화학 원소 - Chemical element [1]

화학 원소 - Chemical element

화학에서 원소는 원자핵에 같은 수의 양성자를 가진 원자의 한 종이다(즉, 같은 원자번호 또는 Z). 예를 들어, 산소의 원자 번호는 8이므로, 원소 산소는 8개의 양자를 가진 모든 원자들을 설명한다. 모두 118개의 원소가 확인되었다. 최초의 94는 지구에서 자연적으로 발생하며, 나머지 24개는 합성원소다. 적어도 하나의 안정된 동위원소를 가진 80개의 원소와 독점적으로 방사성핵종을 가진 38개의 원소가 있는데, 이 원소는 시간이 지남에 따라 다른 원소로 붕괴된다. 철은 지구를 구성하는 가장 풍부한 원소(질량 기준)인 반면 산소는 지구 지각에서 가장 흔한 원소다. 화학 원소는 우주의 모든 평범한 물질을 구성한다. 그러나, 천문 관측은 보통의 관측 가능한 물질이 우주 물질의 약 15%만을 차지한다고 암시한다. 나머지는 암흑 물질이다; 이것의 구성은 알려져 있지 않지만, 화학 원소로 구성되어 있지는 않다. 수소와 헬륨이라는 두 개의 가장 가벼운 원소는 대부분 빅뱅에서 형성되었으며 우주에서 가장 흔한 원소들이다. 

다음 세 가지 원소(리튬, 베릴륨, 붕소)는 대부분 우주선 분리에 의해 형성되었으며 따라서 무거운 원소보다 더 희귀하다. 6~26개의 양성자를 가진 원소의 형성은 항성 핵합성을 통해 주계열성 항성에서 일어난다. 지구상의 산소, 실리콘, 철분이 풍부하다는 것은 그러한 별에서 공통적으로 생산되는 것을 반영한다. 26개 이상의 양성자를 가진 원소들은 초신성의 핵합성에 의해 형성되는데, 이 원소들이 폭발하면 초신성 잔해로서 멀리 우주로 폭발하는데, 이 원소들이 형성되면 행성에 통합될 수도 있다. "요소"라는 용어는 주어진 수의 양성자(이온화 또는 화학적으로 결합되는지 여부에 관계 없이, 물 속의 수소)를 가진 원자와 단일 원소(예: 수소 가스)로 구성된 순수한 화학 물질에 사용된다. 두 번째 의미로는 "초소 물질"과 "단순 물질"이라는 용어가 제시되었지만, 영국 화학 문헌에서는 그다지 받아들여지지 않은 반면, 일부 다른 언어에서는 이와 동등한 용어가 널리 사용되고 있다(예: 프랑스 군단 단순, 러시아 прараровива)는 용어가 제시되었다. 하나의 원소는 그 구조에서 다른 여러 물질을 형성할 수 있다; 그것들은 원소의 할당이라고 불린다. 화학적 결합에 의해 서로 다른 원소들이 화학적으로 결합될 때, 그들은 화학적 화합물을 형성한다. 단지 소수의 원소만이 비교적 순수한 광물로 결합되지 않은 것으로 발견된다. 그러한 토착 원소의 더 흔한 것 중에는 구리, 은, 금, 탄소(석탄, 흑연 또는 다이아몬드)와 황이 있다. 

고귀한 기체나 고귀한 금속과 같은 가장 불활성적인 원소를 제외한 모든 원소는 화학적 화합물로서 화학적으로 결합된 형태로 지구상에서 발견된다. 약 32개의 화학 원소가 지구에서 비조합 형태로 발생하지만, 이것들의 대부분은 혼합물로 발생한다. 예를 들어 대기 중 공기는 주로 질소, 산소, 아르곤이 혼합되어 있으며, 철과 니켈과 같은 합금에서 토착 고체 원소가 발생한다. 원소의 발견과 사용의 역사는 탄소, 황, 구리, 금과 같은 토착 원소를 발견한 원시 인류 사회로부터 시작되었다(이 원소의 상태는 당시에는 알려져 있지 않았지만). 후세 문명은 숯을 사용하여 제련하여 광석에서 원소 구리, 주석, 납, 철을 추출했다. 이후 연금술사와 화학자들은 더 많은 것을 확인했다. 자연적으로 발생하는 모든 원소들은 1950년까지 알려졌다. 화학 원소의 성질은 주기율표에 요약되어 있는데, 원자 번호를 열("집단")이 반복("주기")의 물리적 및 화학적 성질을 공유하는 행("주기")으로 증가시켜 원소를 구성한다. 반감기가 짧은 불안정한 방사성 원소를 위해 절약하면, 모든 원소는 산업적으로 이용할 수 있으며, 대부분은 낮은 불순물 정도에 있다.

