비활성 기체(Noble gas, 역사적으로 불활성 기체, 때로는 에어로젠(aerogens)으로 불리기도 한다[1])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, 165K (−108°C)보다 낮다.[2]
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 불안정한인공 원소이며, 2020년 기준으로 단 5개의 매우 짧은 수명(t1/2 = 0.69 ms)을 가진 원자만이 합성되었기 때문에 그 화학적 특성은 아직 불확실하다.[3]국제 순수·응용 화학 연합(IUPAC)은 "비활성 기체"라는 용어를 "18족"과 같은 말로 사용하며 오가네손을 포함한다.[4] 그러나 상대론적 효과로 인해 오가네손은 표준 조건에서 고체이며, "비활성"이라고 부를 수 없을 정도로 반응성이 높을 것으로 예측된다.[3]
Remove ads
역사
요약
관점
비활성 기체는 독일어 명사 Edelgas에서 번역된 것으로, 1900년 후고 에르트만이[5] 극히 낮은 반응성을 나타내기 위해 처음 사용했다. 이 이름은 반응성이 낮은 "귀금속"이라는 용어와 유사성을 가진다. 비활성 기체는 이전에 불활성 기체라고도 불렸지만, 현재 많은 비활성 기체 화합물이 알려져 있어 이 용어는 더 이상 사용되지 않는다.[6] 희귀 기체(Rare gases)라는 용어도 사용되었지만[7], 이것 역시 부정확하다. 아르곤은 방사성 칼륨-40의 붕괴로 인해 지구의 대기의 상당 부분(부피로 0.94%, 질량으로 1.3%)을 차지하기 때문이다.[8]
피에르 장센과 조지프 노먼 로키어는 1868년 8월 18일 태양의 채층을 관찰하다가 새로운 원소를 발견하고, 태양을 뜻하는 그리스어 ἥλιος (hḗlios)에서 따와 헬륨이라고 명명했다.[9] 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.[10] 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.[10] 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.[11]
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,[12] 라듐 에마나티온(radium emanation)으로 명명되었지만 1904년에 그 특성이 다른 비활성 기체와 유사하다는 것이 밝혀질 때까지는 비활성 기체로 간주되지 않았다.[13] 레일리와 램지는 비활성 기체 발견으로 각각 1904년 노벨상 물리학상과 화학상을 수상했다.[14][15] 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.[15]
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.[13] 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.[16]
1962년 닐 바틀릿은 최초의 비활성 기체 화합물인 제논 육플루오린화 백금을 발견했다.[17] 다른 비활성 기체 화합물도 곧 발견되었다. 1962년에는 라돈의 경우 이플루오린화 라돈 (RnF 2)이[18] 방사성 추적자 기술로 확인되었고 1963년에는 크립톤의 경우 이불화 크립톤 (KrF 2)이 발견되었다.[19] 아르곤의 첫 번째 안정적인 화합물은 2000년에 아르곤 플루오로하이드라이드 (HArF)가 40K (−233.2°C; −387.7°F)의 온도에서 형성되면서 보고되었다.[20]
비활성 기체는 약한 원자간 힘을 가지며, 그 결과 매우 낮은 녹는점과 끓는점을 가진다. 이들은 모두 표준 조건에서 단원자기체이며, 많은 일반적인 고체 원소보다 큰 원자 질량을 가진 원소도 포함된다.[13]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.[29] (양자역학으로 설명되는 효과로, 그 영점 에너지가 너무 높아 결빙을 허용하지 않는다)[30] 헬륨을 고체로 만들기 위해서는 0.95K (−272.200°C; −457.960°F)의 온도에서 25 standard atmosphere (2,500kPa; 370psi)의 압력을 가해야 하며[29]실온에서는 약 113,500atm (11,500,000kPa; 1,668,000psi)의 압력이 필요하다.[31] 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.[13] 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.
이 그래프는 이온화 에너지 대 원자 번호를 나타낸다. 비활성 기체는 각 주기에 대해 가장 큰 이온화 에너지를 가지지만, 7주기는 오가네손(Z = 118)의 예측된 첫 번째 이온화 에너지가 원소 110~112번보다 낮기 때문에 이러한 경향을 벗어날 것으로 예상된다.
