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12족 원소

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12족 원소
수소 헬륨
리튬 베릴륨 붕소 탄소 질소 산소 플루오린 네온
나트륨 마그네슘 알루미늄 규소 인 황 염소 아르곤
칼륨 칼슘 스칸듐 타이타늄 바나듐 크로뮴 망가니즈 철 코발트 니켈 구리 아연 갈륨 저마늄 비소 셀레늄 브로민 크립톤
루비듐 스트론튬 이트륨 지르코늄 나이오븀 몰리브데넘 테크네튬 루테늄 로듐 팔라듐 은 카드뮴 인듐 주석 안티모니 텔루륨 아이오딘 제논
세슘 바륨 란타넘 세륨 프라세오디뮴 네오디뮴 프로메튬 사마륨 유로퓸 가돌리늄 터븀 디스프로슘 홀뮴 어븀 툴륨 이터븀 루테튬 하프늄 탄탈럼 텅스텐 레늄 오스뮴 이리듐 백금 금 수은 탈륨 납 비스무트 폴로늄 아스타틴 라돈
프랑슘 라듐 악티늄 토륨 프로트악티늄 우라늄 넵투늄 플루토늄 아메리슘 퀴륨 버클륨 캘리포늄 아인슈타이늄 페르뮴 멘델레븀 노벨륨 로렌슘 러더포듐 더브늄 시보귬 보륨 하슘 마이트너륨 다름슈타튬 뢴트게늄 코페르니슘 니호늄 플레로븀 모스코븀 리버모륨 테네신 오가네손
11족 ←    → 붕소족
IUPAC 족 번호 12
원소별 이름 아연족
CAS 족 번호
(미국, A-B-A 패턴)
 IIB
구 IUPAC 번호
(유럽, A-B 패턴)
 IIB
↓ 주기
4 아연 (Zn)
30 전이 금속
5 카드뮴 (Cd)
48 전이 금속
6 수은 (Hg)
80 전이 금속
7 코페르니슘 (Cn)
112 전이 금속

범례

원시 원소
인공 원소

12족 원소는 현대 IUPAC 명명법에 따른 주기율표의 화학 원소 족이다.[1] 아연 (Zn), 카드뮴 (Cd), 수은 (Hg),[2][3][4] 코페르니슘 (Cn)이 포함된다.[5] 예전에는 이 족을 CAS 및 구 IUPAC 체계에 따라 IIB(로마 숫자 "II"이기 때문에 "그룹 2B"로 발음)라고 불렀다.[note 1]

자연적으로 발생하는 12족 원소 세 가지는 아연, 카드뮴, 수은이다. 이들은 모두 전기 및 전자 응용 분야뿐만 아니라 다양한 합금에도 널리 사용된다. 이 족의 처음 두 원소는 표준 조건에서 고체 금속이므로 유사한 특성을 공유한다. 수은은 실온에서 액체로 알려진 유일한 금속이다. 코페르니슘의 끓는점이 아직 충분히 정확하게 측정되지 않았기 때문에,[note 2] 표준 조건에서 액체인지 기체인지는 아직 알려지지 않았다. 아연은 살아있는 유기체의 생화학에서 매우 중요하지만, 카드뮴과 수은은 둘 다 독성이 매우 강하다. 코페르니슘은 자연에 존재하지 않으므로 실험실에서 합성해야 한다.

d-껍질이 완전히 차 있기 때문에 때때로 전이 금속에서 제외되기도 한다.

물리적 및 원자적 특성

주기율표의 다른 족과 마찬가지로 12족 원소는 전자 배치, 특히 가장 바깥 껍질에서 패턴을 보이며, 이는 화학적 행동의 경향을 만들어낸다.

Z 원소 껍질당 전자 수
30 아연 2, 8, 18, 2
48 카드뮴 2, 8, 18, 18, 2
80 수은 2, 8, 18, 32, 18, 2
112 코페르니슘 2, 8, 18, 32, 32, 18, 2
(예측)

12족 원소는 모두 부드럽고 반자성이며 2가 원소 금속이다. 모든 전이 금속 중에서 녹는점이 가장 낮다.[8] 아연은 푸르스름한 흰색이며 광택이 나지만,[9] 대부분의 일반적인 상업용 금속은 무광택 모양이다.[10] 아연은 비과학적 맥락에서는 백연이라고도 불린다.[11] 카드뮴은 부드럽고, 연성, 전성이 있으며 푸르스름한 흰색이다. 수은은 액체이며 무겁고 은백색 금속이다. 상온에서 유일하게 흔한 액체 금속이며, 다른 금속에 비해 열전도율이 낮지만 전기전도율은 적당하다.[12]

아래 표는 12족 원소의 주요 물리적 특성을 요약한 것이다. 코페르니슘의 데이터는 상대론적 밀도 범함수 이론 시뮬레이션을 기반으로 한다.[13]

