비금속
[ nonmetal ]
금속성이 거의 없는 화학 원소를 통칭하는 비금속(nonmetal)은 녹는점과 끓는점이 상대적으로 낮고, 밀도도 작으며, 전형적으로 고체 상태는 잘 부서지고 열전도도 및 전기전도도가 작다. 화학적으로 비금속은 이온화 에너지가 비교적 크고, 전자 친화도 및 전기음성도도 크며, 다른 원소 또는 화합물과 반응하면 전자를 얻거나 공유한다. 일반적으로 주기율표에서 17개의 원소를 비금속으로 분류하는데, 대부분은 기체(수소, 헬륨, 질소, 산소, 플루오린, 네온, 염소, 아르곤, 크립톤, 제논, 라돈)이고, 액체는 한 종류(브로민), 고체는 5종(탄소, 인, 황, 셀레늄, 아이오딘)이다. 한편, 붕소, 규소, 저마늄과 같은 준금속(metalloid)도 종종 비금속으로 분류되기도 한다.
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주기율표 속의 비금속 분류(노란색의 반응성 있는 비금속과 하늘색의 불활성 원소)()
비금속은 화합물을 형성하는 상대적인 경향성에 따라 다시 반응성 있는 비금속과 불활성 기체로 구분한다. 반응성을 가진 비금속이라도 각각의 비금속성은 다양하여, 탄소와 황은 전기음성도가 작고 비금속성이 크지 않아 금속과 공유 결합성 화합물을 형성한다. 반면에 산소와 플루오린과 같은 반응성 큰 비금속은 전기음성도가 커서 금속과 이온 결합성 화합물을 형성하는 경향성이 짙다. 한편, 불활성 기체는 다른 원소와 화합물을 형성하는 경향이 거의 없다.
금속(metal)과 비금속을 분류한 범주는 명확하지 않고 경계면에서는 준금속이 존재하여 덜 분명하여 혼성적 성질이나 비전형적 성질을 가지는 경향이 있다.
비금속보다 금속의 종류가 5배나 많지만, 수소와 헬륨은 관측 가능한 우주의 99% 이상을 차지한다. 또 다른 비금속인 산소는 지각, 해양, 대기의 거의 절반을 구성한다. 생명체는 대부분 수소, 산소, 탄소, 질소 등 거의 비금속들로 이루어져 있다. 비금속은 금속보다 훨씬 더 많은 화합물을 형성한다.
목차
비금속의 정의와 분류
비금속에 대한 엄격한 정의는 없지만, 광범위하게 금속성이 우세하지 않은 원소를 비금속으로 간주한다.
일반적으로 비금속에 속하는 원소는 1족의 수소, 14족의 탄소, 15족의 질소와 인, 16족의 산소, 황, 셀레늄, 17족의 대부분 원소(플루오린, 염소, 브로민, 아이오딘) 및 18족의 모든 원소(오가네손의 경우는 예외일 수 있음)이다. 한편, 비금속은 반응성이 큰 비금속과 불활성 기체로 다시 구분할 수 있다. 반응성이 큰 비금속으로는 5개의 고체(탄소, 셀레늄, 아이오딘, 황, 인), 한 개의 액체(브로민) 및 5개의 기체(수소, 질소, 산소, 플루오린, 염소)가 있고, 불활성 기체로는 18족 원소인 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논, 라돈이 있다.
주기율표에서 금속과 비금속이 만나는 경계에 있는 원소는 전문가에 따라 서로 다르게 분류하기도 한다. 종종 비금속으로 분류되는 원소로는, 준금속인 붕소, 규소, 저마늄, 비소, 안티모니, 텔루륨, 아스타틴이 있다. 한편, 비금속인 셀레늄은 환경 화학에서 때때로 준금속으로 분류되기도 한다.
비금속의 성질
비금속은 금속보다 성질이 다양한데, 이들 성질은 비금속이 가진 원자가 전자 수에 따라 달라지는 원자간 결합 세기나 분자 구조에 의해 주로 결정된다. 반면에, 금속은 균일한 구조를 갖는 경향이 있으며, 비금속보다 유사한 성질을 나타내기 쉽다.
물리적으로 비금속은 주로 이원자 분자나 단원자 분자로 된 기체로 존재한다. 특정 비금속의 경우에는 실질적인 형태(금속처럼 고체형 또는 조밀하게 쌓인 것이 아니라 아무렇게나 쌓인 형태)를 갖는 것도 있다. 고체 비금속은 겉보기로 준금속(가루 형인 황은 예외임)의 성질을 갖지만, 광택 및 연성과 전성을 가진 금속과는 다르게 대부분 잘 부서진다. 또한 금속보다 밀도 및 열과 전기 전도성이 작을 뿐만 아니라, 녹는점과 끓는점이 매우 낮다.
