불활성 기체의 반응성과 화합물

주기율표는 원자량을 기준으로 원자량이 작은 것부터 큰 순서대로 번호를 매겨 원소를 배치한 표이다. 불활성기체 또한 고유의 원자량을 갖고 있다는 점에서는 한 원소의 자격을 갖추고 있으나 어떤 조건에서도 다른 원소와 화합하지 않는다는 점에서는 화학원소로서의 역할을 한다고 볼 수 없다. 지금까지 밝혀진 불활성기체의 종류로는 총 여섯 개로 헬륨, 네온, 크립톤, 크세논, 아르곤, 라돈이 있다.

 

불활성 기체의 안정성과 반응가능성

 

물리학자들은 여덟 개의 전자를 포함하고 있는 최외각 전자 껍질은 매우 안정된 상태에 있다는 것을 알아냈고, 이런 상태는 최외각 전자 껍질에 있어 가장 이상적인 상태이므로 전자를 더 이상 주고 받지 않는다. 불활성 기체(비활성 기체)들이 불활성인 이유는 여기에 있다. 불활성 기체들은 바로 최외각 전자 껍질에 여덟 개의 전자를 가지고 있는 안정적인 상태인 것이다. 따라서 이렇게 안정적인 불활성 기체들은 어느 누구와도 반응하지 않는 것임으로 밝혀졌다. 헬륨원자는 1주기 이며 두 개의 전자를 가지고 있는데, 1주기의 최외각 전자 껍질인 K껍질에 최대한으로 들어갈 수 있는 딱 두 개의 전자가 들어가있는 안정적인 상태이다.

 

어떤 물질이 다른 물질과 상호작용하여 화학적 성질이 다른 물질로 변하는 현상을 화학 반응 이라고 하며, 화합물이란 두 개 이상의 다른 원소들이 일정 비율로 구성된 순물질을 말한다.

 

누구와도 반응하지 않는 불활성 기체에 대해 궁금증이 해결되지 않은 화학자들이 어떻게든 불활성 기체를 반응을 시키려고 노력을 해 왔다. 이들은 펄펄 끓는 고온으로 가열도 해보고, 극저온까지 냉각도 시켜 보았으며, 강한 방전도 가해보고, 강력한 약품도 가해 보았지만 불활성 기체는 절대 반응을 하지 않았다.

 

 

불활성 기체의 화합물을 만들다

 

이렇게 깨지지 않는 불활성 기체의 신화는 과연 절대적일까? 옛날 과학 저널을 보면 화학자들이 밝혀놓은 불활성 기체의 반응 화학식을 볼 수 있다. 여기엔 금속과 헬륨의 화합물이라는 물질이 언급되어 있는데, 다만 헬륨의 전자 껍질에는 두 개의 전자가 확고하게 자리를 잡고 있었으며(전자를 서로 공유하지 않고) 절대온도에 가까운 극저온에서만 존재했다. 또한, 크세논과 라돈을 유기 용매와 결합시켜 Xe-6H2O, Rn-6H2O와 같은 물질을 만들었는데 위 헬륨의 반응처럼 크세논과 라돈의 원자도 최외각 전자 껍질의 여덟 개의 원래 전자를 유지하고 있을 뿐이었다.

 

한편, 산소분자 O2에서 전자를 떼어 내는데는 많은 에너지가 필요한데 마침 PtF6이라는 육불화백금에는 O2에서 전자를 떼어 내는 정도의 에너지 즉, 크세논 원자에서 전자를 떼어 낼 만한 충분한 에너지가 있었고, 곧 전자를 떼어 내는 데 성공했다. 이렇게 XePtF6이라는 불활성 기체의 화합물이 만들어졌다. 이는 상당히 안정적인 화합물이고 지금의 화학자들은 수소 이온화 헬륨(HeH+), 리튬-헬륨 화합물(LiHe), 헬륨 이량체(He2), 아르곤 플루오로하이드라이드(HArF), 아르곤 카르복실기플루오리드 이온(ArCF22+), 이플루오린화 크립톤(KrF2), 크립톤 하이드로시안화물(HKrCN), 하이드로크립토아세틸렌(HKrC2H), 크립톤 산화셀레늄플루오르(Kr(OTeF5)2), 시안화수소 크립톤 플루오르(HCNKrF2), 시안화수소 크립톤 플루오르(HCNKrF2), 이플루오린화 제논, 사플루오린화 제논, 육플루오린화 제논, 삼산화 제논, 이플루오린화 라돈 등 불활성 기체 화합물을 30종 넘게 얻었다. 이들은 주로 크세논, 크립톤, 라돈의 불소화합물이며, 위 화합물중 방사성 붕괴를 하지 않아 연구하기 쉬운 제논 화합물도 주로 알려져 있다.