4주기 원소
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4주기 원소는 화학 원소 주기율표의 네 번째 행(또는 주기)에 있는 화학 원소 중 하나이다. 주기율표는 원자 번호가 증가함에 따라 원소의 화학적 행동에서 반복되는(주기적인) 경향을 보여주기 위해 행으로 배열된다. 새로운 행은 화학적 행동이 반복되기 시작할 때 시작되며, 이는 유사한 행동을 가진 원소가 같은 수직 열에 속함을 의미한다. 4주기에는 칼륨으로 시작하여 크립톤으로 끝나는 18개의 원소가 포함되어 있으며, 18개 족 각각에 하나씩의 원소가 있다. 이 주기에서는 d-구역 (이는 전이 금속을 포함한다)이 주기율표에 처음 나타난다.
특성
[편집]모든 4주기 원소는 안정적이며,[1] 많은 원소가 지구의 지각 및 지구의 핵에 극히 흔하게 존재한다. 불안정한 원소가 없는 마지막 주기이다. 이 주기의 많은 전이 금속은 매우 강력하여, 특히 철과 함께 공업에서 흔하게 사용된다.[2] 일부는 독성을 띠며, 알려진 바나듐 화합물은 모두 독성이 있고,[3] 비소는 가장 잘 알려진 독 중 하나이며, 브로민은 독성 액체이다. 반대로, 많은 원소가 인간 생존에 필수적이며, 예를 들어 칼슘은 뼈의 주요 구성 요소이다.[2]
원자 구조
[편집]원자 번호가 증가함에 따라 쌓음 원리에 따라 이 주기의 원소는 전자를 4s, 3d, 4p 부껍질에 순서대로 배치한다. 그러나 크로뮴과 같은 예외도 있다. 처음 12개 원소인 K, Ca, 및 전이 금속은 각각 1개에서 12개의 원자가 전자를 가지며, 이들은 4s와 3d에 배치된다.
아르곤의 전자 배열을 넘어서 12개의 전자는 아연의 전자 배열인 3d10 4s2에 도달한다. 이 원소 이후로 채워진 3d 부껍질은 화학적으로 거의 관여하지 않으며, 이후의 경향은 2주기와 3주기의 경향과 매우 유사하게 나타난다. 4주기의 p-구역 원소는 네 번째 (n = 4) 껍질의 4s와 4p 부껍질로 구성된 원자가 껍질을 가지며 옥텟 규칙을 따른다.
양자화학에 있어서 이 주기는 단순화된 전자 껍질 패러다임에서 다르게 생긴 부껍질 연구로의 전환을 보여준다. 이들의 에너지 준위 상대적인 배열은 다양한 물리적 효과의 상호작용에 따라 결정된다. 이 주기의 s-구역 금속은 명목상 더 낮은 n = 3 상태에 빈자리가 있음에도 불구하고 4s에 차별 전자를 배치한다 – 이는 더 가벼운 원소에서는 볼 수 없는 현상이다. 반대로, 갈륨부터 크립톤까지의 여섯 원소는 원자가 껍질 아래의 모든 전자 껍질이 완전히 채워진 가장 무거운 원소이다. 이는 n = 4부터 시작하는 f-부껍질의 존재로 인해 이후의 주기에서는 더 이상 가능하지 않다.
