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동소성

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다이아몬드와 흑연은 탄소의 두 가지 동소체이다. 동일한 원소의 순수한 형태이지만 결정 구조가 다르다.

동소성(同素性, allotropy, 어원: 고대 그리스어 ἄλλος (allos) '다른' 및 τρόπος (tropos) '방식, 형태')은 일부 화학 원소가 동일한 물리적 물질의 상태에서 두 가지 이상의 서로 다른 형태로 존재하는 성질을 말하며, 이러한 형태를 해당 원소의 동소체(同素體)라고 한다. 동소체는 원소의 서로 다른 구조적 변형이다. 즉, 원소의 원자들이 서로 다른 방식으로 화학 결합되어 있다.[1] 예를 들어, 탄소의 동소체에는 다이아몬드(탄소 원자들이 결합하여 사면체형 분자기하의 입방정계 격자를 형성), 흑연(탄소 원자들이 결합하여 육방정계 격자의 층을 형성), 그래핀(흑연의 단일 층), 풀러렌(탄소 원자들이 결합하여 구형, 관형 또는 타원형 구조를 형성) 등이 있다.

동소성이라는 용어는 화합물이 아닌 원소에만 사용된다. 모든 화합물에 사용되는 보다 일반적인 용어는 다형성이지만, 이 용어의 사용은 대개 결정과 같은 고체 재료로 제한된다. 동소성은 동일한 물리적 상(즉, 플라스마, 기체, 액체 또는 고체) 내에서 원소의 서로 다른 형태만을 지칭한다. 이러한 물질의 상태 간의 차이만으로는 동소체의 예가 되지 않는다. 화학 원소의 동소체는 종종 해당 원소의 다형체 또는 상이라고 불리기도 한다.

일부 원소의 경우, 동소체는 물리적 상의 차이뿐만 아니라 서로 다른 분자식이나 결정 구조를 갖기도 한다. 예를 들어, 산소의 두 가지 산소의 동소체(이산소, O2 및 오존, O3)는 모두 고체, 액체, 기체 상태로 존재할 수 있다. 다른 원소들은 서로 다른 물리적 상에서 뚜렷한 동소체를 유지하지 못하기도 한다. 예를 들어, 인은 수많은 고체 동소체를 가지고 있지만, 액체 상태로 녹으면 모두 동일한 P4 형태로 돌아간다.

역사

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동소성의 개념은 1840년 스웨덴의 과학자 옌스 야코브 베르셀리우스(1779–1848) 남작에 의해 처음 제안되었다.[2][3] 이 용어는 어원: 그리스어 άλλοτροπἱα (allotropia) '가변성, 변화성'에서 유래했다.[4] 1860년 아보가드로의 가설이 수용된 후, 원소가 다원자 분자로 존재할 수 있다는 사실이 이해되었으며, 산소의 두 가지 동소체가 O2와 O3임이 확인되었다.[3] 20세기 초에는 탄소와 같은 다른 사례들이 결정 구조의 차이 때문이라는 것이 밝혀졌다.

1912년, 빌헬름 오스트발트는 원소의 동소성이 화합물에서 알려진 다형성 현상의 특수한 사례일 뿐이라고 지적하고, 동소체 및 동소성이라는 용어를 폐기하고 다형체 및 다형성으로 대체할 것을 제안했다.[5][3] 많은 화학자들이 이 조언을 반복했지만, IUPAC과 대부분의 화학 교과서는 여전히 원소에 한해서만 동소체 및 동소성이라는 용어를 사용하는 것을 선호한다.[6]

원소 동소체의 성질 차이

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동소체는 동일한 원소의 서로 다른 구조적 형태이며 매우 다른 물리적 성질과 화학적 행동을 보일 수 있다. 동소체 형태 간의 변화는 다른 구조에 영향을 미치는 동일한 힘, 즉 압력, 빛, 그리고 온도에 의해 유발된다. 따라서 특정 동소체의 안정성은 특정 조건에 따라 달라진다. 예를 들어, 철은 906 °C 이상에서 체심 입방 격자(페라이트)에서 면심 입방 격자(오스테나이트) 구조로 변하며, 주석은 13.2 °C (55.8 °F) 미만에서 주석병으로 알려진 변형을 거쳐 금속 형태에서 반금속 형태로 변한다. 서로 다른 화학적 행동을 보이는 동소체의 예로, 오존(O3)은 이산소(O2)보다 훨씬 강력한 산화제이다.