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.[23] 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.[17] 비활성 기체는 전자를 받아들여 안정적인 음이온을 형성할 수 없다. 즉, 전자 친화도가 음수이다.[32]
비활성 기체의 거시적인물리적 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.[23]
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.[33] 비활성 기체는 단원자이며 원자가 구형이므로 원자 간의 상호작용이 방향에 무관하거나 등방성이라는 점에서 이러한 상호작용에 대한 이론적 분석이 가능해졌다.
Remove ads
화학적 특성
요약
관점
네온은 모든 비활성 기체와 마찬가지로 완전한 원자가 껍질을 가진다. 헬륨의 경우를 제외하고 비활성 기체는 가장 바깥 껍질에 8개의 전자를 가진다.
비활성 기체는 표준 조건에서 무색, 무취, 무미, 불연성이다.[34] 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.[13]
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.[35] 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 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3인 반면, 비활성 기체 표기법은 [Ne] 3s2 3p3이다. 이 더 간결한 표기법은 원소를 식별하기 쉽게 하며, 원자 궤도의 전체 표기법을 쓰는 것보다 짧다.[36]
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.[37][38][39] 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.[40]
1933년 라이너스 폴링은 더 무거운 비활성 기체가 플루오린 및 산소와 화합물을 형성할 수 있다고 예측했다. 그는 육플루오린화 크립톤 (KrF 6)과 육플루오린화 제논 (XeF 6)의 존재를 예측했으며, 팔플루오린화 제논 (XeF 8)이 불안정한 화합물로 존재할 수 있다고 추측했고 제논산이 퍼제네이트 염을 형성할 수 있다고 제안했다.[41][42] 이 예측은 일반적으로 정확한 것으로 판명되었지만, XeF 8은 현재 열역학적으로도 운동학적으로도 불안정한 것으로 여겨진다.[43]
제논 화합물은 형성된 비활성 기체 화합물 중에서 가장 수가 많다.[44] 대부분은 이플루오린화 제논 (XeF 2), 사플루오린화 제논 (XeF 4), 육플루오린화 제논 (XeF 6), 사산화 제논 (XeO 4), 과제논산 나트륨 (Na 4XeO 6)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.
Xe + F2 → XeF2
Xe + 2F2 → XeF4
Xe + 3F2 → XeF6
이러한 화합물 중 일부는 화학 합성에서 산화제로 사용된다. 특히 XeF 2는 시판되며 플루오린화제로 사용할 수 있다.[45] 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.[40][46] 붕소, 수소, 브로민, 아이오딘, 베릴륨, 황, 티타늄, 구리, 은과 결합한 제논 화합물도 관찰되었지만, 극저온의 비활성 기체 매트릭스 또는 초음속 비활성 기체 제트에서만 관찰되었다.[40]
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.[47] 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.[48][49][50]
크립톤은 제논보다 반응성이 낮지만, +2 산화수를 가진 크립톤 화합물 여러 개가 보고되었다.[40]이불화 크립톤은 가장 눈에 띄고 쉽게 특성화될 수 있는 화합물이다. 극한 조건에서 크립톤은 플루오린과 반응하여 다음 방정식에 따라 KrF2를 형성한다.