원소 목록
[편집]원소 (화학) 구역 전자 배열 19 K 칼륨 s-구역 [Ar] 4s1 20 Ca 칼슘 s-구역 [Ar] 4s2 21 Sc 스칸듐 d-구역 [Ar] 3d1 4s2 22 Ti 타이타늄 d-구역 [Ar] 3d2 4s2 23 V 바나듐 d-구역 [Ar] 3d3 4s2 24 Cr 크로뮴 d-구역 [Ar] 3d5 4s1 (*) 25 Mn 망가니즈 d-구역 [Ar] 3d5 4s2 26 Fe 철 d-구역 [Ar] 3d6 4s2 27 Co 코발트 d-구역 [Ar] 3d7 4s2 28 Ni 니켈 d-구역 [Ar] 3d8 4s2 29 Cu 구리 d-구역 [Ar] 3d10 4s1 (*) 30 Zn 아연 d-구역 [Ar] 3d10 4s2 31 Ga 갈륨 p-구역 [Ar] 3d10 4s2 4p1 32 Ge 저마늄 p-구역 [Ar] 3d10 4s2 4p2 33 As 비소 p-구역 [Ar] 3d10 4s2 4p3 34 Se 셀레늄 p-구역 [Ar] 3d10 4s2 4p4 35 Br 브로민 p-구역 [Ar] 3d10 4s2 4p5 36 Kr 크립톤 p-구역 [Ar] 3d10 4s2 4p6
(*) 마델룽 규칙의 예외
s-구역 원소
[편집]칼륨
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칼륨 (K)은 나트륨 아래, 루비듐 위에 위치한 알칼리 금속이며,[4] 4주기의 첫 번째 원소이다. 가장 반응성이 높은 화학 원소 중 하나로, 주로 화합물 형태로 발견된다. 은색 금속[5]으로 공기 중의 산소에 노출되면 빠르게 변색되며, 이는 산화된다. 칼륨은 칼로 자를 수 있을 정도로 부드러우며[6] 두 번째로 밀도가 낮은 원소이다. 칼륨은 녹는점이 비교적 낮아 작은 불꽃에도 녹는다.[5] 또한 물보다 밀도가 낮아 원칙적으로 물에 뜰 수 있다[7] (단, 물과 접촉하면 반응한다).[5]
칼슘
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칼슘 (Ca)은 이 주기의 두 번째 원소이다. 알칼리 토금속이며, 자연 상태의 칼슘은 물과 반응하기 때문에 거의 발견되지 않는다.[8] 모든 동물과 일부 식물에서 가장 잘 알려진 생물학적 역할을 하며, 뼈와 이빨 같은 구조적 요소를 구성한다.[9] 또한 세포 내에서 세포 과정에 대한 신호와 같은 응용도 있다. 인체에서 가장 풍부한 광물로 간주된다.
d-구역 원소
[편집]스칸듐
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스칸듐 (Sc)은 이 주기의 세 번째 원소이며, 주기율표에서 첫 번째 전이 금속이다. 스칸듐은 자연에서 상당히 흔하지만, 그 화학적 특성이 다른 희토류 원소 화합물과 매우 유사하여 분리하기 어렵다. 스칸듐은 상업적 용도가 거의 없으며, 주요 예외는 알루미늄 합금이다.
타이타늄
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타이타늄 (Ti)은 4족의 원소이다. 타이타늄은 밀도가 가장 낮은 금속 중 하나이면서 가장 강하고 부식에 강한 금속 중 하나이다. 따라서 특히 철과 같은 다른 원소와의 합금에서 많은 용도를 가진다. 비행기, 골프채, 그리고 강하면서도 가벼워야 하는 다른 물건에 흔히 사용된다.
바나듐
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바나듐 (V)은 5족의 원소이다. 바나듐은 자연에서 순수한 형태로 발견되지 않지만, 화합물 형태로 흔히 발견된다. 바나듐은 타이타늄과 여러 면에서 유사하며, 매우 부식에 강하지만 타이타늄과 달리 실온에서도 공기 중에서 산화된다. 모든 바나듐 화합물은 최소한 어느 정도의 독성을 가지며, 일부는 극히 독성이 강하다.
크로뮴
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크로뮴 (Cr)은 6족의 원소이다. 크로뮴은 앞서 타이타늄과 바나듐처럼 극히 부식에 강하며, 실제로 스테인리스강의 주요 구성 요소 중 하나이다. 크로뮴은 또한 많은 색깔 있는 화합물을 가지며, 따라서 크롬 그린과 같은 안료에 매우 흔하게 사용된다.
망가니즈
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망가니즈 (Mn)은 7족의 원소이다. 망가니즈는 종종 철과 함께 발견된다. 망가니즈는 앞서 크로뮴처럼 스테인리스강의 중요한 구성 요소이며, 철이 녹스는 것을 방지한다. 망가니즈는 또한 크로뮴처럼 안료에도 자주 사용된다. 망가니즈는 또한 독성이 있으며, 충분히 흡입되면 돌이킬 수 없는 신경 손상을 일으킬 수 있다.
철
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철 (Fe)은 8족의 원소이다. 철은 이 주기 원소 중 지구에서 가장 흔하며, 아마도 가장 잘 알려진 원소일 것이다. 강철의 주요 구성 요소이다. 철-56은 어떤 원소의 어떤 동위 원소 중에서도 가장 낮은 에너지 밀도를 가지며, 이는 초거성 항성에서 생성될 수 있는 가장 무거운 원소임을 의미한다. 철은 또한 인체 내에서도 몇 가지 용도를 가지는데, 헤모글로빈의 일부는 철이다.
코발트
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코발트 (Co)는 9족의 원소이다. 코발트는 많은 코발트 화합물이 파란색이기 때문에 안료에 흔히 사용된다. 코발트는 또한 많은 자성 및 고강도 합금의 핵심 구성 요소이다. 유일한 안정 동위 원소인 코발트-59는 비타민 B12의 중요한 구성 요소이며, 코발트-60은 핵 낙진의 구성 요소로 방사능 때문에 충분히 많은 양에서는 위험할 수 있다.
