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::: 원소이야기(5) ::: |
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15족 원소들 : N, P, As, Sb, Bi 15족 원소들은 비금속인 질소에서 금속 비스무스를 포함하고 있으며 일반적으로 산화수는 +3과 +5이다. 비스무스이외에는 -3 산화수를 가지고 MH3와 같은 공유결합을 하는 수소화물이 존재한다. 1. 역사적 배경 질소는 1772년 Daniel Rutherford에 의해 공기 중에 들어있는 기체중의 하나임이 밝혀졌다. 화학자들은 오랫동안 공기가 적어도 두 종류의 기체로 이루어져 있음을 알고 있었다. 한 종류의 기체는 생명과 불꽃을 만드는데 필요하였고 다른 하나는 이와는 상관이 없는 기체였다. 쥐를 병에 넣고 뚜껑을 꼭 막아 공기의 부피를 1/16로 줄이는 경우 산소가 없어진 공기는 생명이나 불꽃을 일으키는데 필요가 없는 기체라고하여 질소를 "생명이 없는 기체"라 부르게 되었다. 인화합물은 고대부터 깜깜한 곳에서 빛을 내는 인광물질이 있다는 것이 알려졌으며 1669년 Brand가 뇨를 증발시켜 그 잔사를 건류하다가 우연히 발견하였고, 1678년 Kunkel이 처음으로 그 제법을 밝혔다. 그 당시 인은 매우 값이 비싸서 금과 같이 귀중하게 여겼으나 1769∼1771년 Gahn 및 Scheele에 의해 인을 동물의 뼈로부터 제조하는 방법이 개발됨에 따라 그 수요가 증가하였다. 비소와 그 화합물의 역사에 대하여는 알려진 바가 없으나 그리스, 로마시대에 노예들이 유화비소, 웅황(orpiment)등에서 비소를 채취하였으며 중세와 중국학자들은 그것을 어떻게 만들며, 사용하는지를 알고 있었으나 정확한 발견에 대하여는 아는 바가 없다. 그러나 독일 화학자 Albert Magus(1193∼1280)는 웅황과 미누를 가열하여 비소를 추출한 것으로 알려져있다. 고대로부터 여러 궤양성 화농의 치료제로 많이 사용하게 되었다. 그러나 18세기 말에 비소 제품의 독성이 알려짐에 따라 약품으로써의 활용도가 크게 줄었다. 그러나 비소의 유기, 무기 유도체가 약 3000종 개발되어 있으며 이것의 물리, 화학, 약리 적 성질이 매우 잘 규명되어 있는 것이 특징이다. 안티모니는 이집트 왕조와 예수시대부터 stick-stone으로 알려져 있는 Sb2S3(stibnite) 광석으로부터 얻어서 권력과 부를 가진 여인들의 까만 눈 화장에 사용하였다. 안티모니는 비소와 납의 황화물과 항상 공존하고 있으며, 이들의 성질이 납과 비슷하여 중세 화학자들은 이들을 서로 혼동하였다. 프랑스 화학자인 Nicoals Lenery(1645∼1715)가 안티모니와 그 화합물에 대한 연구를 수행하였다. 비스무스 금속은 1400년대에 페르시아어로 백철광이라 불려졌다. 비스무스를 자연에서 발견하여 분리하는데는 어려움이 없으나 이를 납과 주석으로부터 분별하는 것이 어려웠다. Georgius Agricola(1494∼1555)는 비스무스가 납과 주석과 다른 금속임을 설명하였다. 1930년 이전에 비스무스는 주로 화학 및 의약품에 소비되었으나 1930년 이후에는 저융점 합금으로써 용도가 개발되자 제 2차 세계대전중 미국에서는 엄중한 통제하에서 이를 적정 배급되었다. 2. 물리적, 화학적 성질 15족 원소에 속하는 비금속과 금속간의 차이는 그들의 산화물에서 볼 수 있는데, 질소, 인, 비소의 산화물(예; N2O3, P4O6, As4O6등)은 물과 반응하여 다른 비금 속의 산화물과 같이 산성을 나타낸다. 