Kr + F2 → KrF2
크립톤이 질소 및 산소와 단일 결합을 형성하는 화합물도 특성화되었지만,[51] 각각 −60°C (213K) 및 −90°C (183K) 이하에서만 안정하다.[40]
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.[40] 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.[40] 2007년 기준으로, 공유 결합된 헬륨 또는 네온을 포함하는 안정적인 중성 분자는 알려져 있지 않다.[40]
주기적 경향으로부터의 외삽법은 오가네손이 비활성 기체 중 가장 반응성이 높을 것으로 예측한다. 그러나 더 정교한 이론적 처리는 그러한 외삽법이 시사하는 것보다 더 큰 반응성을 나타내어 "비활성 기체"라는 설명자의 적용 가능성이 의문시된다.[52] 오가네손은 14족의 규소 또는 주석과 유사할 것으로 예상된다.[53] 일반적인 +4가 있고 덜 일반적인 +2 상태를 가지는 반응성 원소이며,[54][55] 실온 및 압력에서 기체가 아니라 고체 반도체이다. 이러한 예측을 검증하기 위해서는 경험적/실험적 시험이 필요하다.[24][56] (반면에 14족에 속함에도 불구하고 플레로븀은 비정상적으로 휘발성이 높을 것으로 예측되는데, 이는 비활성 기체와 유사한 특성을 시사한다.)[57][58]
헬륨을 포함한 비활성 기체는 기체상에서 안정적인 분자 이온을 형성할 수 있다. 가장 간단한 것은 1925년에 발견된 헬륨 수소화물 분자 이온, HeH+이다.[59] 이온은 우주에서 가장 풍부한 두 원소인 수소와 헬륨으로 구성되어 있기 때문에 성간매질에서 자연적으로 발생할 것으로 믿어졌으며, 2019년 4월에 SOFIA 망원경을 사용하여 마침내 감지되었다. 이러한 이온 외에도 비활성 기체의 많은 중성 엑사이머가 알려져 있다. 이들은 Ar2, Kr2, Xe2와 같이 들뜬 전자 상태에서만 안정적인 화합물이며, 일부는 엑시머 레이저에 적용된다.
비활성 기체 원자가 공유 결합에 참여하는 화합물 외에도 비활성 기체는 비공유 결합 화합물도 형성한다. 1949년에 처음 기술된[60]클레이트레이트는 특정 유기 및 무기 물질의 결정 격자 공동 내에 갇힌 비활성 기체 원자로 구성된다. 이들의 형성을 위한 필수 조건은 손님(비활성 기체) 원자가 숙주 결정 격자의 공동에 들어갈 적절한 크기여야 한다는 것이다. 예를 들어, 아르곤, 크립톤, 제논은 하이드로퀴논과 함께 클레이트레이트를 형성하지만, 헬륨과 네온은 너무 작거나 편극률이 불충분하여 유지되지 못한다.[61] 네온, 아르곤, 크립톤, 제논은 또한 비활성 기체가 얼음 속에 갇힌 클레이트레이트 수화물을 형성한다.[62]
비활성 기체 원자를 포함하는 엔도헤드럴 풀러렌 화합물
비활성 기체는 엔도헤드럴 풀러렌 화합물을 형성할 수 있으며, 이 화합물에서는 비활성 기체 원자가 풀러렌 분자 내부에 갇혀 있다. 1993년에 60개의 탄소 원자로 구성된 구형 분자인 C 60이 고압에서 비활성 기체에 노출될 때, He@C 60과 같은 복합체가 형성될 수 있다는 사실이 발견되었다(@ 표기법은 He이 C 60 내부에 포함되어 있지만 공유 결합되어 있지는 않음을 나타낸다).[63] 2008년 기준 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논을 포함하는 엔도헤드럴 복합체가 생성되었다.[64] 이러한 화합물은 비활성 기체 원자의 핵자기 공명을 통해 풀러렌의 구조와 반응성을 연구하는 데 사용된다.[65]
3중심 4전자 결합 모델에 따른 XeF 2의 결합
이플루오린화 제논 (XeF 2)과 같은 비활성 기체 화합물은 옥텟 규칙을 위반하므로 초원자가로 간주된다. 이러한 화합물의 결합은 3중심 4전자 결합 모델을 사용하여 설명할 수 있다.[66][67] 1951년에 처음 제안된 이 모델은 세 개의 선형 원자의 결합을 고려한다. 예를 들어, XeF 2의 결합은 각 원자의 p-오비탈에서 파생된 세 개의 분자 궤도 (MO) 세트로 설명된다. 결합은 Xe의 채워진 p-오비탈과 각 F 원자의 반쯤 채워진 p-오비탈의 조합으로 인해 발생하며, 이는 채워진 결합 오비탈, 채워진 비결합 오비탈, 빈 반결합 오비탈을 만든다. 최고 점유 분자 궤도는 두 개의 말단 원자에 국한된다. 이는 플루오린의 높은 전기 음성도에 의해 촉진되는 전하의 국소화를 나타낸다.[68]
무거운 비활성 기체인 크립톤과 제논의 화학은 잘 확립되어 있다. 가벼운 아르곤과 헬륨의 화학은 아직 초기 단계이며, 네온 화합물은 아직 확인되지 않았다.