동소체 목록

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일반적으로 가변적인 배위수 및 산화수를 가질 수 있는 원소는 더 많은 수의 동소체 형태를 나타내는 경향이 있다. 또 다른 기여 요인은 원소가 사슬 형성을 할 수 있는 능력이다.

동소체의 예는 다음과 같다.

비금속

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원소 동소체
탄소
질소
인
  • 백린 – 사린(P4) 분자의 결정질 고체
  • 붉은 인 – 비정질 중합체 고체
  • 주홍색 인
  • 보라색 인 – 단사정계 결정 구조를 가짐
  • 흑린 – 흑연과 유사한 반도체
  • 이인 – P2 분자로 구성된 기체 형태로, 1200 °C에서 2000 °C 사이에서 안정적이다. 약 827 °C에서 백린의 P4 분자가 해리되면서 생성된다.
산소
황
  • 사이클로-오황, Cyclo-S5
  • 사이클로-육황, Cyclo-S6
  • 사이클로-칠황, Cyclo-S7
  • 사이클로-팔황, Cyclo-S8
셀레늄
  • "적색 셀레늄", cyclo-Se8
  • 회색 셀레늄, 중합체 Se
  • 흑색 셀레늄, 최대 1000개 원자 길이의 불규칙한 중합체 고리
  • 단사정계 셀레늄, 암적색 투명 결정
수소의 스핀 이성질체
  • 오르토수소, 핵 스핀이 평행하게 정렬된 H2
  • 파라수소, 핵 스핀이 반평행하게 정렬된 H2

이러한 핵 스핀 이성질체는 때때로 동소체로 묘사되기도 했으며, 특히 1932년 양자 역학으로 베르너 하이젠베르크에게 노벨상을 수여한 위원회는 "수소의 동소체 형태"를 가장 주목할만한 응용 사례로 꼽았다.[7]

준금속

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원소 동소체
붕소
  • 비정질 붕소 – 갈색 분말 – B12 정이십면체
  • α-마름모정계 붕소
  • β-마름모정계 붕소
  • γ-정방정계 붕소
  • α-단사정계 붕소
  • β-단사정계 붕소
  • 입방정계 붕소
  • 고압 초전도 상
  • 보로핀
  • 보로스페레인, B40
실리콘
저마늄
  • 비정질 저마늄
  • α-저마늄 – 다이아몬드와 동일한 구조를 가진 반금속성 원소 또는 반도체 (황 및 실리콘과 유사한 화학적 성질)
  • β-저마늄 – 베타-주석과 동일한 구조를 가진 금속성
  • 저마닌 – 그래핀과 유사한 구부러진 평면 저마늄
비소
  • 황변비소 – 백린과 동일한 구조를 가진 분자형 비금속 As4 (질소 및 인과 유사한 화학적 성질)
  • 회색 비소 – 중합체 As (금속성이지만 심한 이방성을 띰) (화학적 성질에서 알루미늄 및 안티모니와 유사)
  • 흑색 비소 – 붉은 인과 동일한 구조를 가진 분자형 및 비금속형
안티모니
  • 청백색 안티모니 – 안정적인 형태(금속성), 회색 비소와 동일한 구조 (화학적 성질에서 비소와 유사)
  • 흑색 안티모니 (비금속성 및 비정질, 얇은 층으로만 안정적임)
텔루륨
  • 비정질 텔루륨 – 회흑색 또는 갈색 분말[9]
  • 결정질 텔루륨 – 육방정 결정 구조 (준금속) (셀레늄과 유사한 화학적 성질)

