7주기 원소

7주기 원소는 주기율표의 일곱 번째 행(또는 주기)에 있는 화학 원소이다. 주기율표는 원자 번호가 증가함에 따라 원소의 화학적 행동에서 반복되는(주기적인) 경향을 보여주기 위해 행으로 배열된다. 화학적 행동이 반복되기 시작할 때 새로운 행이 시작되며, 이는 유사한 행동을 가진 원소들이 같은 수직 열에 속함을 의미한다. 7주기에는 프랑슘으로 시작하여 현재 발견된 가장 무거운 원소인 오가네손으로 끝나는 32개의 원소가 있으며, 6주기와 함께 가장 많은 원소를 포함한다. 일반적으로 7주기 원소는 7s 껍질을 먼저 채우고, 그 다음 5f, 6d, 7p 껍질을 순서대로 채우지만 우라늄과 같은 예외도 있다.

속성

모든 7주기 원소는 방사성이다. 이 주기에는 플루토늄을 포함한 악티늄족 원소가 속하며, 플루토늄은 마지막으로 자연적으로 발생하는 원소이다.^[1]^{[note 1]} 이후의 원소는 인공적으로만 생성된다. 이들 인공 원소 중 처음 5개(아메리슘부터 아인슈타이늄까지)는 이제 거시적 양으로 얻을 수 있지만 대부분은 극히 드물며, 마이크로그램 이하의 양으로만 제조되었다. 후기 초악티늄족 원소는 한 번에 몇 개의 원자 묶음으로만 실험실에서 확인되었다.

이들 원소 중 다수가 희귀하기 때문에 실험 결과가 많지 않지만, 그들의 주기적 및 족 경향은 다른 주기보다 덜 명확하게 정의된다. 프랑슘과 라듐은 각각의 족에 대한 전형적인 특성을 보이지만, 악티늄족 원소는 란타넘족 원소들보다 훨씬 더 다양한 행동과 산화수를 나타낸다. 이러한 특이성은 다양한 요인들, 예를 들어 큰 정도의 스핀-궤도 결합과 상대론적 효과 때문이며 이는 궁극적으로 그들의 거대한 원자핵의 매우 높은 전하 때문에 발생한다. 주기성은 6d 계열 전반에 걸쳐 대부분 유지되며 모스코븀과 리버모륨에 대해서도 예측되지만, 다른 네 개의 7p 원소인 니호늄, 플레로븀, 테네신, 오가네손은 그들의 족에 대해 예상되는 특성과 매우 다른 특성을 가질 것으로 예측된다.

