주족 원소

주기율표에서 수소를 제외하고 s-구역에 속하는 1족, 2족 원소들과 p-구역에 속하는 13~18족의 원소들을 주족 원소라 한다. 주족(main group) 원소는 주로 한 가지 또는 두 가지 산화 상태를 가진다. 이들 원소는 지구와 태양계를 포함한 우주에서 가장 풍부하게 존재하는 원소들이며, 대표 원소(representative element)라고 불리기도 한다.

표준주기율표 (출처: )

1족에 속하는 알칼리 금속은 리튬, 소듐, 포타슘, 루비듐, 세슘을 포함하며, 무르고 녹는점과 밀도가 낮은 은빛 금속이다. 이들은 자연계에서 원소 상태로 존재하지 못하고 주로 화합물의 형태로만 존재한다. 같은 주기 원소들 중에서 이온화 에너지가 가장 낮으며, 반응성이 매우 좋아 비금속과 직접 결합하고 수소화물이나 황화물을 쉽게 만드는 특징이 있다.

2M(s) + H₂(g) → 2MH(s) (M=알칼리 금속)

2M(s) + S(s) → M₂S(s)

또한 물과도 격렬히 반응하여 수소 기체와 수산화 알칼리 금속 용액을 생성한다.

2M(s) + 2H₂O(l) → 2MOH(aq) + H₂(g)

리튬을 제외한 나머지 금속들은 산소와 반응하여 과산화물을 생성하기도 한다.

2Na(s) + O₂(g) → Na₂O₂(s)

K(s) + O₂(g) → KO₂(s)

2족 알칼리 토금속에는 베릴륨, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨이 포함되며, 알칼리 금속에 비해 더 단단하고 밀도와 녹는점이 상대적으로 높다. 1족 금속들보다 높지는 않지만 다른 비금속 원소들에 비해 반응성이 좋고, 1차 이온화 에너지도 낮다. 족에서 아래로 갈수록 반응성은 증가하는데, 예를 들어, 베릴륨은 물과 반응하지 않지만 마그네슘은 뜨거운 수증기와 반응하고, 칼슘은 물과 매우 잘 반응한다.

Mg(s) + H₂O(g) → MgO(s) + H₂(g)

Ca(s) + 2H₂O(l) → Ca(OH)₂(aq) + H₂(g)

3족에 속하는 원소들이나 희토류 금속류에 속하는 란타넘족과 악티늄족 원소들도 주족 원소로 분류되는 경우가 있는데, 그 이유는 이들 원소들이 1족이나 2족 원소들과 마찬가지로 주로 한 종류의 산화 상태만을 갖기 때문이다. 악티늄족의 경우는 주족 원소에 포함되기는 어렵다는 의견들도 있지만, 희토류 금속 중 가장 흔히 발견되고 상대적으로 안정한 토륨과 우라늄의 경우는 주족 원소와 마찬가지로 한 종류(토륨: +4)나 두 종류(우라늄: +4, +6)의 산화 상태만을 갖기에 주족 원소와 매우 흡사한 성질을 갖기도 한다.

또한, 12족 원소들은 보통 전이 금속으로 분류되기도 하는데, 이들 중 아연과 카드뮴, 수은 등은 주족 원소들과 비슷한 물리 화학적 특성을 보이기도 하며, 이 때문에 일부 과학자들은 이들을 주족 원소로 분류해야 한다고 주장하기도 한다. 16족인 산소족에는 산소, 황, 셀레늄, 텔루륨, 폴로늄이 포함되며, 족에서 아래로 갈수록 비금속(산소, 황, 셀레늄)에서 준금속(텔루륨), 금속(폴로늄)으로 그 성질이 변화된다.

산소의 경우 주로 이원자 분자(O₂)인 상태로 존재하며 중요한 동소체에는 오존(O₃)이 있다. 특히 산소의 경우 다른 원소로부터 전자를 뺏어오는 산화제로써의 성격이 강하며, 과산화 이온이나 초과산화 이온의 염을 형성하기로 할 때도 있지만, 주로 산소 이온으로 존재하며 금속과 결합한 산화물 형태로 발견된다. 황은 산소보다는 약한 산화제로 작용할 수 있으며, 주로 원소 상태의 황은 S₈로 존재하고 금속과 결합하는 경우는 황 이온으로 존재한다.

17족인 할로젠족에는 플루오린, 염소, 브로민, 아이오딘이 속한다. 이 원소들은 주로 이원자 분자로 존재하는 비금속으로써 원소들 중에서 가장 큰 음의 전자 친화도를 가진다. 또한, 원자 번호가 증가할수록 녹는점과 끓는점이 증가하며, 다른 원소들을 쉽게 산화시켜 강한 발열 반응을 일으킨다.

2H₂O(l) + 2F₂(g) → 4HF(aq) + O₂(g), ΔH = -758.9 KJ

특히 염소는 식수나 수영장 물과 섞여 산화제로 작용하여 살균제로 사용되기도 한다.

Cl₂(g) + H₂O(l) → HCl(aq) + HOCl(aq)

18족인 비활성 기체들은 모두 비금속이며 실온에서는 기체 상태의 단원자 분자로 존재한다. 이온화 에너지는 매우 크며 전자 친화도는 양수값을 가지므로 크립톤이나 제논과 같이 매우 무거운 비활성 기체를 제외하고는 반응성이 거의 없는 것으로 알려져 있다.