금속

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자연에서 상당량 발생하는 금속 원소(Tc와 Pm을 제외한 U까지의 56개) 중 거의 절반(27개)이 상압에서 동소성을 가진다: Li, Be, Na, Ca, Ti, Mn, Fe, Co, Sr, Y, Zr, Sn, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Yb, Hf, Tl, Th, Pa 및 U. 기술적으로 관련이 있는 금속의 동소체 형태 간의 주요 상전이로는 882 °C에서의 Ti, 912 °C 및 1,394 °C에서의 Fe, 422 °C에서의 Co, 863 °C에서의 Zr, 13 °C에서의 Sn, 그리고 668 °C 및 776 °C에서의 U가 있다.

원소 상 이름 공간군 피어슨 심볼 구조 유형 설명
리튬 α-Li R3m hR9 α-Sm 70 K 미만에서 형성.[10]
β-Li Im3m cI2 W 상온 상압에서 안정적임.
Fm3m cF4 Cu 7 GPa 이상에서 형성
R3m hR1 α-Hg 약 40 GPa에서 형성되는 중간 상.[11]
I43d cI16 40 GPa 이상에서 형성.[11]
oC88 60~70 GPa 사이에서 형성.[12]
oC40 70~95 GPa 사이에서 형성.[12]
oC24 95 GPa 이상에서 형성.[12]
베릴륨 α-Be P63/mmc hP2 Mg 상온 상압에서 안정적임.
β-Be Im3m cI2 W 1255 °C 이상에서 형성.
나트륨 α-Na R3m hR9 α-Sm 20 K 미만에서 형성.
β-Na Im3m cI2 W 상온 상압에서 안정적임.
Fm3m cF4 Cu 상온 65 GPa 이상에서 형성.[13]
I43d cI16 상온 108 GPa에서 형성.[14]
Pnma oP8 MnP 상온 119 GPa에서 형성.[15]
tI19* 125~180 GPa 사이에서 형성되는 호스트-게스트 구조.[12]
hP4 180 GPa 이상에서 형성.[12]
마그네슘 P63/mmc hP2 Mg 상온 상압에서 안정적임.
Im3m cI2 W 50 GPa 이상에서 형성.[16]
알루미늄 α-Al Fm3m cF4 Cu 상온 상압에서 안정적임.
β-Al P63/mmc hP2 Mg 20.5 GPa 이상에서 형성.
칼륨 Im3m cI2 W 상온 상압에서 안정적임.
Fm3m cF4 Cu 11.7 GPa 이상에서 형성.[12]
I4/mcm tI19* 약 20 GPa에서 형성되는 호스트-게스트 구조.[12]
P63/mmc hP4 NiAs 25 GPa 이상에서 형성.[12]
Pnma oP8 MnP 58 GPa 이상에서 형성.[12]
I41/amd tI4 112 GPa 이상에서 형성.[12]
Cmca oC16 112 GPa 이상에서 형성.[12]
철 α-Fe, 페라이트 Im3m cI2 체심 입방 격자 상온 상압에서 안정적임. T<770 °C에서 강자성, T=770–912 °C에서 상자성.
γ-철, 오스테나이트 Fm3m cF4 면심 입방 격자 912~1,394 °C에서 안정적임.
δ-철 Im3m cI2 체심 입방 격자 1,394~1,538 °C에서 안정적이며, α-Fe와 동일한 구조.
ε-철, 헥사페럼 P63/mmc hP2 육방 밀집 구조 고압에서 안정적임.
코발트[17] α-코발트 육방 밀집 구조 450 °C 미만에서 형성.
β-코발트 면심 입방 격자 450 °C 이상에서 형성.
ε-코발트 P4132 단순 입방 구조 [Co2CO8]의 열분해로 형성. 나노동소체.
루비듐 α-Rb Im3m cI2 W 상온 상압에서 안정적임.
cF4 7 GPa 이상에서 형성.[12]
oC52 13 GPa 이상에서 형성.[12]
tI19* 17 GPa 이상에서 형성.[12]
tI4 20 GPa 이상에서 형성.[12]
oC16 48 GPa 이상에서 형성.[12]
주석 α-주석, 회색 주석, 주석병 Fd3m cF8 d-C 13.2 °C 미만에서 안정적임.
β-주석, 백색 주석 I41/amd tI4 β-Sn 상온 상압에서 안정적임.
γ-주석, 마름모 주석 I4/mmm tI2 In 10 GPa 이상에서 형성.[18]
γ'-Sn Immm oI2 MoPt2 30 GPa 이상에서 형성.[18]
σ-Sn, γ"-Sn Im3m cI2 W 41 GPa 이상에서 형성.[18] 매우 높은 압력에서 형성.[19]
δ-Sn P63/mmc hP2 Mg 157 GPa 이상에서 형성.[18]
스태닌
폴로늄 α-폴로늄 단순 입방 구조
β-폴로늄 마름모정계