12족 원소의 특성
이름 아연 카드뮴 수은 코페르니슘
녹는점 693 K (420 °C) 594 K (321 °C) 234 K (−39 °C) 283±11 K[13] (10 °C)
끓는점 1180 K (907 °C) 1040 K (767 °C) 630 K (357 °C) 340±10 K[13] (60 °C)
밀도 7.14 g·cm−3 8.65 g·cm−3 13.534 g·cm−3 14.0 g·cm−3[13]
외관 은색 푸르스름한 회색 은회색 은색 ?
원자 반지름 135 pm 155 pm 150 pm ? 147 pm

아연은 철보다 밀도가 약간 낮고 육각형 결정 구조를 갖는다.[14] 이 금속은 대부분의 온도에서 단단하고 부서지기 쉽지만 100~150 °C 사이에서는 연성을 띤다.[9][10] 210 °C (483 K) 이상에서는 금속이 다시 부서지기 쉬워지고 충격으로 분쇄될 수 있다.[15] 아연은 적당한 전기 전도체이다.[9] 금속으로서는 아연은 상대적으로 낮은 녹는점(419.5 °C, 692.6 K)과 끓는점(907 °C, 1,180 K)을 갖는다.[8] 카드뮴은 여러 면에서 아연과 유사하지만 착물을 형성한다.[16] 다른 금속과 달리 카드뮴은 부식에 강하여 다른 금속에 증착될 때 보호층으로 사용된다. 벌크 금속으로서 카드뮴은 물에 녹지 않고 가연성이 없지만, 분말 형태에서는 연소하여 유독성 기체를 방출할 수 있다.[17] 수은은 d-구역 금속 중에서 예외적으로 낮은 녹는점을 가지고 있다. 이 사실에 대한 완전한 설명은 양자 물리학에 대한 깊은 탐구가 필요하지만 다음과 같이 요약할 수 있다. 수은은 전자가 사용 가능한 모든 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d, 4s, 4p, 4d, 4f, 5s, 5p, 5d 및 6s 부껍질을 채우는 독특한 전자 배치를 가지고 있다. 이러한 배치는 전자의 제거에 강력히 저항하므로, 수은은 약한 결합을 형성하고 쉽게 녹는 고체를 형성하는 비활성 기체 원소와 유사하게 행동한다. 6s 껍질의 안정성은 채워진 4f 껍질의 존재 때문이다. f 껍질은 6s 껍질과 핵의 인력적인 쿨롱 상호작용을 증가시키는 핵 전하를 잘 가리지 못한다 (란타넘족 수축 참조). 채워진 내부 f 껍질의 부재는 카드뮴과 아연의 녹는점이 다소 높은 이유이지만, 이 두 금속은 여전히 쉽게 녹고 또한 비정상적으로 낮은 끓는점을 갖는다. 금은 수은보다 6s 전자가 하나 적은 원자를 갖는다. 이 전자는 더 쉽게 제거되며, 금 원자 사이에서 공유되어 비교적 강한 금속 결합을 형성한다.[18][19]

아연, 카드뮴, 수은은 다양한 합금을 형성한다. 아연을 함유한 합금 중 황동은 아연과 구리의 합금이다. 아연과 이원 합금을 형성하는 것으로 오랫동안 알려진 다른 금속으로는 알루미늄, 안티모니, 비스무트, 금, 철, 납, 수은, 은, 주석, 마그네슘, 코발트, 니켈, 텔루륨, 나트륨이 있다.[11] 아연이나 지르코늄 모두 강자성을 띠지 않지만, 그 합금 ZrZn
2는 35 K 이하에서 강자성을 나타낸다.[9] 카드뮴은 낮은 마찰 계수와 피로 저항성 때문에 많은 종류의 땜납 및 베어링 합금에 사용된다.[20] 또한 우드 합금과 같이 녹는점이 가장 낮은 합금 중 일부에서도 발견된다.[21] 수은은 액체이기 때문에 다른 금속을 용해시키고 형성되는 합금은 아말감이라고 불린다. 예를 들어 금, 아연, 나트륨 및 기타 여러 금속과의 아말감은 알려져 있다. 철은 예외이므로, 철 플라스크는 전통적으로 수은을 거래하는 데 용기로 사용되었다. 수은과 아말감을 형성하지 않는 다른 금속으로는 탄탈럼, 텅스텐 및 백금이 있다. 나트륨 아말감은 유기 합성에서 흔히 사용되는 환원제이며, 고압 나트륨등에도 사용된다. 수은은 두 순수 금속이 접촉할 때 수은-알루미늄 아말감을 형성하기 위해 알루미늄과 쉽게 결합한다. 아말감은 공기와 반응하여 산화 알루미늄을 생성하므로, 소량의 수은은 알루미늄을 부식시킨다. 이러한 이유로, 수은은 항공기의 노출된 알루미늄 부품과 아말감을 형성할 위험 때문에 대부분의 경우 항공기 탑재가 허용되지 않는다.[22]

화학

대부분의 화학은 12족의 처음 세 원소에서만 관찰되었다. 코페르니슘의 화학은 잘 확립되지 않았으므로, 이 문단에서는 아연, 카드뮴, 수은만 다룬다.