안티모니 산화물은 양쪽성이며 반면에 비스무스산화물은 다른 금속산화물과 같이 염기성을 나타낸다. 15족 원소들의 물리화학적 성질을 정리해보면 표2와 같다. 유리질소는 공기의 약78%를 차지하고 있으며 산소의 격렬한 산화작용을 조절하고 있다고 볼 수 있다. 질소는 매우 불활성 기체로서 무색, 무미, 무취이다. 질소분자는 3중 결합구조를 가지고 있어 반응성이 없으나, 질소화합물은 지구상에 널리 존재하며 특히 폐수며 또는 여러 광물중에 포함되어 있고 단백질의 형태로서 동식물 성분의 불가결한 중요한 성?遁이고 매우 큰 반응성을 보인다. 질소의 산화수는 -3(NH3), -2(N2H4), -1(NH2OH), 0(N2), +1(N2O), +2(NO), +3(N2O3), +4(N2O4), +5(NO3-) 상태를 가짐으로써 매우 다양한 반응성을 가지고 있다. 인은 산소와 화합하는 성질이 매우 크기 때문에 천연으로 산출되는 일이 없으며 언제나 산소 밑 금속과 결합한 인산염으로 존재한다. 인산염중 지상에 분포되어 있는 것은 인산 칼슘으로 동물의 골격중에 많이 포함되어 있으며, 비금속으로 황과 비소와 유사한 성질을 가지고 있다. 인은 물리적 구조가 다른 백인, 적인, 흑인의 동소체를 가지고 있다. 백인(P4)은 하얀 왁스 같은 물질로써 특이한 오존같은 냄새가 나며 공기중에서 쉽게 노란색으로 변하므로 물속에 보과한다. 백은 밀도가 낮고 용융점이 44.3℃로 매우 낮다. 백은은 물에 거의 녹지 않고, 벤젠, 클로로포름, 이황화탄소(Cs2)에 잘 녹으며, 공기에 노출되면 쉽게 물이 붙어 폭발하느로 매우 독성이 크고 피부에 화상을 입힐 수 있다. 사면체 구조를 가진 백인은 P-P-P결합각도가 60o로 스트레인이 있어 매우 반응성이 크고 위와 같은 독성을 나타낸다. 적인은 갈색에서 적색을 띄는 무결정의 가루로 백인을공기중에서 250℃ 이상으로 가열하면 긴 사슬 구조를 가진 적인으로 변한다. 흑인은 백인을 수은 촉매와 흑인 결정을 넣은 상태에서 가열하면 생성된다. 적인은 매우 안정한 구조를 가지고 있으며, 반응성이 적어 독성이 없으며, 어느 용매에도 녹지 않는 성질을 가지고 있다. 또한 마찰로부터 생성되는 열에의해 쉽게 폭발성이 있는 백인으로 변화됨으로 이를 이용하여 안전한 성냥을 만드는데 사용된다. 비소는 반금속으로 알루미늄이나 주석과 같은 금속도 아니고 황이나 브롬과 같은 비금속도 아니다. 비소도 3가지의 동소체를 가지고 있으며 회색 비소가 주로 존재하는 동소체로써 쉽게 부서지는 은회색 금속이고 다른 두 개의 동소체인 황비소와 흑비소는 불안정한 결정으로 회색비소를 가열하여 식히면 생성될 수 있다. 회색 비소는 613℃까지 가열하면 용융상태가 되지않고승화하는 성질이 있어 비소 증기를 생성할 수 있다. 이 증기를 천천히 식히면 흑비소를 볼 수 있고, 360℃ 이하로 식히면 다시 회색 비소로 돌아간다. 반면 비소 증기를 급격히 식히면 안정한 황비소를 생성하나 황비소는 온도가 내려가도 회색비소가 만들어지지 않고 빛에는 예민하여 빛을 쪼여주면 황비소가 회색비소로 변화된다. 안티모니는 은백색 결정물로써 금속성질을 가지고 있기는 하나 쉽게 부서지고 부드러워서 쉽게 작은 조각으로 깨지고 흠집이 쉽게 간다. 물리적으로는 황과 같이 비금 속의 성질을 가지고 있어 열, 전기전도도가 낮으며 쉽게 얇은 조각으로 부서진다. 화학적으로는 금 속의 성질을 가지고 있어 대부분의 금속과 합금을 만들며 자연계에서 납과 은과 같은 금속과 공존하고 이온으로도 금속처럼 행동한다. 안티모니는 2개의 동소체를 가지고 있으며 비금속 구조와 무정형의 회색구조를 가지고 있다. 비스무스는 쉽게 부서지는 중금속이고 분홍빛을 나타낸다. 보통 비스무 │처음│ |