니켈
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니켈 (Ni)은 10족의 원소이다. 니켈은 주로 공기 중의 산소와 반응하기 때문에 지구 지각에는 희귀하며, 지구상의 대부분의 니켈은 니켈 철 운석에서 온다. 그러나 니켈은 지구의 핵에 매우 풍부하며, 철과 함께 두 가지 주요 구성 요소 중 하나이다. 니켈은 스테인리스강과 많은 초합금의 중요한 구성 요소이다.
구리
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구리 (Cu)는 11족의 원소이다. 구리는 금, 오스뮴, 세슘 외에는 흰색이나 회색이 아닌 몇 안 되는 금속 중 하나이다. 구리는 수천 년 동안 인간이 많은 물체에 붉은 색조를 제공하기 위해 사용해 왔으며, 심지어 인간에게 필수 영양소이기도 하지만, 너무 많으면 독성이 있다. 구리는 또한 목재 방부제나 살진균제로 흔히 사용된다.
아연
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아연 (Zn)은 12족의 원소이다. 아연은 기원전 10세기부터 사용된 황동의 주요 구성 요소 중 하나이다. 아연은 또한 인간에게 엄청나게 중요하며, 전 세계적으로 거의 20억 명의 사람이 아연 결핍을 겪고 있다. 그러나 너무 많은 아연은 구리 결핍을 유발할 수 있다. 아연은 종종 탄소-아연 전지라고 불리는 배터리에 사용되며, 아연은 매우 부식에 강하기 때문에 많은 도금에서 중요하다.
p-구역 원소
[편집]갈륨
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갈륨 (Ga)은 13족의 원소이며, 알루미늄 아래에 있다. 갈륨은 켈빈 약 303도, 즉 거의 실온에서 녹는점을 가진다는 점이 주목할 만하다. 예를 들어, 일반적인 봄날에는 고체이지만 더운 여름날에는 액체 상태가 될 것이다. 갈륨은 주석과 함께 갈린스탄 합금의 중요한 구성 요소이다. 갈륨은 또한 반도체에서 발견될 수 있다.
저마늄
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저마늄 (Ge)은 14족의 원소이다. 저마늄은 위에 있는 규소와 마찬가지로 중요한 반도체이며, 종종 비소와 함께 다이오드와 트랜지스터에 흔히 사용된다. 저마늄은 지구상에서 상당히 희귀하여 비교적 늦게 발견되었다. 저마늄은 화합물 형태로 때때로 눈, 피부 또는 폐를 자극할 수 있다.
비소
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비소 (As)는 15족 원소인 질소족 원소이다. 위에서 언급했듯이, 비소는 종종 저마늄과의 합금에서 반도체에 사용된다. 비소는 순수한 형태와 일부 합금에서 모든 다세포 생명체에 엄청나게 유독하며, 따라서 살충제의 일반적인 성분이다. 비소는 독성이 발견되기 전에는 일부 안료에도 사용되었다.
셀레늄
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셀레늄 (Se)은 16족 원소인 칼코겐이다. 셀레늄은 4주기의 첫 번째 비금속으로, 황과 유사한 특성을 가진다. 셀레늄은 자연에서 순수한 형태로 매우 희귀하며, 주로 황철석과 같은 광물에서 발견되지만, 그마저도 매우 희귀하다. 셀레늄은 미량으로는 인간에게 필요하지만, 많은 양에서는 독성이 있다. 셀레늄은 단분자 구조에서는 붉은색이지만, 결정 구조에서는 금속성 회색이다.
브로민
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브로민 (Br)은 17족 원소 (할로젠)이다. 자연에서 원소 형태로 존재하지 않는다. 브로민은 실온에서 거의 액체 상태이며, 약 330 켈빈에서 끓는다. 브로민은 또한 상당히 독성이 있고 부식성이 있지만, 비교적 불활성인 브로마이드 이온은 암염 또는 식탁용 소금에서 발견될 수 있다. 브로민은 많은 화합물이 자유 브로민 원자를 방출하도록 만들 수 있기 때문에 종종 방염제로 사용된다.
크립톤
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크립톤 (Kr)은 아르곤 아래, 제논 위에 위치한 비활성 기체이다. 비활성 기체이기 때문에 크립톤은 자신 또는 다른 원소와 거의 상호작용하지 않는다. 화합물이 발견되기는 했지만, 모두 불안정하고 빠르게 붕괴하므로, 크립톤은 형광등에 자주 사용된다. 크립톤은 대부분의 비활성 기체와 마찬가지로 많은 스펙트럼선과 앞서 언급한 이유 때문에 조명에도 사용된다.