주기적 경향

이 족의 모든 원소는 금속이다. 카드뮴과 수은의 금속 반지름의 유사성은 란타넘족 수축의 효과이다. 따라서 이 족의 경향은 2족의 경향과 다르며, 2족에서는 금속 반지름이 족 위에서 아래로 부드럽게 증가한다. 세 금속 모두 상대적으로 낮은 녹는점과 끓는점을 가지며, 이는 금속 결합이 상대적으로 약하고 원자가띠와 전도띠 사이의 겹침이 상대적으로 적음을 나타낸다.[23] 따라서 아연은 금속 원소와 준금속 원소 사이의 경계에 가까운데, 이 경계는 일반적으로 갈륨과 저마늄 사이에 위치하지만, 갈륨은 비소화 갈륨과 같은 반도체에 참여한다.

아연과 카드뮴은 양전하를 띠는 반면 수은은 그렇지 않다.[23] 그 결과, 아연과 카드뮴 금속은 좋은 환원제이다. 12족 원소는 +2의 산화수를 가지며, 이온은 완전한 부껍질을 가진 매우 안정한 d10 전자 배치를 갖는다. 그러나 수은은 쉽게 +1 산화수로 환원될 수 있으며 일반적으로 이온 Hg2+
2와 같이 두 개의 수은(I) 이온이 함께 금속-금속 결합을 형성하고 반자성 종을 형성한다.[24] 카드뮴은 [Cd2Cl6]4−와 같은 종을 형성할 수도 있는데, 여기서 금속의 산화수는 +1이다. 수은과 마찬가지로, 금속-금속 결합의 형성은 짝지어지지 않은 전자가 없는 반자성 화합물을 만들며 따라서 이 종은 매우 반응성이 높다. 아연(I)은 대부분 기체상에서 선형 Zn2Cl2와 같은 화합물에서 알려져 있으며, 이는 칼로멜과 유사하다. 고체상에서는 다소 이국적인 화합물 데카메틸디아연 (Cp*Zn–ZnCp*)이 알려져 있다.

분류

12족 원소는 일반적으로 d-구역 원소로 간주되지만, d-껍질이 가득 차 있기 때문에 전이 금속으로 간주되지 않는다. 일부 저자는 원자가 전자가 ns2 오비탈에 있기 때문에 이 원소를 전형 원소로 분류한다. 그럼에도 불구하고, 이들은 주기율표의 인접한 11족 원소(구리, 은, 금)와 많은 특성을 공유하며, 11족 원소는 거의 보편적으로 전이 원소로 간주된다. 예를 들어, 아연은 인접한 전이 금속인 구리와 많은 특성을 공유한다. 아연 착물은 구리(II) 착물과 동일한 화학량론을 가진 많은 착물을 형성하므로, 비록 안정성 상수가 더 작지만 어빙-윌리엄스 계열에 포함될 가치가 있다.[25] 카드뮴과 은 사이에는 유사성이 거의 없는데, 은(II) 화합물은 드물고 존재하는 화합물은 매우 강력한 산화제이기 때문이다. 마찬가지로 금의 일반적인 산화수는 +3이며, 이는 수은과 금 사이에 많은 공통 화학이 없음을 의미하지만, 선형 디시아노 착물인 [M(CN)2]−의 형성처럼 수은(I)과 금(I) 사이에는 유사성이 있다. IUPAC의 전이 금속 정의(원자 또는 불완전한 d 부껍질을 가진 양이온을 생성할 수 있는 원소)에 따르면[26] 아연과 카드뮴은 전이 금속이 아니지만, 수은은 전이 금속이다. 이는 수은만이 산화수가 +2보다 높은 화합물(플루오린화 수은(IV))을 가지는 것으로 알려져 있기 때문이다(비록 그 존재는 논란의 여지가 있으며, 이후 합성 확인 실험에서는 HgF4의 증거를 찾지 못했다).[27][28] 그러나 이 분류는 비평형 조건에서 관찰된 매우 비정형적인 화합물에 기반을 두고 있으며 수은의 더 일반적인 화학 성질과 모순되며, 젠센은 수은을 전이 금속이 아닌 것으로 간주하는 것이 더 낫다고 제안했다.[29]

