비활성 기체

다른 표기 언어 noble gas , 非活性氣體

요약 주기율표의 18족을 이루는 6개의 원소들.

이들 기체는 화학적으로 비활성일 뿐만 아니라 발견 당시 매우 희박하게 존재했기 때문에 희유기체(稀有氣體)라고도 한다. 모든 비활성 기체는 대기 중에 존재한다. 헬륨은 우주 전체 질량의 23％를 이루며, 수소 다음으로 가장 많다. 헬륨과 라돈을 제외한 비활성 기체는 액화공기를 분별증류하여 상업적으로 생산된다. 헬륨은 천연 가스 갱정(坑井)에서 상업적으로 생산되며, 라돈은 용해된 라듐 화합물의 방사성 붕괴생성물에서 얻는다. 헬륨은 수소보다 부력은 작지만 불연성이므로 비행선을 뜨게 하는 데 사용된다. 비활성 기체는 화학반응이 일어나지 않는 환경을 필요로 하는 금속의 제련·절단·용접에 사용된다.

비활성 기체는 다른 물질에 비해서 전자기복사선의 흡수·방출 형태가 훨씬 간단하다. 이러한 흡수·방출로 인해 이들 기체(방사성이 큰 라돈은 제외)는 방전등(放電燈)이나 형광등에 사용된다(→ 조명). 어떤 비활성 기체를 유리관에 저압으로 넣은 후 이 속에 전하를 흐르게 하면 그 기체는 빛을 내게 된다.

네온은 주홍색을, 제논(크세논)은 청색빛을 낸다. 비활성 기체는 녹는점과 끓는점이 매우 낮기 때문에 극저온 연구용 냉매(冷媒)로 사용된다. 헬륨은 유체 내에서 용해도가 낮고 혈액에 녹지 않으며 압력이 감소될 때 기포를 만들지 않으므로, 산소와 혼합하여 잠수부의 고압산소통에 주입한다(→ 잠함병). 제논(크세논)은 값은 비싸나 불연성이며 체내에서 쉽게 제거되므로 마취제로 쓰이고, 라돈은 방사성 요법에 사용된다. 비활성 기체는 다른 원소의 전자를 제거하는 경향이 있는 강한 산화제이고 화합물을 합성하는 데 쓰이는 시약으로 잠재적 가치가 있다.

역사

1785년 영국의 물리학자이자 화학자인 헨리 캐번디시는 공기 중에 질소보다 화학적으로 활성이 적은 물질이 소량 있음을 발견했으며, 1세기 후에 영국 물리학자 레일리 경은 공기에서 질소보다 더 무거운 기체를 분리했고, 1894년 영국의 화학자 윌리엄 램지는 레일리와 공동으로 이 기체가 아르곤임을 밝혔다.

램지는 1895년 클레바이트 광석을 가열해 기체를 얻었는데 1868년 태양 스펙트럼으로부터 이 기체가 헬륨임을 알아냈고, 1898년 액화공기를 분별증류해 크립톤·네온·제논을 모두 발견했다. 라돈은 1900년에 발견되어 1904년에 18족 기체로 분류되었다.

1913년 덴마크의 물리학자 닐스 보어는 원자 내의 전자는 특정 에너지와 용량을 가진 연속적인 껍질상에 배열되어 있으며, 이러한 껍질의 용량은 원자번호에 의해 결정된다고 주장했다(→ 전자배열). 또한 전자분포에 대한 화학적 성질과 실험적 증거를 토대로 헬륨을 제외한 비활성 기체는 최외각에 8개의 전자가 배열된다는 것을 알아냈다.

1916년에 모든 원자는 최외각에 8개의 전자가 배열하는 것이 가장 안정하다는 화학결합의 이론을 인정받게 되었다(→ 옥테트). 비활성 기체를 제외한 모든 원소는 원자가 전자를 얻거나 잃음으로써 비활성 기체와 같은 전자배열을 하는 것이 가장 안정하다.

1962년 육플루오린화백금이 산소분자를 산화시켜 염을 형성한다는 사실이 밝혀졌고, 이것과 산소와 제논의 1차 이온화 에너지가 비슷하다는 사실로부터 제논도 산소처럼 산화될 수 있다는 추론을 했다. 실제로 같은 해에 화학자들로 구성된 2개의 연구 팀에서 독자적으로 제논의 플루오린 화합물을 합성했다.

이는 또다른 제논 화합물의 합성으로 발전했으며, 라돈의 플루오린 화합물(1962)과 크립톤의 플루오린 화합물(1963)도 등장했다. 이것은 이들 세 기체의 최외각 전자들은 핵과 최외각 사이에 있는 전자에 의해 차폐되므로 원자핵과 약하게 결합되어 있어 헬륨·네온·아르곤의 전자보다 쉽게 이들 원자로부터 떼어낼 수 있기 때문이다.

