은, 금과 같은 후기 전이 금속과 결합한 일부 아르곤 화합물을 얻기 위해 유사한 조건이 사용되었다. 2007년 기준으로, 공유 결합된 헬륨 또는 네온을 포함하는 안정적인 중성 분자는 알려져 있지 않다.

주기적 경향으로부터의 외삽법은