Remove ads
존재
요약
관점
우주에 존재하는 비활성 기체의 양은 원자 번호가 증가할수록 감소한다. 헬륨은 수소 다음으로 우주에서 두 번째로 흔한 원소이며, 질량 분율이 약 24%에 달한다. 우주의 헬륨 대부분은 대폭발 핵합성 과정에서 형성되었지만, 항성 핵합성 과정에서 수소의 핵융합(및 아주 미미하게는 무거운 원소의 알파 붕괴)으로 헬륨의 양은 꾸준히 증가하고 있다.[69][70]
지구에서 차지하는 정도는 이와는 다른 경향을 따른다. 예를 들어 헬륨은 대기 중 세 번째로 많은 비활성 기체일 뿐이다. 그 이유는 대기 중에 원시 헬륨이 없기 때문이다. 원자의 질량이 작기 때문에 헬륨은 지구의 중력장에 잡혀 유지될 수 없다.[71] 지구의 헬륨은 지구의 지각에 있는 우라늄과 토륨과 같은 무거운 원소의 알파 붕괴에서 비롯되며, 천연가스 퇴적물에 축적되는 경향이 있다.[71] 반면에 아르곤의 분율은 지구의 지각에 있는 칼륨-40의 베타 붕괴로 인해 증가하여 아르곤-40을 형성하는데, 이는 태양계에서는 상대적으로 드물지만 지구에서는 가장 풍부한 아르곤 동위 원소이다. 이 과정은 칼륨-아르곤 연대 측정 방법의 기초이다.[72]
제논은 대기 중에서 예상외로 낮은 비율을 보이는데, 이를 "실종된 제논 문제"라고 부른다. 한 이론은 실종된 제논이 지구의 지각 내부의 광물에 갇혀 있을 수 있다는 것이다.[73][74] 라돈은 암석권에서 발생하는 라듐의 알파 붕괴 현상으로 형성된다. 이는 건물 기초의 균열을 통해 건물로 스며들어 환기가 잘 되지 않는 곳에 축적될 수 있다. 높은 방사능 때문에 라돈은 상당한 건강 위험을 초래하며, 미국에서만 매년 21,000명의 폐암 사망의 원인으로 지목된다.[75] 오가네손은 자연에서 발생하지 않으며, 과학자들이 인위적으로 합성해 생성한다.
대규모 사용을 위한 헬륨은 최대 7%의 헬륨을 함유할 수 있는 천연가스에서 분별 증류를 통해 추출되어 사용된다.[80]
Remove ads
추출
네온, 아르곤, 크립톤, 제논은 기체의 액화를 통해 원소를 액체 상태로 만들고, 분별 증류를 통해 혼합물을 구성 성분으로 분리하는 방법으로 공기에서 추출된다. 헬륨은 일반적으로 천연가스에서 분리하여 생산되며, 라돈은 라듐 화합물의 방사성 붕괴에서 분리된다.[13] 비활성 기체의 가격은 자연상 존재 비율에 영향을 받아 아르곤이 가장 저렴하고 제논이 가장 비싸다. 예를 들어, 옆 표는 2004년 미국에서 각 기체의 실험실용 가격을 나열한다.