원소

원소 (화학)			구역	전자 배열	존재

87	Fr	프랑슘	S-구역	[Rn] 7s¹	붕괴에 의해
88	Ra	라듐	S-구역	[Rn] 7s²	붕괴에 의해
89	Ac	악티늄	F-구역	[Rn] 6d¹ 7s² (*)	붕괴에 의해
90	Th	토륨	F-구역	[Rn] 6d² 7s² (*)	원시
91	Pa	프로트악티늄	F-구역	[Rn] 5f² 6d¹ 7s² (*)	붕괴에 의해
92	U	우라늄	F-구역	[Rn] 5f³ 6d¹ 7s² (*)	원시
93	Np	넵투늄	F-구역	[Rn] 5f⁴ 6d¹ 7s² (*)	붕괴에 의해
94	Pu	플루토늄	F-구역	[Rn] 5f⁶ 7s²	붕괴에 의해
95	Am	아메리슘	F-구역	[Rn] 5f⁷ 7s²	인공
96	Cm	퀴륨	F-구역	[Rn] 5f⁷ 6d¹ 7s² (*)	인공
97	Bk	버클륨	F-구역	[Rn] 5f⁹ 7s²	인공
98	Cf	캘리포늄	F-구역	[Rn] 5f¹⁰ 7s²	인공
99	Es	아인슈타이늄	F-구역	[Rn] 5f¹¹ 7s²	인공
100	Fm	페르뮴	F-구역	[Rn] 5f¹² 7s²	인공
101	Md	멘델레븀	F-구역	[Rn] 5f¹³ 7s²	인공
102	No	노벨륨	F-구역	[Rn] 5f¹⁴ 7s²	인공
103	Lr	로렌슘	D-구역	[Rn] 5f¹⁴ 7s² 7p¹ (*)	인공
104	Rf	러더포듐	D-구역	[Rn] 5f¹⁴ 6d² 7s²	인공
105	Db	더브늄	D-구역	[Rn] 5f¹⁴ 6d³ 7s²	인공
106	Sg	시보귬	D-구역	[Rn] 5f¹⁴ 6d⁴ 7s²	인공
107	Bh	보륨	D-구역	[Rn] 5f¹⁴ 6d⁵ 7s²	인공
108	Hs	하슘	D-구역	[Rn] 5f¹⁴ 6d⁶ 7s²	인공
109	Mt	마이트너륨	D-구역	[Rn] 5f¹⁴ 6d⁷ 7s² (?)	인공
110	Ds	다름슈타튬	D-구역	[Rn] 5f¹⁴ 6d⁸ 7s² (?)	인공
111	Rg	뢴트게늄	D-구역	[Rn] 5f¹⁴ 6d⁹ 7s² (?)	인공
112	Cn	코페르니슘	D-구역	[Rn] 5f¹⁴ 6d¹⁰ 7s² (?)	인공
113	Nh	니호늄	P-구역	[Rn] 5f¹⁴ 6d¹⁰ 7s² 7p¹ (?)	인공
114	Fl	플레로븀	P-구역	[Rn] 5f¹⁴ 6d¹⁰ 7s² 7p² (?)	인공
115	Mc	모스코븀	P-구역	[Rn] 5f¹⁴ 6d¹⁰ 7s² 7p³ (?)	인공
116	Lv	리버모륨	P-구역	[Rn] 5f¹⁴ 6d¹⁰ 7s² 7p⁴ (?)	인공
117	Ts	테네신	P-구역	[Rn] 5f¹⁴ 6d¹⁰ 7s² 7p⁵ (?)	인공
118	Og	오가네손	P-구역	[Rn] 5f¹⁴ 6d¹⁰ 7s² 7p⁶ (?)	인공

(?) 예측

(*) 쌓음 원리의 예외.

많은 주기율표에서 f-구역은 한 칸 오른쪽으로 잘못 이동되어 란타넘과 악티늄이 d-구역 원소가 되고, Ce–Lu와 Th–Lr이 f-구역을 형성하여 d-구역을 매우 불균형한 두 부분으로 나눈다. 이는 전자 배열에 대한 초기 잘못된 측정의 잔재이다.^[4] 레프 란다우와 예브게니 립시츠는 1948년에 루테튬이 f-구역 원소가 아니라는 점을 지적했으며,^[5] 그 이후로 물리적, 화학적, 전자적 증거는 f-구역이 La–Yb와 Ac–No 원소를 포함한다는 것을 압도적으로 지지하며^[4]^[6] 1988년^[6]과 2021년^[7]의 국제 순수·응용 화학 연합 보고서도 이를 뒷받침한다.

S-구역

프랑슘과 라듐은 7주기의 S-구역 원소이다.

프랑슘 (Fr, 원자 번호 87)은 아스타틴, 라듐, 라돈으로 붕괴하는 고도로 방사성인 금속이다. 이는 세슘과 함께 두 가지 전기 음성도가 가장 낮은 원소 중 하나이다. 알칼리 금속으로서, 하나의 원자가 전자를 가진다. 프랑슘은 1939년 마르게리트 페레에 의해 프랑스 (이 원소의 이름이 유래된 곳)에서 발견되었다.^[8] 이는 합성된 것이 아닌, 자연에서 발견된 마지막 원소이다.^{[note 2]} 실험실 외부에서는 프랑슘이 극히 드물며, 우라늄과 토륨 광석에서 미량으로 발견되는데 이곳에서 동위 원소인 프랑슘-223이 계속해서 형성되고 붕괴한다. 지구의 지각 전체에 걸쳐 언제든지 20-30 g 정도만 존재하며, 다른 동위 원소는 모두 인공적이다. 실험실에서 생산된 가장 많은 양은 300,000개 이상의 원자 뭉치였다.^[9]