생물학적 역할
[편집]많은 4주기 원소는 2차 전령, 구조적 구성 요소 또는 효소 보조 인자로서 단백질 기능 제어에 중요한 역할을 한다. 칼륨 기울기는 세포가 막 전위를 유지하는 데 사용되며, 이는 신경전달물질 발사 및 촉진 확산과 같은 과정을 가능하게 한다. 칼슘은 칼모듈린과 같은 단백질의 일반적인 신호 분자이며 척추동물에서 골격근 수축을 유발하는 데 중요한 역할을 한다. 셀레늄은 비표준 아미노산인 셀레노시스테인의 구성 요소이다. 셀레노시스테인을 포함하는 단백질은 셀레노프로테인으로 알려져 있다. 망가니즈 효소는 진핵생물과 원핵생물 모두가 활용하며, 일부 병원성 박테리아의 독성에서 역할을 할 수도 있다.[10] 바나듐 관련 단백질로도 알려진 바나빈은 일부 멍게 종의 혈액 세포에서 발견된다. 이 단백질의 역할은 논란이 있지만, 산소 운반체 역할을 한다는 추측이 있다. 아연 이온은 많은 DNA 결합 단백질의 아연 집게 환경을 안정화하는 데 사용된다.
4주기 원소는 유기 저분자와 착화되어 보조 인자를 형성할 수도 있다. 가장 유명한 예는 헴이다. 헴은 산소 운반 기능을 담당하는 철 함유 포르피린 화합물로, 미오글로빈과 헤모글로빈의 산소 운반 기능뿐만 아니라 사이토크롬 효소의 촉매 활성에도 관여한다.[11] 투구게, 타란툴라, 문어를 포함한 특정 무척추동물의 혈액에서는 헤모글로빈 대신 헤모시아닌이 산소 운반체로 사용된다. 비타민 B12는 코발트의 몇 안 되는 생화학적 응용 중 하나이다.
각주
[편집]- ↑ “List of Elements of the Periodic Table – Sorted by Abundance in Earth's crust”. Science.co.il. 2012년 8월 14일에 확인함.
- ↑ 가 나 Gray, Theodore (2009). 《The Elements: A Visual Exploration of Every Known Atom in the Universe》. New York: Black Dog & Leventhal Publishers. ISBN 978-1-57912-814-2.
- ↑ Srivastava, A. K. (2000). 《Anti-diabetic and toxic effects of vanadium compounds》. 《Molecular and Cellular Biochemistry》 206. 177–182쪽. doi:10.1023/A:1007075204494. PMID 10839208. S2CID 8871862.
- ↑ “Elements in the Modern Periodic Table, Periodic Classification of Elements”. Tutorvista.com. 2018년 1월 26일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2012년 8월 14일에 확인함.
- ↑ 가 나 다 “Potassium”. 《Chemistry Explained: Foundations and Applications》. Hinsdale, IL: Advameg. 2023. 2012년 8월 14일에 확인함.
- ↑ Office of Science Education. “The Element Potassium”. 《It's Elemental》. Newport News: Jefferson Science Associates. 2012년 8월 14일에 확인함.
- ↑ “Potassium - K”. Lenntech. 1998. 2012년 8월 14일에 확인함.
- ↑ Clark, Jim (December 2021). “Reactions of the Group 2 elements with water”. 2012년 8월 14일에 확인함.
- ↑ 〈Calcium〉 (보고서). Human Vitamin and Mineral Requirements. Rome, Italy: FAO Information Division Publishing and Multimedia Service. 2002. 2012년 8월 14일에 확인함.
- ↑ Makhlynets, Olga; Boal, Amie K.; Rhodes, Delacy V.; Kitten, Todd; Rosenzweig, Amy C.; Stubbe, JoAnne (2014년 2월 28일). 《Streptococcus sanguinis class Ib ribonucleotide reductase: high activity with both iron and manganese cofactors and structural insights》. 《The Journal of Biological Chemistry》 289. 6259–6272쪽. doi:10.1074/jbc.M113.533554. ISSN 1083-351X. PMC 3937692. PMID 24381172.
- ↑ Caputo, Gregory A.; Vaden, Timothy D.; Calabro, Anthony; Lee, Joshua Y.; Kohn, Eric M. (December 2018). 《Heme Dissociation from Myoglobin in the Presence of the Zwitterionic Detergent N,N-Dimethyl-N-Dodecylglycine Betaine: Effects of Ionic Liquids》 (영어). 《Biomolecules》 8. 126쪽. doi:10.3390/biom8040126. PMC 6315634. PMID 30380655.
