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1주기 원소
주기율표의 첫 번째 가로줄의 원소 위키백과, 무료 백과사전
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1주기 원소는 주기율표의 첫 번째 행(또는 주기)에 있는 화학 원소이다. 주기율표는 원자 번호가 증가함에 따라 원소의 화학적 거동에서 주기적(반복적) 경향을 보여주기 위해 행으로 배열되어 있다. 화학적 거동이 반복되기 시작하면 새로운 행이 시작되어 유사한 원소가 동일한 수직 열에 배치된다. 1주기는 수소와 헬륨 단 두 개의 원소만 포함하여 표의 다른 어떤 행보다 적은 원소가 있다. 이 상황은 현대 원자 구조 이론으로 설명될 수 있다. 양자역학적 원자 구조 설명에서 이 주기는 1s 궤도의 채움에 해당한다. 1주기 원소는 이중 규칙을 따르며, 원자가 껍질을 채우기 위해 두 개의 전자를 필요로 한다.
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주기적 성질
주기율표의 다른 모든 주기는 최소 8개의 원소를 포함하며, 종종 주기 전체의 주기적 성질을 고려하는 것이 도움이 된다. 그러나 1주기는 단 두 개의 원소만 포함하므로 이 개념은 여기에는 적용되지 않는다.
족의 수직적 경향 측면에서 헬륨은 IUPAC 18족의 선두에 있는 전형적인 비활성 기체로 볼 수 있지만, 아래에서 논의하는 바와 같이 수소의 화학적 특성은 독특하며 어떤 족에도 쉽게 할당되지 않는다.[1]
주기율표에서 1주기 원소의 위치
요약
관점
첫 번째 전자 껍질, n = 1은 하나의 궤도만으로 구성되며, 1주기 원소가 수용할 수 있는 최대 원자가 전자 수는 1s 궤도에 있는 두 개이다. 양자수에 대한 일반 l < n 제약으로 인해 원자가 껍질에는 "p" 또는 다른 종류의 궤도가 없다. 따라서 1주기에는 정확히 두 개의 원소가 있다. 수소와 헬륨 모두 S-구역에 있지만, 다른 s-구역 원소와 유사하게 행동하지 않는다. 이들의 행동은 다른 s-구역 원소와 너무 달라서 이 두 원소를 주기율표 어디에 배치해야 하는지에 대해 상당한 의견 불일치가 있다.
단순히 전자 배열을 따르면, 수소(전자 배열 1s1)와 헬륨(1s2)은 리튬(1s22s1)과 베릴륨(1s22s2) 위에 있는 1족과 2족에 배치되어야 한다.[2] 이러한 배치는 수소의 경우 일반적이지만, 헬륨의 경우 전자 배열을 설명하는 맥락 외에는 거의 사용되지 않는다. 일반적으로 수소는 1족에, 헬륨은 18족에 배치된다. 이것은 IUPAC 주기율표에 있는 배치이다.[3] 이 두 가지 문제에 대해 몇 가지 변형이 발견될 수 있다.[4]
1족 알칼리 금속처럼 수소는 가장 바깥 껍질에 전자 하나를 가지고 있으며[2] 일반적으로 화학 반응에서 유일한 전자를 잃는다.[5] 그것은 일부 금속을 염분에서 대체할 수 있는 금속과 유사한 화학적 특성을 가지고 있다.[5] 그러나 수소는 반응성 고체 금속인 알칼리 금속과는 달리 표준 조건에서 비금속 이원자 기체를 형성한다. 이 특성과 수소가 전자를 얻는 수소화물을 형성하는 것은 같은 작용을 하는 할로젠의 특성과 유사하다[5] (비록 수소가 H+보다 H−를 형성하는 것이 더 드물지만).[6] 게다가 가장 가벼운 두 할로젠(플루오린과 염소)은 표준 조건에서 수소처럼 기체 상태이다.[5] 수소의 일부 특성은 어떤 족에도 잘 맞지 않는다. 수소는 강력한 산화제도 강력한 환원제도 아니며 물과 반응하지 않는다.