라듐 (Ra, 원자 번호 88)은 거의 순백색의 알칼리 토금속이지만, 공기에 노출되면 산소 대신 질소와 반응하여 쉽게 산화되어 검은색으로 변한다. 라듐의 모든 동위 원소는 방사성이다. 가장 안정적인 동위 원소는 반감기가 1601년인 라듐-226으로, 붕괴하여 라돈이 된다. 이러한 불안정성 때문에 라듐은 희미한 푸른빛을 발한다. 라듐은 염화 라듐 형태로 마리와 피에르 퀴리가 1898년에 발견했다. 그들은 우라니나이트에서 라듐 화합물을 추출하여 5일 후 프랑스 과학 아카데미에 이 발견을 발표했다. 라듐은 1910년 마리 퀴리와 앙드레-루이 드비에른이 염화 라듐의 전기 분해를 통해 금속 상태로 분리했다. 발견 이후 라듐은 라듐-226의 붕괴 생성물인 다른 원소의 여러 동위 원소에 라듐 A 및 라듐 C₂와 같은 이름을 부여했다. 자연에서는 라듐이 우라늄 광석에서 1톤당 7분의 1그램이라는 미량으로 발견된다. 라듐은 생명체에 필수적이지 않으며, 방사능과 화학적 반응성 때문에 생화학적 과정에 통합되면 건강에 해로운 영향을 미칠 가능성이 크다.

악티늄족

악티늄족 또는 악티노이드 (IUPAC 명명법) 계열은 원자 번호 89부터 103까지, 즉 악티늄부터 로렌슘까지의 15개 금속 화학 원소를 포함한다.^[11]^[12]^[13]^[14]

악티늄족 계열은 첫 번째 원소인 악티늄의 이름을 따서 명명되었다. 악티늄족 원소 중 로렌슘을 제외한 모든 원소는 5f 전자 껍질을 채우는 것에 해당하는 F-구역 원소이며, D-구역 원소인 로렌슘도 일반적으로 악티늄족으로 간주된다. 대부분 F-구역 원소인 란타넘족과 비교하여 악티늄족은 훨씬 더 다양한 원자가를 보인다.

악티늄족 중 토륨과 우라늄은 상당한 원시 양으로 자연적으로 존재한다. 우라늄의 방사성 붕괴는 악티늄, 프로트악티늄, 플루토늄의 일시적인 양을 생성하며, 넵투늄과 플루토늄 원자는 핵변환을 통해 우라늄 광석에서 가끔 생성된다. 다른 악티늄족 원소는 순전히 인공 원소이지만, 플루토늄 이후의 처음 여섯 악티늄족 원소는 오클로에서 생성되었을 것이고(이미 오래 전에 붕괴되었겠지만), 퀴륨은 거의 확실히 이전에 절멸 방사성 핵종으로 자연에 존재했을 것으로 추정된다.^[11]^[15] 핵 실험은 플루토늄보다 무거운 최소 여섯 악티늄족 원소를 환경으로 방출했으며, 1952년 수소 폭탄 폭발 잔해 분석 결과 아메리슘, 퀴륨, 버클륨, 캘리포늄, 아인슈타이늄, 페르뮴의 존재가 확인되었다.^[16]

모든 악티늄족 원소는 방사성이며 방사성 붕괴 시 에너지를 방출한다. 자연적으로 발생하는 우라늄과 토륨, 그리고 인공적으로 생산된 플루토늄은 지구상에서 가장 풍부한 악티늄족 원소이다. 이들은 원자로와 핵무기에 사용된다. 우라늄과 토륨은 또한 다양하고 현재적이거나 역사적인 용도를 가지고 있으며, 아메리슘은 대부분의 현대 연기 감지기의 이온화 챔버에 사용된다.

주기율표의 표기에서 란타넘족과 악티늄족은 일반적으로 주기율표 본체 아래 두 개의 추가 행으로 표시되며,^[11] 바륨과 하프늄 사이, 라듐과 러더포듐 사이의 본체 표의 단일 셀에 각각 란타넘 또는 루테튬, 그리고 악티늄 또는 로렌슘 중 선택된 단일 원소 또는 자리 표시자가 표시된다. 이 관습은 전적으로 미학과 서식의 실용성 문제이며, 거의 사용되지 않는 넓게 서식된 주기율표 (32열)는 란타넘족과 악티늄족 계열을 표의 여섯 번째와 일곱 번째 행(주기)의 일부로써 적절한 열에 보여준다.

초악티늄족

초악티늄족 원소(또한 초악티늄족 또는 초중원소)는 악티늄족 원소보다 원자 번호가 큰 원소를 말하며, 악티늄족의 가장 무거운 원소는 로렌슘 (103)이다.^[17]^[18] 7주기의 모든 초악티늄족 원소는 오가네손 (원소 118)까지 발견되었다.