알칼리 토금속과의 관계

12족은 현대 18족 주기율표의 d-구역에 속하지만, 아연, 카드뮴, (거의 항상) 수은의 d 전자는 중심 전자처럼 행동하며 결합에 참여하지 않는다. 이러한 행동은 전형 원소의 행동과 유사하지만, 인접한 11족 원소 (구리, 은, 금)의 행동과는 극명한 대조를 이룬다. 11족 원소도 바닥 상태 전자 배열에서 채워진 d-부껍질을 가지고 있지만 화학적으로는 전이 금속처럼 행동한다. 예를 들어, 황화 크로뮴(II) (CrS)의 결합에는 주로 3d 전자가 참여하고, 황화 철(II) (FeS)의 결합에는 3d 및 4s 전자가 모두 참여하지만 황화 아연 (ZnS)의 결합에는 4s 전자만 참여하고 3d 전자는 중심 전자처럼 행동한다. 실제로, 이들의 특성과 2족의 처음 두 원소인 베릴륨과 마그네슘 사이에 유용한 비교를 할 수 있으며, 이전의 단축형 주기율표 배열에서는 이러한 관계가 더 명확하게 설명된다. 예를 들어 아연과 카드뮴은 원자 반지름, 이온 반지름, 전기 음성도에서 베릴륨 및 마그네슘과 유사하며, 이성분 화합물의 구조와 많은 질소 및 산소 리간드와 착이온을 형성하는 능력(예: 착 수소화물 및 아민)에서도 유사하다. 그러나 베릴륨과 마그네슘은 작은 원자이며, 더 무거운 알칼리 토금속과 달리 12족 원소(더 큰 핵 전하를 가지지만 동일한 수의 원자가 전자를 가짐)와 같고, 베릴륨에서 라듐까지 2족을 따라 내려가는 주기적 경향(알칼리 금속과 유사)은 d-구역 수축 및 란타넘족 수축으로 인해 베릴륨에서 수은으로 내려갈 때(p-블록 주족과 더 유사) 부드럽지 않다. 또한 수은의 많은 독특한 특성을 부여하는 것은 d-구역 및 란타넘족 수축이다.[29]

알칼리 토금속과 12족 원소의 특성 비교 (코페르니슘은 예측값)[29]
이름 베릴륨 마그네슘 칼슘 스트론튬 바륨 라듐
원자가 전자 배치 2s2 3s2 4s2 5s2 6s2 7s2
핵심 전자 배치 [He] [Ne] [Ar] [Kr] [Xe] [Rn]
산화수[note 3] +2, +1 +2, +1 +2, +1 +2, +1 +2 +2
녹는점 1560 K (1287 °C) 923 K (650 °C) 1115 K (842 °C) 1050 K (777 °C) 1000 K (727 °C) 973 K (700 °C)
끓는점 2742 K (2469 °C) 1363 K (1090 °C) 1757 K (1484 °C) 1655 K (1382 °C) 2170 K (1897 °C) 2010 K (1737 °C)
외관 백회색 금속성 광택 있는 회색 금속성 칙칙한 은회색 은백색 금속성 은회색 은백색 금속성
밀도 1.85 g·cm−3 1.738 g·cm−3 1.55 g·cm−3 2.64 g·cm−3 3.51 g·cm−3 5.5 g·cm−3
폴링 전기 음성도 1.57 1.31 1.00 0.95 0.89 0.9
원자 반지름 105 pm 150 pm 180 pm 200 pm 215 pm 215 pm
결정 이온 반지름 59 pm 86 pm 114 pm 132 pm 149 pm 162 pm
불꽃 반응 색 흰색[29] 선명한 흰색[30] 벽돌색[30] 진홍색[30] 사과 녹색[30] 진홍색 빨강[note 4]
유기금속화학 좋음 좋음 불량 매우 불량 매우 불량 극히 불량
수산화물 양쪽성 염기성 염기성 강염기성 강염기성 강염기성
산화물 양쪽성 강염기성 강염기성 강염기성 강염기성 강염기성
이름 베릴륨 마그네슘 아연 카드뮴 수은 코페르니슘
원자가 전자 배치 2s2 3s2 4s2 5s2 6s2 ? 7s2
핵심 전자 배치 [He] [Ne] [Ar]3d10 [Kr]4d10 [Xe]4f145d10 ? [Rn]5f146d10
산화수[note 3] +2, +1 +2, +1 +2, +1 +2, +1 +2, +1 ? +4, +2, +1, 0[32][33][34]
녹는점 1560 K (1287 °C) 923 K (650 °C) 693 K (420 °C) 594 K (321 °C) 234 K (−39 °C) 283±11 K (10 °C)
끓는점 2742 K (2469 °C) 1363 K (1090 °C) 1180 K (907 °C) 1040 K (767 °C) 630 K (357 °C) 340±10 K (60 °C)
외관 백회색 금속성 광택 있는 회색 금속성 은색 푸르스름한 회색 금속성 은회색 은색 ?
밀도 1.85 g·cm−3 1.738 g·cm−3 7.14 g·cm−3 8.65 g·cm−3 13.534 g·cm−3 14.0 g·cm−3
폴링 전기 음성도 1.57 1.31 1.65 1.69 2.00 ?
원자 반지름 105 pm 150 pm 135 pm 155 pm 150 pm ? 147 pm[33]
결정 이온 반지름 59 pm 86 pm 88 pm 109 pm 116 pm ? 75 pm[33]
불꽃 반응 색 흰색 선명한 흰색 푸르스름한 녹색[note 5] ? ? ?
유기금속화학 좋음 좋음 좋음 좋음 좋음 ?
수산화물 양쪽성 염기성 양쪽성 약염기성 ? ?
산화물 양쪽성 강염기성 양쪽성 약염기성 약염기성 ?