비활성 기체는 끓는점과 녹는점이 매우 낮아 극저온냉매로 유용하게 사용된다.[82] 특히 액체 헬륨은 4.2K (−268.95°C; −452.11°F)에서 끓으며, 핵자기 공명 영상 및 핵자기 공명에 필요한 초전도 전자석 등에 사용된다.[83] 액체 네온은 액체 헬륨만큼 낮은 온도에는 도달하지 못하지만, 액체 헬륨보다 40배 이상, 액체 수소보다 3배 이상 냉각 능력이 뛰어나 극저온 분야에 활용된다.[78]
헬륨은 호흡 가스의 구성 요소로 질소를 대체하는 데 사용되는데, 이는 액체, 특히 지질에서의 용해도가 낮기 때문이다. 스쿠버 다이빙과 같이 압력을 받을 때 혈액과 신체 조직에 가스가 흡수되면 질소 마취로 알려진 마취 효과가 발생한다.[84] 헬륨의 용해도가 감소하기 때문에 세포막으로 흡수되는 헬륨의 양이 적고, 헬륨이 트라이믹스 또는 헬리오스와 같은 호흡 혼합물의 일부를 대체하는 데 사용될 때 깊이에서의 가스 마취 효과가 감소한다.[85] 헬륨의 감소된 용해도는 감압병 또는 벤즈(bends)로 알려진 상태에 추가적인 이점을 제공한다.[13][86] 체내에 용해된 가스의 양이 감소하면 상승 시 압력 감소 동안 형성되는 가스 거품이 줄어든다. 또 다른 비활성 기체인 아르곤은 스쿠버 다이빙용 드라이슈트 팽창 가스로 사용하기에 가장 좋은 옵션으로 간주된다.[87] 또한 헬륨은 원자로의 핵연료봉에 충전 가스로 사용된다.[88]
많은 응용 분야에서 비활성 기체는 화학 반응이 일어나지 않는 환경을 만드는 데 사용된다. 아르곤은 질소에 민감한 공기 민감 화합물의 합성에 사용된다. 또한 고체 아르곤은 매우 낮은 온도에서 불활성 매트릭스에 가두어 반응성 중간체와 같은 매우 불안정한 화합물을 연구하는 데 사용된다.[91] 헬륨은 기체 크로마토그래피의 운반 매질, 온도계의 충전 가스, 가이거 계수기와 거품 상자와 같은 방사선 측정 장치에도 사용된다.[79] 헬륨과 아르곤은 모두 용접 및 절단 중 용접 아크와 주변 모재를 대기로부터 차폐하는 데 일반적으로 사용되며, 다른 야금 공정과 반도체 산업용 규소 생산에도 사용된다.[78]
비활성 기체는 화학 반응이 거의 없기 때문에 일반적으로 조명에 사용된다. 질소와 혼합된 아르곤은 백열등의 충전 기체로 사용된다.[78] 크립톤은 필라멘트의 증발 속도를 아르곤보다 더 줄여주기 때문에 더 높은 색온도와 더 큰 효율성을 가진 고성능 전구에 사용된다. 특히 할로젠 램프는 소량의 아이오딘 또는 브로민 화합물과 혼합된 크립톤을 사용한다.[78] 비활성 기체는 "네온등"과 같은 가스방전등 내에서 사용될 때 독특한 색상으로 빛난다. 이 조명은 네온의 이름을 따서 명명되었지만, 종종 다른 가스와 인광 물질을 포함하여 네온의 주황-빨간색에 다양한 색조를 더한다. 제논은 제논 호등에 일반적으로 사용되며, 이들은 낮과 유사한 거의 연속 스펙트럼 때문에 영화 영사기에 응용된다.[78]
비활성 기체는 단수명의 전자적으로 들뜬 분자인 엑사이머를 기반으로 하는 엑시머 레이저에 사용된다. 레이저에 사용되는 엑사이머는 Ar2, Kr2, Xe2와 같은 비활성 기체 이합체일 수도 있고, 더 흔하게는 ArF, KrF, XeF 또는 XeCl과 같은 엑사이머에서 비활성 기체가 할로젠과 결합한다. 이러한 레이저는 자외선을 생성하며, 짧은 파장 (ArF의 경우 193 nm, KrF의 경우 248 nm) 덕분에 고정밀 이미징이 가능하다. 엑시머 레이저는 많은 산업, 의료 및 과학 응용 분야를 가진다. 이들은 집적 회로 제조에 필수적인 미세 리소그래피 및 미세 제작과 레이저 혈관성형술 및 눈 수술을 포함한 레이저 수술에 사용된다.[92]
일부 비활성 기체는 의학 분야에 직접 적용된다. 헬륨은 때때로 천식 환자의 호흡을 개선하는 데 사용된다.[78] 제논은 지질에 대한 높은 용해도 때문에 마취제로 사용되는데, 이는 일반적인 아산화 질소보다 더 강력하며, 몸에서 쉽게 배출되어 더 빠른 회복을 가능하게 한다.[93] 제논은 과분극 MRI를 통한 폐의 의료 영상에 응용된다.[94] 방사능이 높고 극미량만 얻을 수 있는 라돈은 방사선 치료에 사용된다.[13]
비활성 기체, 특히 제논은 비활성 특성 때문에 주로 이온 엔진에 사용된다. 이온 엔진은 화학 반응으로 구동되지 않으므로, 연료와 엔진의 다른 부분 간의 원치 않는 반응을 방지하기 위해 화학적으로 비활성인 연료가 필요하다.