화학적으로 비금속은 대부분 이온화 에너지가 크고, 전자 친화도(불활성 기체와 질소는 예외)와 전기음성도 값이 크다. 따라서 일반적으로 원소의 이온화 에너지, 전자 친화도, 전기음성도가 클수록 원소의 비금속성이 크다고 볼 수 있다. 수용액에서 비금속은 대개 음이온이나 산화음이온(oxyanion)으로 존재한다. 금속들은 다른 금속과 대부분 합금을 형성하는 데 반해, 비금속은 금속과 결합하여 이온결합성 화합물이나 공유결합성 화합물을 형성한다. 또한 금속 산화물은 거의 염기성인 데 반해, 비금속 산화물은 산성 산화물이다.
비금속의 성질 비교
준금속, 반응성이 큰 비금속, 불활성 기체의 성질을 다음 표에 정리하여 나타내었다. 준금속은 비금속 화학의 관점에서 포함시켰으며, 물리적 성질은 파악하기 쉬운 성질부터 나열하였고, 화학적 성질은 일반적인 것부터 특별한 것 순으로 정리하였다.
물리적 성질 | 준금속 | 반응성이 큰 비금속 | 불활성 기체 |
---|---|---|---|
상태 | 고체 |
고체상: C, P, S, Se, I
액체상: Br 기체상: H, N, O, F, Cl |
기체 |
겉보기 | 금속성 | 금속성, 유색 또는 반투명 | 반투명 |
탄성 | 부서짐 | 고체인 경우 부서짐 | 냉동 상태에서는 유연하고 쉽게 뭉개짐 |
구조 | 조밀 쌓임 또는 다원자형 |
다원자형: C, P, S, Se
이원자형: H, N, O, F, Cl, Br, I |
단원자형 |
배위수 | 12*, 6, 4, 3, 2 | 3, 2, 1 | 0 |
동소체 | 대부분 존재함 | C, P, O, S, Se의 경우 존재함 | 없음 |
전기전도도 | 보통 | 보통~작음 | 작음 |
휘발성 |
B, Si, Ge, Sb, Te의 경우 작음
As, At의 경우 보통 |
C: 작음
P, S, Se, Br, I: 보통 H, N, O, F, Cl: 큼 |
큼 |
전자 구조 | 반도체~전도체 | 준금속성, 반도체, 부도체 | 부도체 |
최외각 s 및 p 전자수 | 3–7 | 1, 4–7 | 2, 8 |
결정 구조 |
마름모계: B, As, Sb
입방정계: Si, Ge, At? 육방정계: Te |
입방정계: P, O, F
육방정계: H, C, N, Se 사방정계: S, Cl, Br, I |
입방정계: Ne, Ar, Kr, Xe, Rn
육방정계: He |
화학적 성질 | 준금속 | 반응성이 큰 금속 | 불활성 기체 |
일반적 성질 | 비금속성부터 초기 금속성 |
• 불활성부터 비금속성
• Rn은 양이온적 거동을 하기도 함 |
|
이온화 에너지 | 작음 | 보통~큼 | 큼~매우 큼 |
전자 친화도 | 작음~큼 | 보통~큼(예외: N의 경우 음수) | 음수 |
전기음성도 | 보통: Si < Ge ≈ B ≈ Sb < Te < As ≈ At | 보통~큼: P < Se ≈ C < S < I < Br < N < Cl < O < F | 보통~ 매우 큼 |
0아 아닌 산화상태 |
• 모든 준금속과 반응성이 큰 비금속은 음의 산화수를 가질 수 있다. 다만 H의 경우 음의 산화 상태는 불안정하다.
• F를 제외한 모든 준금속과 반응성이 큰 비금속은 양의 산화수를 가질 수 있다. 다만 O의 경우는 양의 산화수가 극히 예외이다. • B의 경우 −5 ~ Cl, Br, I, At의 경우 +7 |
• 무거운 불활성 기체의 경우에 한해 양의 산화수를 가질 수 있다.
• Kr, Xe, Rn의 경우 +2 ~ Xe의 경우 +8 |
|
산화력 | 작음 (예외: At는 보통) | 작음~큼 | 없음 |
사슬 경향성(Catenation) | 큼 |
큼: C, P, S, Se
작음: H, N, O, F, Cl, Br, I |
거의 없음 |
금속과의 화합물 | 합금 또는 금속간 화합물 형성 |
주로 공유성 결합: H†, C, N, P, S, Se
주로 이온성 결합: O, F, Cl, Br, I |
단순한 화합물을 형성하지 않음. |
산화물 |
• 고분자 구조
• B, Si, Ge, As, Sb, Te 는 유리를 형성한다. • 양쪽성 또는 약산성을 띠기 쉽다. |
• C, P, S, Se, I 는 하나 이상의 고분자형이 알려져 있다,
• P, S, Se 는 유리를 형성한다. CO2도 40 GPa에서 유리를 형성한다. • 산성 또는 중성(H2O, CO, NO, N2O) |
• XeO2는 고분자이며, 다른 불활성 기체 산화물은 단분자이다.
• 유리를 형성하지 않는다. • 안정한 제논 산화물(XeO3, XeO4) 은 산성이다. |
황산화물 | 대부분 형성 | 몇몇 형성 | 알려진 바 없음 |
동의어
비금속