화합물

파일:Icons8 flat search.svg 아연 화합물, 유기아연 화합물, 유기카드뮴 화합물 및 유기수은 화합물 문서를 참고하십시오.

세 금속 이온 모두 MCl2−
4와 같은 많은 사면체형 종을 형성한다. 아연과 카드뮴 모두 수용액 이온 [M(H2O)6]2+와 같은 팔면체 착물을 형성할 수 있으며, 이들은 이들 금속 염의 수용액에 존재한다.[35] s 및 p 오비탈을 사용하여 공유 특성을 달성한다. 그러나 수은은 배위수 4를 거의 초과하지 않는다. 배위수 2, 3, 5, 7, 8도 알려져 있다.

역사

12족 원소는 고대부터 사용되다가 실험실에서 발견되기까지 여러 역사를 통해 이어졌다. 12족 자체는 관용명을 얻지 못했지만, 과거에는 IIB족으로 불렸다.

아연

아연은 2000년 이상 된 황동과 같은 합금뿐만 아니라 고대에도 불순한 형태로 사용되었다.[36][37] 아연은 1374년경에 쓰여진 힌두 왕 마다나팔라(타카 왕조)가 작성한 의학 사전에서 "파사다"라는 이름으로 금속으로 명확하게 인식되었다.[38] 이 금속은 연금술사에게도 유용하게 사용되었다.[39] 이 금속의 이름은 16세기에 처음 기록되었고,[40][41] 아마도 금속 결정의 바늘 모양 때문에 독일어 zinke에서 유래했다고 추정된다.[42]

파일:Zinc symbol (fixed width).svg
아연 원소의 연금술 기호

서양에서 금속 아연의 분리는 17세기에 여러 사람에 의해 독립적으로 이루어졌다고 추정된다.[43] 독일 화학자 안드레아스 마르크그라프는 일반적으로 1746년 실험에서 칼라민과 목탄 혼합물을 구리 없이 밀폐 용기에서 가열하여 금속을 얻음으로써 순수 금속 아연을 발견한 공로를 인정받는다.[44] 1780년 이탈리아 의사 루이지 갈바니가 황동으로 개구리에 대한 실험을 통해 전기 배터리, 아연 도금 및 음극 보호의 발견에 길을 열었다.[45][46] 1799년, 갈바니의 친구인 알레산드로 볼타는 볼타 전지를 발명했다.[45] 아연의 생물학적 중요성은 1940년 탄산 무수화효소 (혈액에서 이산화탄소를 제거하는 효소)의 활성 부위에 아연이 있음이 밝혀질 때까지 발견되지 않았다.[47]

카드뮴

1817년, 프리드리히 슈트로마이어와 카를 사무엘 레베레히트 헤르만이 독일에서 탄산 아연 광물(칼라민)의 불순물로 카드뮴을 발견했다.[48] 이 이름은 카드뮴을 함유한 광물 혼합물인 "칼라민"을 의미하는 라틴어 cadmia에서 유래했으며, 이는 다시 카드모스라는 그리스 신화 인물의 이름을 따서 명명되었다.[49] 슈트로마이어는 결국 로스팅과 황화물 환원을 통해 금속 카드뮴을 분리했다.[50][51][52]

1927년, 국제 도량형 위원회는 적색 카드뮴 스펙트럼 선(1 m = 1,553,164.13 파장)을 기준으로 미터를 재정의했다.[53] 이 정의는 그 이후 변경되었다(크립톤 참조). 동시에, 국제 미터 원기는 1960년까지 미터 길이의 표준으로 사용되었으며,[54] 그 후 국제 도량형 총회에서 미터는 진공 내 크립톤-86 원자의 전자기 스펙트럼의 오렌지-빨강 방출선을 기준으로 정의되었다.[55]

수은

섬네일을 만드는 중 오류 발생:
행성 수성 (☿)의 기호는 고대부터 수은 원소를 나타내는 데 사용되었다.

수은은 기원전 1500년으로 거슬러 올라가는 이집트 무덤에서 발견되었는데,[56] 여기서 수은은 화장품에 사용되었다. 또한 고대 중국인은 수은이 건강을 개선하고 수명을 연장시킬 것이라고 믿으며 사용했다.[57] 기원전 500년경에는 수은이 다른 금속과 아말감 (중세 라틴어 amalgama, "수은 합금")을 만드는 데 사용되었다.[58] 연금술사는 수은을 모든 금속이 형성되는 원초 물질로 생각했다. 그들은 수은에 포함된 황의 질과 양을 변화시켜 다른 금속을 생산할 수 있다고 믿었다. 이 중 가장 순수한 것은 금이었고, 수은은 많은 연금술사들의 목표였던 비금속(또는 불순한) 금속을 금으로 전이시키려는 시도에 필요했다.[59]