초중원소는 초우라늄 원소에도 속하며, 우라늄 (92)보다 원자 번호가 크다. 악티늄족보다 원자 번호가 크다는 추가적인 구별은 여러 면에서 중요하다.

초악티늄족 원소는 모두 바닥 상태에서 6d 부껍질에 전자를 가지고 있다 (따라서 D-구역에 배치된다).
많은 초악티늄족 원소의 가장 오래 알려진 동위 원소조차도 극히 짧은 반감기를 가지며, 초 또는 그보다 작은 단위로 측정된다.
원소 명명 논란은 처음 다섯 또는 여섯 개의 초악티늄족 원소와 관련이 있었다. 따라서 이 원소들은 발견이 확인된 후에도 오랫동안 세 글자의 체계적 이름을 사용했다. (일반적으로 세 글자 기호는 발견이 확인된 후 비교적 빨리 두 글자 기호로 대체된다.)

초악티늄족 원소는 방사성이며 실험실에서 합성으로만 얻을 수 있다. 이들 원소 중 어떤 것도 거시적인 샘플로 수집된 적이 없다. 초악티늄족 원소는 모두 과학자 또는 원소 합성과 관련된 중요한 장소의 이름을 따서 명명되었다.

악티늄족 개념을 처음 제안하여 악티늄족 계열의 수용으로 이어진 노벨 화학상 수상자 글렌 T. 시보그는 원소 104부터 121까지의 초악티늄족 계열과 대략 원소 122부터 153까지의 초악티늄족 원소 계열의 존재도 제안했다. 초악티늄족 원소인 시보귬은 그의 이름을 따서 명명되었다.

IUPAC은 원소가 전자 구름을 형성하는 데 필요한 시간인 10⁻¹⁴초보다 긴 수명을 가질 경우 존재하는 것으로 정의한다.^[19]

내용주

↑ ²³⁹Pu의 미량은 ²³⁸U의 중성자 포획과 후속 베타 붕괴를 통해 우라늄 광물에서 발견된다.^[2] 또한 장수명 동위 원소인 ²⁴⁴Pu가 원시적으로 존재할 가능성도 있다.^[3]
↑ 테크네튬과 같이 합성을 통해 발견된 일부 원소는 나중에 자연에서 발견되었다.

각주

↑ “Periodic Table – Royal Society of Chemistry”. 《www.rsc.org》. 2023년 10월 19일에 확인함.
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↑ Wu, Yang; Dai, Xiongxin; Shan, Xing; Maoyi, Luo; Marcus, Christl; Hans-Arno, Synal; Shaochun, Hou (2022). 《Direct search for primordial ²⁴⁴Pu in Bayan Obo bastnaesite》. 《Chinese Chemical Letters》 33. 3522–3526쪽. doi:10.1016/j.cclet.2022.03.036. 2024년 1월 29일에 확인함.
1 2 William B. Jensen (1982). 《The Positions of Lanthanum (Actinium) and Lutetium (Lawrencium) in the Periodic Table》. 《J. Chem. Educ.》 59. 634–636쪽. Bibcode:1982JChEd..59..634J. doi:10.1021/ed059p634.
↑ L. D. Landau, E. M. Lifshitz (1958). 《Quantum Mechanics: Non-Relativistic Theory》 1판 3. Pergamon Press. 256–7쪽.
1 2 Fluck, E. (1988). 《New Notations in the Periodic Table》 (PDF). 《Pure Appl. Chem.》 60. 431–436쪽. doi:10.1351/pac198860030431. S2CID 96704008. 2012년 3월 25일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서. 2012년 3월 24일에 확인함.
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1 2 3 Gray, Theodore (2009). 《The Elements: A Visual Exploration of Every Known Atom in the Universe》. New York: Black Dog & Leventhal Publishers. 240쪽. ISBN 978-1-57912-814-2.
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↑ "actinoid" (악티노이드)는 "actinium-like" (악티늄과 유사한)를 의미하므로 악티늄을 제외해야 하지만, 이 원소는 일반적으로 이 계열에 포함된다.
↑ Connelly, Neil G. 외 (2005). 〈Elements〉. 《Nomenclature of Inorganic Chemistry》. London: 왕립화학회. 52쪽. ISBN 978-0-85404-438-2.
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↑ “Kernchemie”.