일반적 성질

비활성 기체의 크기는 원자번호가 증가함에 따라 서서히 증가하며, 헬륨에서 라돈으로 갈수록 이온화 퍼텐셜은 감소하고 편극률은 현저히 증가한다. 헬륨은 편극률이 낮아 표면에 흡착되지 않고 유체에 잘 녹지 않기 때문에 잠수부들이 고압에서 숨을 쉬어도 혼수상태를 유발하지 않으며, 내포화합물을 만들지도 않는다.

또한 헬륨은 크기가 작고 편극률이 작기 때문에 좋은 이동상 기체로 사용하기에 적당하다. 아르곤과 무거운 비활성 기체는 편극률이 크기 때문에 물과 같은 수화물에 들어가 내포화합물을 형성하며, 표면에 잘 흡착된다. 비활성 기체의 마취효과도 이들 기체의 편극률과 관련이 있다. 즉 무거운 기체일수록 용해도와 중성자를 흡수하는 능력이 좋기 때문이다(그밖의 비활성 기체의 성질에 대해서는 표 참조).

	헬륨	네온	아르곤	크립톤	크세논	라돈
원자번호	2	10	18	36	54	86
원자량	4,003	20.182	39.948	83.797	131.295	(222)1)^각주1)
녹는점 (℃) (˚K)	-272.152)^각주2) 1	-248.67 24.48	-189.2 83.95	-156.6 116.55	-111.9 161.25	-71 202
끓는점 (℃) (˚K)	-268.94 4.21	-246.05 27.10	-185.88 87.27	-152.3 120.8	-107.10 166.05	-61.8 211.07
밀도(g/I, 0℃ 1기압)	0.17847	0.89994	1.78403	3.733	5.8811	9.73
용해도(20℃, 물) (㎤/1,000g물)	8.61	10.5	33.6	59.4	108.1	230
전자배열	1s²	1s²2s²2p⁶	(Ne)3s²3p⁶	(Ar)3d¹⁰4s²4p⁶	(Kr)4d¹⁰5s²5p⁶	(Xe)4f¹⁴5d¹⁰6s²6p⁶
동위원소 존재비(%)	³He(0.00013)	²⁰Ne(90.92)	³⁶Ar(0.337)	⁷⁸Kr(0.354)	¹²⁴Xe(0.096)	²¹⁹Rn(미량)
	⁴He(100)	²¹Ne(0.257)	³⁸Ar(0.063)	⁸⁰Kr(2.27)	¹²⁶Xe(0.090)	²²⁰Rn(미량)
		²²Ne(8.82)	⁴⁰Ar(99.600)	⁸²Kr(11.56)	¹²⁸Xe(1.912)	²²²Rn(미량)
				⁸³Kr(11.55)	¹²⁹Xe(26.44)
				⁸⁴Kr(56.90)	¹³⁰Xe(4.08)
				⁸⁶Kr(17.37)	¹³¹Xe(21.18)
					¹³²Xe(26.89)
					¹³⁴Xe(10.44)
					¹³⁶Xe(8.87)
방사성동위원소 (질량수)	6	17~19, 23, 24	33, 35, 37, 39, 41, 42	74~77, 79, 81, 85, 87~94	118~123, 125, 127,133, 135, 137~142	204~213 215~224
기체상태의 원소가 방전관에서 방출하는 색	노랑	빨강	빨강 또는 파랑	연두	파랑에서 녹색
용해열(cal/mol)	5(3.5˚K, 100기압)	80.1	280.8	390.7	548.5
증발열(cal/mol)	19.4	414	1,557.5	2,158	3,020	4,325
비열(cal/mol/℃)	4,9680	4,9680	4.9680	4.9680	4.9680	4.9680
임계온도(˚K)	5.25	44.5	150.85	209.35	289.74	378.15
임계압력(기압)	2.26	26.9	48.3	54.3	57.64	62
임계밀도(g/㎤)	0.0693	0.484	0.536	0.908	1.100	-
열전도도 (cal/cm-sec-℃, 0℃ 1기압)	33.90×10^-5	11.00×10^-5	3.920×10^-5	2.09×10^-5	1.21×10^-5	-
자화율(cgs 단위/mol)	-0.0000019	-0.0000072	-0.0000194	-0.000028	-0.000043	-
결정구조	욕방밀집구조	면심입방구조	면심입방구조	면심입방구조	면심입방구조	면심입방구조
반지름 원자(A) 공유(A)	1.3 0.4~0.6	1.6 0.7	1.92 0.95	1.98 1.10	2.18 1.30	- 1.5~2.1
정전분극성(A³)	0.204	0.392	1.63	2.465	4.01	-
이온화퍼텐셜(1차 eV)	24.586	21.563	15.759	13.999	12.129	10.747
전기음성도(파울링)	4.5	4.0	2.9	2.6	2.25	2.00

비활성 기체의 성질

비활성 기체별 성질

헬륨

헬륨은 태양 스펙트럼에서 발견했으므로 그리스어로 '태양'이라는 뜻의 'hèlios'에서 이름을 땄다.