오가네손은 너무 불안정하여 다루기 어렵고, 연구 외에 알려진 응용 분야가 없다.
지구과학 응용 분야의 비활성 기체
비활성 기체의 상대적인 동위 원소 존재 비율은 지구과학에서 중요한 지구화학적 추적 도구로 사용된다.[95][96] 이는 지구의 탈기 이력과 주변 환경(예: 대기 조성[97])에 미치는 영향을 밝혀낼 수 있다. 불활성 특성과 낮은 비율 때문에 비활성 기체 농도와 동위 원소 비율의 변화는 다양한 지질학적 환경에서 현재의 특징에 영향을 미치는 과정을 규명하고 정량화하는 데 사용할 수 있다.[96][98]
헬륨
헬륨은 두 가지 풍부한 동위 원소를 가지고 있다. 헬륨-3은 원시 원소로, 지구 핵과 맨틀에 풍부하게 존재하며 헬륨-4는 지구의 지각에 풍부한 방사성 동위 원소 (232Th, 235,238U)의 붕괴에서 비롯된다. 헬륨의 동위 원소 비율은 공기 측정값(3He/4He = 1.39*10−6)에 대한 상대값인 RA 값으로 나타낸다.[99] 지구의 지각에서 유래한 휘발성 물질은 0.02-0.05 RA 값을 가지며, 이는 헬륨-4의 농축을 나타낸다.[100]대륙 리토스피어 맨틀 (SCLM)과 같은 더 깊은 곳에서 유래한 휘발성 물질은 6.1± 0.9 RA 값을 가지며[101] 중앙 해령 현무암 (MORB)은 더 높은 값 (8 ± 1 RA)을 나타낸다. 맨틀 플룸 샘플은 8 RA보다 더 높은 값을 가진다.[101][102] 수정되지 않은 원시 특징을 나타내는 태양풍은 약 330 RA를 가진다고 보고되었다.[103]
네온
네온은 세 가지 주요 안정 동위 원소(20Ne, 21Ne, 22Ne)를 가지며, 20Ne은 우주 핵생성 반응에 의해 생성되어 대기 중에 풍부하게 존재한다.[98][104]21Ne과 22Ne은 알파 및 중성자 입자가 가벼운 원소(18O, 19F 및 24,25Mg)와 상호작용한 결과로 지구의 지각에서 생성된다.[105] 네온 비율(20Ne/22Ne 및 21Ne/22Ne)은 지구 맨틀과 휘발성 원천의 이질성을 구별하는 데 체계적으로 사용된다. 헬륨 동위 원소 데이터와 함께 네온 동위 원소 데이터는 지구 체계의 열적 진화에 대한 연구를 추가로 제공한다.[106]
아르곤에는 세 가지 안정 동위 원소인 36Ar, 38Ar, 40Ar이 있다. 36Ar과 38Ar은 원시 동위 원소이며, 지구 지각에서의 존재량은 천수와 지각 유체의 평형에 따라 달라진다.[98] 이것이 대기 중에 36Ar이 엄청나게 많이 존재하는 이유를 설명한다. 이 두 동위 원소(36Ar과 38Ar)의 생산은 지구 지각 내에서는 미미하며, 235,238U 및 232Th의 붕괴에서 나오는 알파 입자와 가벼운 원소(37Cl 및 41K)의 상호작용을 통해서만 제한된 농도의 38Ar이 생산될 수 있다. 반면에 36Ar은 36Cl의 베타 붕괴를 통해 지속적으로 생성된다.[104][112]40Ar은 40K의 방사성 붕괴 산물이다. 40Ar/36Ar에 대한 다양한 종단점 값이 보고되었다. 공기 = 295.5,[113] MORB = 40,000,[113] 지각 = 3000이다.[98]
크립톤
크립톤에는 여러 동위 원소가 있으며, 78, 80, 82Kr은 원시 동위 원소인 반면, 83,84, 86Kr은 244Pu의 자발 핵분열과 238U의 방사성 붕괴에서 비롯된다.[95][98] 맨틀 저장소의 크립톤 동위 원소 지구화학적 특징은 현대 대기와 유사하다. 이는 태양과 유사한 원시적인 특징을 보존한다.[114] 크립톤 동위 원소는 지구 체계로 휘발성 물질이 전달되는 메커니즘을 해독하는 데 사용되었으며, 이는 지구(질소, 산소)의 진화와 생명의 출현에 큰 의미를 가졌다.[115] 이는 주로 콘드라이트 물질, 태양풍, 혜성과 같은 다양한 원천에서 오는 크립톤 동위 원소 특징이 명확하게 구분되기 때문이다.[116][117]
제논은 9가지 동위 원소를 가지며, 대부분은 방사성 붕괴로 생성된다. 크립톤과 제논 비활성 기체는 대기 오염을 피하기 위해 깨끗하고 견고한 지구화학적 샘플링 프로토콜이 필요하다.[118] 또한, 분석 중에 좁은 질량 차이를 가진 많은 동위 원소 사이의 질량 피크 차이를 해결하기 위해서는 정교한 장비가 필요하다.