  표준 조건에서 가장 안정적인 구조.
  상온 미만에서 안정적인 구조.
  상온 이상에서 안정적인 구조.
  대기압 이상에서 안정적인 구조.

란타넘족 및 악티늄족

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악티늄족 원소의 상태도.

나노동소체

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2017년에 나노동소체(nanoallotropy)의 개념이 제안되었다.[21] 나노동소체 또는 나노재료의 동소체는 화학적 조성은 동일하지만(예: Au), 나노 규모(즉, 개별 원자 크기의 10~100배 규모)에서 구조가 다른 나노 다공성 물질이다.[22] 이러한 나노동소체는 초소형 전자 장치를 만들고 다른 산업적 응용 분야를 찾는 데 도움이 될 수 있다.[22] 금의 여러 나노동소체에 대해 수행된 표면 증강 라만 산란에서 입증되었듯이, 서로 다른 나노 규모 구조는 서로 다른 특성을 나타낸다.[21] 나노동소체를 생성하기 위한 2단계 방법도 고안되었다.[22]

같이 보기

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내용주

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  1. ↑ IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). 온라인 수정 버전: (2006–) "Allotrope". doi:10.1351/goldbook.A00243
  2. ↑ See:
    • Berzelius, Jac. (1841). 《Årsberättelse om Framstegen i Fysik och Kemi afgifven den 31 Mars 1840. Första delen.》 [Annual Report on Progress in Physics and Chemistry submitted March 31, 1840. First part.] (스웨덴어). Stockholm, Sweden: P.A. Norstedt & Söner. 14쪽. From p. 14: "Om det ock passar väl för att uttrycka förhållandet emellan myrsyrad ethyloxid och ättiksyrad methyloxid, så är det icke passande för de olika tillstånd hos de enkla kropparne, hvari dessa blifva af skiljaktiga egenskaper, och torde för dem böra ersättas af en bättre vald benämning, t. ex. Allotropi (af αλλότροπος, som betyder: af olika beskaffenhet) eller allotropiskt tillstånd." (If it [i.e., the word isomer] is also well suited to express the relation between formic acid ethyl oxide [i.e., ethyl formate] and acetic acid methyloxide [i.e., methyl acetate], then it [i.e., the word isomers] is not suitable for different conditions of simple substances, where these [substances] transform to have different properties, and [therefore the word isomers] should be replaced, in their case, by a better chosen name; for example, Allotropy (from αλλότροπος, which means: of different nature) or allotropic condition.)
    • Republished in German: Berzelius, Jacob; Wöhler, F. (1841). “Jahres-Bericht über die Fortschritte der physischen Wissenschaften” [Annual Report on Progress of the Physical Sciences] (독일어). 《Jahres Bericht Über die Fortschritte der Physischen Wissenschaften》 (Tübingen, (Germany): Laupp'schen Buchhandlung) 20: 13. From p. 13: "Wenn es sich auch noch gut eignet, um das Verhältniss zwischen ameisensaurem Äthyloxyd und essigsaurem Methyloxyd auszudrücken, so ist es nicht passend für ungleiche Zustände bei Körpern, in welchen diese verschiedene Eigenschaften annehmen, och dürfte für diese durch eine besser gewählte Benennung zu ersetzen sein, z. B. durch Allotropie (von αλλότροπος, welches bedeutet: von ungleicher Beschaffenheit), oder durch allotropischen Zustand." (Even if it [i.e., the word isomer] is still well suited to express the relation between ethyl formate and methyl acetate, then it is not appropriate for the distinct conditions in the case of substances where these [substances] assume different properties, and for these, [the word isomer] may be replaced with a better chosen designation, e.g., with Allotropy (from αλλότροπος, which means: of distinct character), or with allotropic condition.)