우주전체 질량의 23％를 차지하나 지각에는 0.008ppm, 대기 중에는 5ppm이 존재한다. 6개의 동위원소 중에 헬륨-3(³He)과 ⁴He만이 안정하다.

상업용 헬륨 기체는 미국 남서부에서 산출되는 천연가스 중에서 1.5~7％를 차지하며, 대기압과 실온에서는 1,000t의 공기로부터 약 3.4㎥가 얻어진다. 1K(－272.15℃), 25기압에서 헬륨은 고체가 된다. ⁴He는 2종류의 액체 형태로 존재하는데 액체Ⅰ은 4.21~2.18K(－270.97℃)에서, 초유동성(超流動性)인 액체II는 이보다 더 낮은 온도에서 존재한다.

⁴He에 ³He을 녹인 것은 0.01K에서 여러 날 유지되는 극저온의 항냉기(恒冷器) 제작에 이용된다.

네온

그리스어로 '새롭다'는 뜻의 'neos'에서 그 이름을 따왔으며, 대기 중에 18ppm이 존재한다.

끓는점이 －246℃이며 헬륨·수소와 함께 공기의 액화온도를 －196℃까지 낮추는 역할을 한다. －196℃까지 냉각한 액체공기를 활성탄에 통과시키면 네온과 수소만이 흡착되며, 이 수소는 산소를 물로 만들어 제거한 후에 네온을 얻는다. 네온에는 5개의 방사성 동위원소가 존재한다.

아르곤

가장 먼저 발견된 비활성기체로 그리스어로 '게으르다'라는 뜻의 'argos'에서 이름을 따왔다.

우주상의 원소 중에서 12번째로 많이 존재하는 원소로 지각에 존재하는 동위원소 중에서 아르곤-40(⁴⁰Ar)이 가장 많다. 그 이유는 포타슘-40(⁴⁰K)의 방사성 붕괴에 의해 이 동위원소가 형성되기 때문이다. 아르곤은 대기 중의 부피비의 0.934％, 질량비의 1.288％를 차지하며, 비활성기체 중 가장 많이 존재하는 원소로, 액화 공기를 분별증류하여 순도 99.9％ 이상의 아르곤 기체를 만들 수 있다.

크립톤

크립톤은 광물이나 운석에 미량 존재하므로 그리스어로 '숨다'라는 뜻의 'kryptos'에서 이름을 따왔다.

대기 중에 부피로 1.14ppm이 있으며, 우라늄 핵분열에 의해 생성되기도 한다. 핵분열을 통해 얻은 크립톤을 그대로 보관하면 크립톤-85(⁸⁵Kr)만 남게 되는데, 이는 ⁸⁵Kr는 반감기가 약 10년인 반면 나머지 동위원소의 반감기는 3시간 이내이기 때문이다. 공기보다 끓는점이 30℃ 높으므로 액화 공기를 분별증류해 얻으며, 제논이 소량 존재하므로 실리카겔에 흡착시키고 재증류한 후에 뜨거운 타이타늄 금속 위를 통과시키면 비활성기체를 제외한 모든 불순물이 제거된다.

크립톤은 다른 원소와 화합물을 이루는 비활성기체 중에서 가장 가볍다.

제논

제논(Xenon)은 그리스어로 '이상한' 또는 '외래의' 뜻의 'Xenos'에서 이름을 따왔다. 과거에는 독일식으로 '크세논'이라 부르기도 했다. 제논 운석과 특정 광물에만 존재하며, 대기 중에 부피로 86ppb 정도 존재한다. 우라늄이 핵분열되어 제논의 동위원소가 생성된다. 제논의 동위원소 중에서 제논-131(¹³¹Xe), ¹³²Xe, ¹³⁴Xe, ¹³⁶Xe은 비교적 안정하며, ¹³³Xe은 방사성을 띠며 반감기는 9.2시간이다. 제논의 정제방법은 크립톤과 같다. 제논 화합물은 1962년에 합성되었다. 제논 자체는 마취제로 안정하게 사용지만, 제논 화합물은 유독하다.

라돈

라돈은 라듐이 방사성 붕괴할 때 헬륨과 방사성 기체로 생성되므로 라듐 에마나티온(Em)이라고 했다.

질량수가 222인 라돈-222(²²²Rn)만을 라돈이라 하고 토륨에서 만들어진 ²²⁰Rn은 토론(Tn), 악티늄에서 만들어진 ²¹⁹Rn는 악티논(An)이라고 했는데 현재는 라돈의 동위원소들을 총칭해 에마나티온이라고 한다. 라돈은 안정한 동위원소가 없다.

비활성 기체