비활성 기체 측정은 특정 샘플링 프로토콜에 따라 화산 분출구, 온천, 지열정과 같은 원천에서 얻을 수 있다.[122] 고전적인 특정 샘플링 프로토콜은 다음과 같다.
구리 튜브 - 이들은 표준 냉장 구리 튜브로, 직경 3/8인치로 약 10cm³로 잘려 있으며, 휘발성 방출을 샘플링하는 데 사용된다. 뒤집힌 깔때기를 타이곤 튜브를 통해 튜브에 연결하여 한 방향으로만 유입되도록 하고 공기 오염을 방지한다. 충분히 샘플로 플러싱한 후 냉간 용접 또는 핀칭 오프를 통해 끝을 밀봉할 수 있도록 가단성이 있다.
기가바흐 병을 사용한 비활성 기체 샘플링, 깔때기는 온천 위에 놓여 샘플 흐름을 타이곤 튜브를 통해 병으로 집중시킨다. 지구화학자가 테플론 밸브를 사용하여 샘플 주입구의 흐름을 제어하고 있다. 진공 상태의 기가바흐 병 내부에서 일어나는 응축 과정을 주목하라.기가바흐 병 - 기가바흐 병은 테플론 스톱콕이 달린 진공 유리 플라스크로, 가스를 샘플링하고 저장하는 데 사용된다. 샘플링 전에 사전 진공 처리가 필요하며, 비활성 기체는 헤드스페이스에 축적된다.[123] 이 병은 독일 화학자 베르너 F. 기가바흐가 처음 발명하고 배포했다.[124]
비활성 기체 분석
비활성 기체는 수많은 동위 원소와 미묘한 질량 변화를 가지므로 고정밀 검출 시스템이 필요하다. 원래 과학자들은 "피크 점핑 모드" 때문에 시간이 많이 걸리고 감도가 낮은 자기 섹터 질량 분석법을 사용했다.[125][126]다중 컬렉터 질량 분석기 (QMS)와 같은 장비는 동위 원소를 동시에 검출하여 감도와 처리량을 향상시킨다.[126] 분석 전에 비활성 기체의 낮은 존재량 때문에 추출, 정제 시스템을 포함하는 시료 전처리가 필수적이다.[96] 추출은 비활성 기체를 운반체(액체 또는 고체와 같은 주요 상)에서 해방시키고, 정제는 불순물을 제거하고 단위 샘플 부피당 농도를 개선한다.[127] 극저온 트랩은 단계적 온도 상승을 통해 피크 간섭 없이 순차적 분석에 사용된다.[128]
연구실에서는 휴대용 질량 분석기(miniRuedi)와 같은 소형 현장 기반 질량 분석기를 성공적으로 개발했으며, 이 장비는 저렴한 진공 시스템과 사중극자 질량 분석기를 사용하여 1-3%의 분석 불확실성으로 비활성 기체를 분석할 수 있다.[129]
추출 및 정제 (정화) 질량 분석기 라인.
Remove ads
방전 색상
비활성 기체 내 전기 방전의 색상 및 스펙트럼 (아래 줄); 두 번째 줄만 순수 기체를 나타낸다.