    • Merriam-Webster online dictionary: Allotropy
  3. 1 2 3 Jensen, W. B. (2006), “The Origin of the Term Allotrope”, 《J. Chem. Educ.》 83 (6): 838–39, Bibcode:2006JChEd..83..838J, doi:10.1021/ed083p838.
  4. ↑ 〈allotropy〉, 《A New English Dictionary on Historical Principles》 1, Oxford University Press, 1888, 238쪽.
  5. ↑ Ostwald, Wilhelm; Taylor, W.W. (1912). 《Outlines of General Chemistry》 3판. London, England: Macmillan and Co., Ltd. 104쪽. From p. 104: "Substances are known which exist not only in two, but even in three, four or five different solid forms; no limitation to the number is known to exist. Such substances are called polymorphous. The name allotropy is commonly employed in the same connexion, especially when the substance is an element. There is no real reason for making this distinction, and it is preferable to allow the second less common name to die out."
  6. ↑ Jensen 2006, citing Addison, W. E. The Allotropy of the Elements (Elsevier 1964) that many have repeated this advice.
  7. ↑ Werner Heisenberg – Facts Nobelprize.org
  8. ↑ “Meet Q-silicon, a new magnetic material for spintronic quantum computers”. 《New Atlas》. 2023년 7월 4일.
  9. ↑ Raj, G. 《Advanced Inorganic Chemistry Vol-1》. Krishna Prakashan. 1327쪽. ISBN 978-81-87224-03-7. 2017년 1월 6일에 확인함.
  10. ↑ Overhauser, A. W. (1984년 7월 2일). “Crystal Structure of Lithium at 4.2 K”. 《Physical Review Letters》 (American Physical Society (APS)) 53 (1): 64–65. Bibcode:1984PhRvL..53...64O. doi:10.1103/physrevlett.53.64. ISSN 0031-9007.
  11. 1 2 Hanfland, M.; Syassen, K.; Christensen, N. E.; Novikov, D. L. (2000). “New high-pressure phases of lithium”. 《Nature》 (Springer Science and Business Media LLC) 408 (6809): 174–178. Bibcode:2000Natur.408..174H. doi:10.1038/35041515. ISSN 0028-0836. PMID 11089965. S2CID 4303422.
  12. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Degtyareva, V.F. (2014). “Potassium under pressure: Electronic origin of complex structures”. 《Solid State Sciences》 36: 62–72. arXiv:1310.4718. Bibcode:2014SSSci..36...62D. doi:10.1016/j.solidstatesciences.2014.07.008.
  13. ↑ Hanfland, M.; Loa, I.; Syassen, K. (2002년 5월 13일). “Sodium under pressure: bcc to fcc structural transition and pressure-volume relation to 100 GPa”. 《Physical Review B》 (American Physical Society (APS)) 65 (18). Bibcode:2002PhRvB..65r4109H. doi:10.1103/physrevb.65.184109. ISSN 0163-1829.