[4] ²³⁹Pu의 미량은 ²³⁸U의 중성자 포획과 후속 베타 붕괴를 통해 우라늄 광물에서 발견된다.^[2] 또한 장수명 동위 원소인 ²⁴⁴Pu가 원시적으로 존재할 가능성도 있다.^[3]

[10] 테크네튬과 같이 합성을 통해 발견된 일부 원소는 나중에 자연에서 발견되었다.

[1] “Periodic Table – Royal Society of Chemistry”. 《www.rsc.org》. 2023년 10월 19일에 확인함.

[2] Miner, William N.; Schonfeld, Fred W. (1968). 〈Plutonium〉. Clifford A. Hampel (편집). 《The Encyclopedia of the Chemical Elements》. New York (NY): Reinhold Book Corporation. 541쪽. LCCN 68029938.

[3] Wu, Yang; Dai, Xiongxin; Shan, Xing; Maoyi, Luo; Marcus, Christl; Hans-Arno, Synal; Shaochun, Hou (2022). 《Direct search for primordial ²⁴⁴Pu in Bayan Obo bastnaesite》. 《Chinese Chemical Letters》 33. 3522–3526쪽. doi:10.1016/j.cclet.2022.03.036. 2024년 1월 29일에 확인함.

[Jensen1982-5] 1 2 William B. Jensen (1982). 《The Positions of Lanthanum (Actinium) and Lutetium (Lawrencium) in the Periodic Table》. 《J. Chem. Educ.》 59. 634–636쪽. Bibcode:1982JChEd..59..634J. doi:10.1021/ed059p634.

[Landau-6] L. D. Landau, E. M. Lifshitz (1958). 《Quantum Mechanics: Non-Relativistic Theory》 1판 3. Pergamon Press. 256–7쪽.

[Fluck-7] 1 2 Fluck, E. (1988). 《New Notations in the Periodic Table》 (PDF). 《Pure Appl. Chem.》 60. 431–436쪽. doi:10.1351/pac198860030431. S2CID 96704008. 2012년 3월 25일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서. 2012년 3월 24일에 확인함.

[2021IUPAC-8] Scerri, Eric (2021년 1월 18일). 《Provisional Report on Discussions on Group 3 of the Periodic Table》 (PDF). 《Chemistry International》 43. 31–34쪽. doi:10.1515/ci-2021-0115. S2CID 231694898. 2021년 4월 13일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서. 2021년 4월 9일에 확인함.

[9] “Francium | Radioactive, Alkali Metal, Rare | Britannica” (영어). 《www.britannica.com》. 2023년 10월 19일에 확인함.

[chemnews-11] Luis A. Orozco (2003). 《Francium》. 《Chemical and Engineering News》.

[12] The Manhattan Project. An Interactive History. US Department of Energy

[Gray-13] 1 2 3 Gray, Theodore (2009). 《The Elements: A Visual Exploration of Every Known Atom in the Universe》. New York: Black Dog & Leventhal Publishers. 240쪽. ISBN 978-1-57912-814-2.

[14] Actinide element, Encyclopædia Britannica on-line

[15] "actinoid" (악티노이드)는 "actinium-like" (악티늄과 유사한)를 의미하므로 악티늄을 제외해야 하지만, 이 원소는 일반적으로 이 계열에 포함된다.

[16] Connelly, Neil G. 외 (2005). 〈Elements〉. 《Nomenclature of Inorganic Chemistry》. London: 왕립화학회. 52쪽. ISBN 978-0-85404-438-2.

[g1250-17] Greenwood, p. 1250

[18] Fields, P.; Studier, M.; Diamond, H.; Mech, J.; Inghram, M.; Pyle, G.; Stevens, C.; Fried, S.; Manning, W. (1956). 《Transplutonium Elements in Thermonuclear Test Debris》. 《Physical Review》 102. 180쪽. Bibcode:1956PhRv..102..180F. doi:10.1103/PhysRev.102.180.

[19] IUPAC Provisional Recommendations for the Nomenclature of Inorganic Chemistry (2004) 보관됨 2006-10-27 - 웨이백 머신 (online draft of an updated version of the "Red Book" IR 3–6)

[20] Morss, Lester R.; Edelstein, Norman M.; Fuger, Jean 편집 (2006). 《The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements》 3판. Dordrecht, The Netherlands: Springer. ISBN 978-1-4020-3555-5.

[21] “Kernchemie”.

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