Hg는 수은의 현대 원소 기호이다. 이는 그리스어 Ύδραργυρος (hydrargyros)의 라틴어화된 형태인 hydrargyrum에서 유래했으며, 이는 "물-은" (hydr- = 물, argyros = 은)을 의미하는 복합어이다. 이는 물처럼 액체이고 은처럼 빛나기 때문이다. 이 원소는 속도와 이동성으로 알려진 로마 신 메르쿠리우스의 이름을 따서 명명되었다. 행성 수성과 연관되어 있으며 수성의 점성술 기호는 금속의 연금술 상징 중 하나이기도 하다.[60] 수은은 연금술 행성 이름이 일반 이름이 된 유일한 금속이다.[59]

코페르니슘

가장 무거운 12족 원소인 코페르니슘은 1996년 2월 9일 독일 다름슈타트에 있는 게셀샤프트 퓌어 슈베리온엔포르슝 (GSI)에서 지그루트 호프만, 빅토르 니노프 등이 처음 만들었다.[61] 그 후 IUPAC가 2010년 2월 19일, 코페르니쿠스의 탄생 537주년에 니콜라우스 코페르니쿠스의 이름을 따서 공식적으로 명명했다.[62]

존재

대부분의 다른 d-구역 족과 마찬가지로 12족 원소의 지구 지각 내 원소 존재비는 원자 번호가 높을수록 감소한다. 아연은 65 Ppm으로 이 족에서 가장 풍부하며, 카드뮴은 0.1 ppm, 수은은 0.08 ppm으로 수 자릿수 적게 존재한다.[63] 코페르니슘은 반감기가 몇 분인 인공 원소이므로 생산된 실험실에서만 존재할 수 있다.

표면이 고르지 않은 검은색 광택 덩어리 고체.
중요한 아연광인 섬아연석 (ZnS)

12족 금속은 친황 원소로, 이는 12족에 속하는 원소가 산화물에 대한 친화력이 낮고 황화물과 결합하는 것을 선호한다는 의미이다. 친황 원소는 초기 지구 대기의 환원 조건에서 지각이 응고될 때 형성되었다.[64] 12족 원소의 상업적으로 가장 중요한 광물은 황화물 광물이다.[23] 황화 아연의 한 형태인 섬아연석은 농축액에 60~62%의 아연이 포함되어 있기 때문에 가장 많이 채굴되는 아연 함유 광석이다.[14] 카드뮴을 함유한 광석의 중요한 광상은 알려져 있지 않다. 유일하게 중요한 카드뮴 광물인 그리노카이트 (CdS)는 거의 항상 섬아연석 (ZnS)과 연관되어 있다. 이러한 연관성은 아연과 카드뮴 사이의 지구화학적 유사성으로 인해 지질학적 분리가 어려워지기 때문이다. 결과적으로 카드뮴은 주로 아연의 황화물 광석 채굴, 제련, 정제 과정에서 부산물로 생산되며, 정도는 덜하지만 납과 구리에서도 생산된다.[65][66] 금속 카드뮴이 발견될 수 있는 한 지역은 시베리아의 빌류이강 유역이다.[67] 수은은 지구 지각에서 극히 희귀한 원소이지만,[68] 지각 질량의 대부분을 구성하는 원소와 지구화학적으로 혼합되지 않기 때문에 수은 광석은 일반 암석에서의 원소 존재량을 고려할 때 매우 고농도로 존재할 수 있다. 가장 풍부한 수은 광석은 질량 기준으로 최대 2.5%의 수은을 함유하며, 가장 빈약한 농축 광상도 최소 0.1%의 수은(평균 지각 존재량의 12,000배)을 함유한다. 수은은 천연 금속 (드물게) 또는 진사 (HgS), 코르데로이트, 리빙스톤석 및 기타 광물에 존재하며, 진사가 가장 흔한 광석이다.[69]

수은과 아연 광물은 채굴할 수 있을 만큼 충분한 양으로 발견되지만, 카드뮴은 아연과 너무 유사하여 항상 아연 광석에 소량으로 존재하며 거기서 회수된다. 확인된 전 세계 아연 자원은 총 약 19억 톤에 달한다.[70] 대규모 광상은 호주, 캐나다 및 미국에 있으며, 가장 큰 매장량은 이란에 있다.[64][71][72] 현재 소비율로 보면 이 매장량은 2027년에서 2055년 사이에 고갈될 것으로 추정된다.[73][74] 2002년까지 역사상 약 3억 4천 6백만 톤이 채굴되었고, 한 추정치는 그 중 약 1억 9백만 톤이 아직 사용 중이라고 밝혔다.[75] 2005년에는 중국이 거의 3분의 2의 세계 시장 점유율로 수은의 최대 생산국이었고 키르기스스탄이 그 뒤를 이었다.[76] 몇몇 다른 국가도 구리 전해채취 과정에서 혹은 폐수로부터 회수하여 미기록된 수은 생산을 하는 것으로 여겨진다. 수은의 높은 독성 때문에, 진사 채굴과 수은 정제 모두 위험하며 역사적으로 수은 중독의 원인이 되었다.[77]