[6] 따라서 수소는 알칼리 금속과 할로젠의 특성을 모두 가지고 있지만, 어느 족에도 완벽하게 일치하지 않으므로 화학적으로 배치하기 어렵다.[5] 그러므로 수소의 전자적 1족 배치가 지배적이지만, 일부 드문 배치에서는 수소가 17족에 있거나[7] 1족과 17족 모두에 수소를 중복시키거나[8][9] 모든 족과 별도로 부유시키는 경우도 있다.[9][10][4] 그럼에도 불구하고 수소를 "부유"시키는 가능성은 에릭 스체리가 비판했는데, 그는 모든 원소가 그 법칙의 지배를 받아야 할 때 모든 족에서 수소를 빼버리는 것은 주기율로부터 제외되는 것을 시사한다고 지적한다.[11] 몇몇 저자들은 이온화 에너지, 전자 친화도, 전기 음성도의 경향을 근거로 수소에 대해 13족 또는 14족과 같은 더 특이한 배치를 주장하기도 했다.[6]
헬륨은 표준 조건에서 비반응성 비활성 기체이며, 완전히 찬 바깥 껍질을 가지고 있다. 이러한 특성은 18족의 비활성 기체와는 같지만, 2족의 반응성 알칼리 토금속과는 전혀 다르다. 그러므로 헬륨은 거의 보편적으로 18족에 배치되며[3] 그 특성이 가장 잘 일치한다.[4] 그러나 헬륨은 바깥 껍질에 두 개의 전자만 가지고 있는 반면, 다른 비활성 기체는 여덟 개를 가지고 있다. 또한 헬륨은 s-구역 원소인 반면, 다른 모든 비활성 기체는 p-구역 원소이다. 또한 고체 헬륨은 육방 밀집 구조로 결정화되는데, 이는 2족의 베릴륨과 마그네슘과는 일치하지만, 18족의 다른 비활성 기체와는 일치하지 않는다.[12] 이런 면에서 헬륨은 알칼리 토금속과 더 잘 일치한다.[2][4] 그러므로 수소와 헬륨 모두 모든 족 바깥에 떠 있는 표는 드물게 볼 수 있다.[10][4]
헨리 벤트와 같은 일부 화학자는 헬륨이 2족 전자 배치를 채택해야 한다고 주장했다.[13][12][14][15][16] 이러한 할당은 샤를 자네트의 좌단계 주기율표에서도 발견된다. 이에 대한 주장은 종종 각 족의 첫 번째 원소가 다음 원소와 상당히 다르게 행동한다는 첫 번째 행 이상 경향(s >> p > d > f)에 기초하는데, 그 차이는 s-구역(H와 He)에서 가장 크고, p-구역(B에서 Ne)에서는 중간 정도이며, d-와 f-구역에서는 덜 뚜렷하다.[13] 따라서 알칼리 토금속 앞의 첫 s2 원소로서의 헬륨은 첫 비활성 기체로서의 헬륨과는 다른 방식으로 이상한 점으로 두드러진다.[13] 정규화된 이온화 전위와 전자 친화도는 18족보다는 2족에 헬륨이 있을 때 더 나은 경향을 보이며, 헬륨은 네온보다 약간 더 반응성이 있을 것으로 예상된다(이는 비활성 기체의 반응성 일반 경향을 깨뜨리는데, 무거운 비활성 기체가 더 반응성이 높다). 또한 예측된 헬륨 화합물은 이론적으로도 네온 유사체를 가지지 않는 경우가 많지만, 때로는 베릴륨 유사체를 가진다.[17][18][19]
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원소
요약
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수소
수소(H)는 원자 번호 1번인 화학 원소이다. 표준 온도 압력에서 수소는 무색, 무취, 비금속, 무미의 매우 가연성 이원자 기체이며 분자식은 H2이다. 원자 질량 1.00794 amu를 가지며, 수소는 가장 가벼운 원소이다.[20]