설명

가장 가벼운 화학 원소는 수소와 헬륨으로, 우주 최초 20분 동안 빅뱅 핵합성에 의해 질량에 의한 약 3:1(또는 원자의 수에 의한 12:1)의 비율로 생성되며, 다음 두 원소의 작은 흔적인 리튬과 베릴륨이 함께 생성된다. 자연에서 발견되는 거의 모든 다른 원소들은 다양한 자연적인 핵합성 방법에 의해 만들어졌다. 지구에서는 소량의 새로운 원자가 자연적으로 핵생성 반응이나 우주선 분리와 같은 우주생성 과정에서 생성된다. 새로운 원자들은 알파 붕괴, 베타 붕괴, 자발 핵분열, 군집 붕괴, 그리고 다른 희귀한 붕괴 모드와 같은 진행중인 방사성 붕괴 과정의 방사선 유발 딸 동위원소로 자연적으로 생성되기도 한다. 94개의 자연발생원소 중 원자번호 1부터 82까지 각각 1개 이상의 안정동위원소를 가지고 있다(안정동위원소가 없는 테크네튬, 43원소, 프로메튬, 61원소 제외). 안정적이라고 여겨지는 동위원소는 방사성 붕괴가 아직 관찰되지 않은 동위원소들이다. 원자 번호 83~94의 원소는 모든 동위원소의 방사성 붕괴가 검출될 정도로 불안정하다. 특히 비스무트(원자번호 83), 토륨(원자번호 90), 우라늄(원자번호 92) 등 이들 원소 중 일부는 우리 태양계가 형성되기 전에 중금속을 생산한 폭발성 핵합성의 잔해로서 생존할 수 있을 만큼 긴 반감기를 가진 동위원소를 하나 이상 가지고 있다. 

현재 우주의 추정 나이보다 10억 배 이상 긴 1.9×10^19세 이상에서 비스무트-209(원자번호 83)는 자연 발생 원소 중 가장 오래 알려진 알파 붕괴 반감기를 가지고 있으며, 거의 항상 80개의 안정 원소와 동등한 수준으로 간주된다. 가장 무거운 원소(플루토늄을 초과하는 원소, 94원소)는 자연에서 발견되지 않고 합성되어야 할 정도로 짧은 반감기로 방사성 붕괴를 겪는다. 2010년 현재 118개의 알려진 원소가 있다(이 맥락에서 "알려진"은 소수의 부패 제품에서도 다른 원소와 구별될 만큼 충분히 잘 관찰된 것이다). 이 118개의 원소 중 94개는 지구에서 자연적으로 발생한다. 이 중 6개는 극미량으로 발생한다. 테크네튬, 원자 번호 43, 프로메튬, 61, 아스타틴, 85, 프랑슘, 87, 넵투늄, 93, 플루토늄, 94. 이 94개의 원소는 우주에서, 별의 스펙트럼에서, 그리고 또한 단명 방사능 원소가 새롭게 만들어지고 있는 초신성에서도 검출되었다. 

최초의 94개 원소는 태양계의 형성으로부터 존재하는 원시 핵종 또는 우라늄과 토륨의 자연발생 핵분열 또는 전이 생성물로 지구상에서 직접 검출되었다. 오늘날 지구나 천문학적인 스펙트럼에서 발견되지 않은 나머지 24개의 무거운 원소들은 인공적으로 생산되었다: 이것들은 모두 방사능이고, 반감기가 매우 짧다; 만약 이들 원소의 원자들이 지구의 형성에 존재했다면, 그들은 이미 붕괴되었을 가능성이 매우 높다. 노배는 너무 적어서 눈에 띄지 않았다. 테크네튬은 1937년에 자연에서 미량의 테크네튬이 발견되었음에도 불구하고, 최초로 자연적으로 발생된 것으로 알려진 비자연적인 원소였다. 또한 그 원소는 1925년에 자연적으로 발견되었을지도 모른다. 이러한 인위적 생산의 패턴과 후에 자연적으로 발생하는 여러 다른 방사성 희소 원소들이 반복되어 왔다. 원소 목록은 원소의 이온화 에너지뿐만 아니라 이름, 원자 번호, 밀도, 용해점, 비등점 및 기호별로 구할 수 있다. 안정 및 방사성 원소의 핵종은 불안정한 핵종에 대해 반감기 길이로 정렬된 핵종 목록으로도 이용할 수 있다. 가장 편리하고 확실히 가장 전통적인 원소 표시 중 하나는 유사한 화학적 성질을 가진 원소(그리고 대개 유사한 전자 구조)를 함께 묶는 주기율표의 형태로 되어 있다.