생산

아연은 연간 약 1,000만 톤의 생산량으로 철, 알루미늄, 구리에 이어 네 번째로 많이 사용되는 금속이다.[78] 전 세계적으로 아연의 95%는 황화물 광석 광상에서 채굴되며, 여기서 섬아연석 (ZnS)은 거의 항상 구리, 납, 철의 황화물과 섞여 있다. 아연 금속은 야금술을 사용하여 생산된다.[79] 로스팅은 처리 과정에서 생산된 황화 아연 농축액을 산화 아연으로 변환한다.[80] 추가 처리를 위해 건식 야금 또는 전기채취 두 가지 기본 방법이 사용된다. 건식 야금 처리는 산화 아연을 탄소 또는 일산화 탄소로 950 °C (1,740 °F)에서 금속으로 환원시키고, 이는 아연 증기로 증류된다.[81] 아연 증기는 응축기에서 수집된다.[80] 전기채취 처리는 황산으로 광석 농축액에서 아연을 침출시킨다.[82] 이 단계 후 전기 분해를 사용하여 아연 금속을 생산한다.[80]

카드뮴은 아연 광석에서 흔한 불순물이며, 아연 생산 과정에서 가장 많이 분리된다. 황화 아연 광석에서 얻은 일부 아연 광석 농축액에는 최대 1.4%의 카드뮴이 포함되어 있다.[83] 카드뮴은 아연이 제련될 경우 감압 증류를 통해 배기가스에서 생성된 아연에서 분리되거나, 카드뮴 황산염이 전기 분해 용액에서 침전된다.[84]

가장 풍부한 수은 광석은 질량 기준으로 최대 2.5%의 수은을 함유하며, 가장 빈약한 농축 광상도 최소 0.1%의 수은을 함유하고, 진사 (HgS)가 광상에서 가장 흔한 광석이다.[85] 수은은 공기 흐름 속에서 진사를 가열하고 증기를 응축하여 추출한다.[86]

코페르니슘과 같은 초악티늄족 원소는 입자 가속기에서 가벼운 원소를 충돌시켜 핵융합 반응을 유도하여 생산된다. 코페르니슘의 대부분의 동위원소는 이러한 방식으로 직접 합성될 수 있지만, 일부 더 무거운 동위원소는 더 높은 원자 번호를 가진 원소의 붕괴 생성물로만 관측되었다.[87] 코페르니슘을 생산하는 첫 번째 핵융합 반응은 GSI에서 1996년에 수행되었으며, 그들은 코페르니슘-277의 두 가지 붕괴 사슬을 감지했다고 보고했다(비록 하나는 나중에 빅토르 니노프가 조작한 데이터에 기반한 것으로 밝혀져 논문이 철회되었다).[61]

208
82Pb
 + 70
30Zn
 → 277
112Cn
 +
n

활용 분야

12족 원소는 공유하는 물리적 유사성 때문에 여러 일반적인 상황에서 발견된다. 아연과 카드뮴은 모두 부식될 때까지 모든 국부적 산화를 끌어당기므로 흔히 부식 방지 (갈바니화)제로 사용된다.[2][88] 이러한 보호 코팅은 용융된 금속에 물질을 용융 도금하거나,[89] 전기도금 과정을 통해 다른 금속에 적용될 수 있으며, 이는 부동태 처리될 수 있다.[90] 12족 원소는 표준 수소 전극의 대안이 될 수 있을 뿐만 아니라 보조 기준 전극이 될 수도 있으므로 전기화학에도 사용된다.[91]

미국에서는 아연이 주로 갈바니화 (55%)와 황동, 청동 및 기타 합금 (37%)에 사용된다.[92] 아연의 상대적 반응성과 산화를 끌어당기는 능력은 음극 보호 (CP)에서 효율적인 희생양극이 되게 한다. 예를 들어, 매설된 파이프라인의 음극 보호는 아연으로 만든 양극을 파이프에 연결함으로써 달성할 수 있다.[93] 아연은 강철 파이프라인에 전류를 전달하면서 천천히 부식되어 애노드 (음극 단자) 역할을 한다.[93][note 6] 아연은 해수에 노출된 금속을 부식으로부터 음극 보호하는 데 사용된다.[94][95]

아연은 아연-탄소 전지와 같은 전지용 양극 재료로 사용된다.[96][97] 또는 아연공기전지/연료 전지에 사용된다.[98][99][100]

아연을 포함하는 널리 사용되는 합금은 황동으로, 구리에 황동 종류에 따라 3%에서 45%의 아연이 합금된다.[93] 황동은 일반적으로 구리보다 연성이 높고 강하며 부식 저항성이 우수하다.[93] 이러한 특성 때문에 통신 장비, 하드웨어, 악기 및 수도 밸브에 유용하다.[93] 아연을 포함하는 다른 널리 사용되는 합금으로는 양은, 타자기 금속, 연질 및 알루미늄 땜납, 상업용 청동이 있다.[9] 소량의 구리, 알루미늄, 마그네슘이 포함된 주로 아연 합금은 다이캐스팅 및 스핀캐스팅에 유용하며, 특히 자동차, 전기 및 하드웨어 산업에서 사용된다.[9] 이러한 합금은 자막이라는 이름으로 판매된다.[101] 미국 (2009년)의 전체 아연 생산량의 약 4분의 1은 아연 화합물 형태로 소비되며, 그 중 다양한 종류가 산업적으로 사용된다.[92]