수소는 화학 원소 중 가장 풍부하며, 우주 원소 질량의 약 75%를 차지한다.[21] 주계열 항성은 주로 플라스마 상태의 수소로 구성된다. 원소 수소는 지구에서는 비교적 희귀하며, 메탄과 같은 탄화수소에서 산업적으로 생산된다. 그 후 대부분의 원소 수소는 "자체적으로"(즉, 생산 현장에서 로컬로) 사용되며, 가장 큰 시장은 수소화 분해와 같은 화석연료 업그레이드와 주로 비료 시장을 위한 암모니아 생산으로 거의 균등하게 나뉜다. 수소는 전기 분해 과정을 통해 물에서 생산될 수 있지만, 이 과정은 천연가스에서 수소 생성하는 것보다 상업적으로 훨씬 더 비싸다.[22]
수소의 가장 흔한 자연 발생 동위 원소인 양성자는 하나의 양성자를 가지고 있으며 중성자가 없다.[23] 이온성 화합물에서 그것은 양전하를 띠어 순수한 양성자로 구성된 양이온이 되거나, 음전하를 띠어 수소화물로 알려진 음이온이 될 수 있다. 수소는 대부분의 원소와 화합물을 형성할 수 있으며, 물과 대부분의 유기 화합물에 존재한다.[24] 특히 산염기 화학에서 중요한 역할을 하는데, 많은 반응이 용해성 분자들 사이의 양성자 교환을 포함한다.[25] 슈뢰딩거 방정식을 해석적으로 풀 수 있는 유일한 중성 원자로서, 수소 원자의 에너지와 스펙트럼 연구는 양자역학의 발전에 중요한 역할을 했다.[26]
수소와 다양한 금속의 상호작용은 금속공학에서 매우 중요한데, 많은 금속이 수소취성화를 겪을 수 있고,[27] 연료로 사용하기 위한 안전한 저장 방법을 개발하는 데에도 중요하다.[28] 수소는 많은 희토류 원소와 전이 금속으로 구성된 화합물에 고도로 용해되며[29] 결정 및 비정질 금속 모두에 용해될 수 있다.[30] 금속 내 수소 용해도는 금속 결정 격자의 국부적 왜곡이나 불순물에 의해 영향을 받는다.[31]
헬륨
헬륨(He)은 무색, 무취, 무미, 무독성의 비활성 단원자 화학 원소로, 주기율표의 비활성 기체 계열을 이끌고 원자 번호는 2이다.[32] 끓는점과 녹는점은 원소들 중에서 가장 낮으며, 극한 조건에서만 기체로 존재한다.[33]
헬륨은 1868년 프랑스 천문학자 피에르 장센에 의해 발견되었으며, 그는 일식에서 나오는 빛에서 미지의 노란색 스펙트럼 선으로 처음 이 물질을 감지했다.[34] 1903년, 미국 천연가스전에 대규모 헬륨 매장량이 발견되었으며, 미국은 이 가스의 가장 큰 공급국이다.[35] 이 물질은 저온공학,[36] 심해 잠수 시스템,[37] 초전도 전자석 냉각, 헬륨 연대 측정,[38] 풍선 부풀리기,[39] 비행선의 부양력 제공,[40] 그리고 아크 용접과 규소 웨이퍼 성장과 같은 산업용 보호 기체로 사용된다.[41] 소량의 기체를 흡입하면 일시적으로 인간 목소리의 음색과 질이 변한다.[42] 액체 헬륨-4의 두 가지 유체상인 헬륨 I과 헬륨 II의 거동은 특히 양자역학과 초유체 현상을 연구하는 연구자들에게 중요하며,[43] 절대 영도에 가까운 온도가 물질에 미치는 영향을 연구하는 사람들에게도 중요하다. 예를 들어 초전도 현상과 같은 경우이다.[44]
헬륨은 두 번째로 가벼운 원소이며 관측 가능한 우주에서 두 번째로 풍부하다.[45] 대부분의 헬륨은 대폭발 동안 형성되었지만, 새로운 헬륨은 항성에서 수소의 핵융합 결과로 생성되고 있다.[46] 지구에서는 헬륨이 비교적 희귀하며, 일부 방사성 원소의 자연 방사성 붕괴로 생성된다.[47] 방출되는 알파 입자가 헬륨 원자핵으로 구성되기 때문이다. 이 방사성 헬륨은 천연가스와 함께 최대 7%의 부피 농도로 갇혀 있으며,[48] 이로부터 분별 증류라는 저온 분리 과정을 통해 상업적으로 추출된다.[49]
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각주
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