  14. ↑ McMahon, M. I.; Gregoryanz, E.; Lundegaard, L. F.; Loa, I.; Guillaume, C.; Nelmes, R. J.; Kleppe, A. K.; Amboage, M.; Wilhelm, H.; Jephcoat, A. P. (2007년 10월 18일). “Structure of sodium above 100 GPa by single-crystal x-ray diffraction”. 《Proceedings of the National Academy of Sciences》 104 (44): 17297–17299. Bibcode:2007PNAS..10417297M. doi:10.1073/pnas.0709309104. ISSN 0027-8424. PMC 2077250. PMID 17947379.
  15. ↑ Gregoryanz, E.; Lundegaard, L. F.; McMahon, M. I.; Guillaume, C.; Nelmes, R. J.; Mezouar, M. (2008년 5월 23일). “Structural Diversity of Sodium”. 《Science》 (American Association for the Advancement of Science (AAAS)) 320 (5879): 1054–1057. Bibcode:2008Sci...320.1054G. doi:10.1126/science.1155715. ISSN 0036-8075. PMID 18497293. S2CID 29596632.
  16. ↑ Olijnyk, H.; Holzapfel, W. B. (1985년 4월 1일). “High-pressure structural phase transition in Mg”. 《Physical Review B》 (American Physical Society (APS)) 31 (7): 4682–4683. Bibcode:1985PhRvB..31.4682O. doi:10.1103/physrevb.31.4682. ISSN 0163-1829. PMID 9936412.
  17. ↑ de la Peña O'Shea, Víctor Antonio; Moreira, Iberio de P. R.; Roldán, Alberto; Illas, Francesc (2010년 7월 8일). “Electronic and magnetic structure of bulk cobalt: The α, β, and ε-phases from density functional theory calculations”. 《The Journal of Chemical Physics》 133 (2): 024701. doi:10.1063/1.3458691. PMID 20632764.
  18. 1 2 3 4 Deffrennes, Guillaume; Faure, Philippe; Bottin, François; Joubert, Jean-Marc; Oudot, Benoit (2022). “Tin (Sn) at high pressure: Review, X-ray diffraction, DFT calculations, and Gibbs energy modeling”. 《Journal of Alloys and Compounds》 919. arXiv:2203.16240. doi:10.1016/j.jallcom.2022.165675.
  19. ↑ Molodets, A. M.; Nabatov, S. S. (2000). “Thermodynamic Potentials, Diagram of State, and Phase Transitions of Tin on Shock Compression”. 《High Temperature》 38 (5): 715–721. Bibcode:2000HTemp..38..715M. doi:10.1007/BF02755923. S2CID 120417927.
  20. ↑ Benedict, U.; Haire, R. G.; Peterson, J. R.; Itie, J. P. (1985). “Delocalisation of 5f electrons in curium metal under high pressure”. 《Journal of Physics F: Metal Physics》 15 (2): L29–L35. Bibcode:1985JPhF...15L..29B. doi:10.1088/0305-4608/15/2/002.
  21. 1 2 Udayabhaskararao, Thumu; Altantzis, Thomas; Houben, Lothar; Coronado-Puchau, Marc; Langer, Judith; Popovitz-Biro, Ronit; Liz-Marzán, Luis M.; Vuković, Lela; Král, Petr (2017년 10월 27일). “Tunable porous nanoallotropes prepared by post-assembly etching of binary nanoparticle superlattices” (영어). 《Science》 358 (6362): 514–518. Bibcode:2017Sci...358..514U. doi:10.1126/science.aan6046. hdl:10067/1472420151162165141. ISSN 0036-8075. PMID 29074773.
  22. 1 2 3 “Materials That Don't Exist in Nature Might Lead to New Fabrication Techniques” (미국 영어). 《israelbds.org》. 2017년 12월 9일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2017년 12월 8일에 확인함.

각주

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외부 링크

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