카드뮴은 배터리 생산의 핵심 구성 요소이며, 카드뮴 안료,[102] 코팅재,[90] 전기도금에 흔히 사용되는 등 다양한 산업적 용도를 가지고 있다.[20] 2009년에는 카드뮴의 86%가 배터리에 사용되었으며, 주로 충전식 니켈-카드뮴 전지에 사용되었다. 유럽 연합은 2004년에 일부 예외를 두고 전자 제품에서 카드뮴 사용을 금지했으며 전자 제품 내 카드뮴 허용 함량을 0.002%로 줄였다.[103] 전 세계 생산량의 6%를 소비하는 카드뮴 전기도금은 강철 부품에 적용될 때 부식에 저항하는 능력 때문에 항공기 산업에서 찾아볼 수 있다.[20]

수은은 주로 산업용 화학 물질 제조 또는 전기 및 전자 응용 분야에 사용된다. 일부 온도계, 특히 고온을 측정하는 데 사용되는 온도계에 사용된다. 형광등에 기체 수은으로 사용되는 양은 여전히 증가하고 있지만,[104] 건강 및 안전 규정으로 인해 다른 대부분의 응용 분야는 서서히 단계적으로 폐지되고 있으며,[105] 일부 응용 분야에서는 독성은 덜하지만 훨씬 비싼 갈린스탄 합금으로 대체되고 있다.[106] 수은과 그 화합물은 의학에 사용되어 왔지만, 수은과 그 화합물의 독성 효과가 더 널리 이해되면서 오늘날에는 이전보다 훨씬 덜 흔하다.[107] 여전히 치과 아말감의 성분으로 사용된다. 20세기 후반에 수은의 가장 큰 사용처는[108][109] 카스트너-켈너 공정 (수은 전지 공정이라고도 함)에서 염소와 가성 소다 생산이었다.[110]

코페르니슘은 방사능이 매우 높아 연구 외에는 용도가 없다.

생물학적 역할 및 독성

12족 원소는 생물체에 다양한 영향을 미치는데, 카드뮴과 수은은 독성이 있는 반면, 아연은 대부분의 식물과 동물에게 미량으로 필요하다.

아연은 식물,[111] 동물,[112] 미생물에게 필수적인 미량 원소이다.[113] 이는 "일반적으로 유기체에서 철 다음으로 두 번째로 풍부한 전이 금속"이며, 모든 효소 분류에 나타나는 유일한 금속이다.[111] 인체에는 2~4 그램의 아연이 분포되어 있으며,[114] 이는 "어디에나 있는 생물학적 역할"을 한다.[115] 2006년 연구에서는 인간 단백질의 약 10% (2800개)가 아연을 잠재적으로 결합하며, 수백 개의 단백질이 아연을 운반하고 수송한다고 추정했다.[111] 미국에서 권장 식사량 (RDA)은 여성의 경우 8 mg/일, 남성의 경우 11 mg/일이다.[116] 유해한 과도한 보충은 문제가 될 수 있으며 건강한 사람의 경우 하루 20 mg을 초과하지 않는 것이 좋다.[117] 비록 미국 국립 연구 위원회는 일일 허용 상한 섭취량을 40 mg으로 설정했지만 말이다.[118]

수은과 카드뮴은 독성이 있으며 강이나 빗물에 유입되면 환경 피해를 유발할 수 있다. 이로 인해 오염된 작물[119]은 물론 생체 축적을 통해 수은 중독 및 카드뮴 중독으로 인한 질병 증가로 이어질 수 있다.[120]

내용주

  1. ↑ 12족 원소에 대해 가끔씩 휘발성 금속이라는 이름이 사용되었지만,[6] 이는 훨씬 더 일반적으로 높은 휘발성을 가진 모든 금속을 지칭한다.
  2. ↑ 340±10 K 예측, 357+112
    −108     K     실험상 확인[7]
  3. ↑ 가 나 원소의 산화수 목록을 참조하시오. 굵은 글씨의 산화수는 흔한 산화수이다.
  4. ↑ 순수 라듐의 불꽃 반응 색상은 관찰된 적이 없다; 진홍색 빨강은 그 화합물의 불꽃 반응 색상에서 외삽한 것이다.[31]
  5. ↑ 가끔 흰색으로 보고된다.[29]
  6. ↑ 전류는 자연적으로 아연과 강철 사이를 흐르지만, 일부 상황에서는 외부 직류 전원과 함께 불활성 양극이 사용된다.

각주

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참고 문헌

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