18족 6가지 희가스 원소 (헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논, 라돈)

 

 

18족에 속하는 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논, 라돈 6개의 원소를 희가스 원소라고 합니다. 희가스라는 이름은 대기와 지각에 존재하는 양이 적다는데에서 유래하였습니다. 

 

 

1. 공기보다 가벼운 헬륨 (H, Helium)

우주 공간에서는 수소 다음으로 가장 풍부한 원소이지만 지구상에서 매우 적은 양만 존재합니다. 매우 가벼워 지구 중력이 붙잡지 못해 우주 공간으로 날아가 버렸기 때문입니다. 헬륨은 비활성 기체 중 하나로 무색무취의 기체입니다. 비활성 기체인 원소는 화학적으로 비활성이기 때문에 대부분의 경우 화합물이 없습니다. 반응성이 매우 낮아 같은 종류의 원자와는 말할 것도 없고, 다른 원자와도 결합하지 않습니다. 특히 1주기인 헬륨과 2주기인 네온은 화합물이 아예 없습니다. 헬륨의 끓는점은 약 -269°C로 매우 낮아 액체 헬륨의 경우 절대온도 (-273°C)까지 냉각할 수 있습니다. 이러한 성질 떄문에 자기부상열차의 초전도 코일과 연구실의 실험용 냉각제 등으로 이용됩니다. 헬륨은 공기보다 가볍고 불이 붙지 않기 때문에 풍선이나 비행선을 띄우는 데 사용됩니다. 헬륨의 밀도는 0.18g/L로 공기를 1이라고 했을 때 비중은 0.14입니다.  

 

2. 네온사인 간판에 이용되는 네온 (Ne, Neon)  

네온은 무색무취의 비활성 기체 중 하나이며, 화학적으로 비활성이기 때문에 화합물이 없습니다. 대기 중에 0.0018%가 함유되어 있으며, 대기 중에는 아르곤 다음으로 비율이 높은 비활성 기체입니다. 네온은 낮은 압력으로 방전하면 아름다운 빨간색 빛을 내기 때문에, 이를 네온사인으로 이용합니다. 네온사인의 빨간색 불빛은 네온 가스를, 밝은 백색이나 파란색, 초록색 불빛 등은 아르곤과 수은 가스를 봉입하여 유리 내부에 형광체를 도포해 빛을 냅니다. 짙은 색 불빛은 착색 유리관을 사용해 빛을 냅니다. 1907년 프랑스의 화학자 조르주 클로드 (Georges Claude, 1870 ~ 1960)가 액체화한 공기 중에서 비활성 기체인 아르곤과 네온을 대량으로 추출한는 데 성공했고, 그 3년 뒤에는 네온사인을 최초로 공개했습니다. 세계 최초로 네온에 의한 광고판이 등장한 곳은 1912년 파리의 몽마르트 거리에 있는 작은 이발소였습니다. 한국은 1920년대 후반부터 네온 간판이 등장하였지만 널리 보급되지는 못했고 1980년대 후반이 되어서야 건물마다 네온 간판이 부착되었습니다. 

 

3. 백열 전구 속의 게으름뱅이 아르곤 (Ar, Argon) 

무색무취의 비활성 기체 중 하나이며, 다른 물질과 거의 반응하지 않습니다. 하지만, 비활성 기체라고 해도 아르곤은 공기 중에 0.93%로 생각보다 많은 양이 함유되어 있으며, 질소 78%, 산소 21%에 이어 세 번째로 많은 기체입니다. 네온 사인의 네온에 아르곤을 소량 섞으면 네온의 붉은빛이 푸른색이나 초록색으로 변합니다. 아르곤 가스는 공기에 비해 열전도가 낮아 단열성이 우수하므로 이중 유리창에서 두 장의 유리 사이에 봉입됩니다. 전구나 형광등에도 아르곤 가스가 봉입되어 있습니다. 백열전구의 필라멘트는 전기가 흐르면 온도가 매우 높아져 표면으로부터 텅스텐 원자가 바깥으로 휘발되면서 고체에서 직접 기체가 되는 승화 현상이 일어납니다. 결국 필라멘트가 가늘어져 끊어집니다. 이를 억제하기 위해 아르곤을 넣어 내구성을 좋게합니다.  아르곤을 사용하는 이유는 비활성 기체라 다른 물질과 반응하지 않는데다가 공기 중에 많아 값이 싸기 때문입니다. 아르곤은 실체로 추출된 최초의 비활성 기체로, 영국의 과학자 로드 레일리(Loard Rayleigh, 1842 ~ 1919)와 윌리엄 램지(William Ramsay, 1852 ~1916)에 의해 발견되었습니다. 레일리는 대기에서 분리한 질소가 질소 화합물로부터 얻는 질소보다 밀도가 크다는 사실을 발견하였고, 이러한 사실로부터 대기중에 새로운 원소가 있는 것으로 추정하고 램지와 공동 연구를 하였습니다. 이들은 공기중에 아르곤이 약 1% 포함되어 있다는 것을 발견하였고, 네온, 크립톤, 제논을 뒤이어 발견하였습니다. 

 

4. 백열전구의 수명을 늘려주는 크립톤 (Kr, Krypton)

크립톤은 무색무취의 희가스 원소로, 공기중에 0.0001% 포함되어 있으며, 액체공기의 분별증류로 얻을 수 있습니다. 대부분의 백열전구 안에는 아르곤 가스가 주입되어 있지만, 아르곤 가스 대신 크립톤 가스를 주입한 것을 크립톤 전구라고 합니다. 크립톤은 아르곤보다 분자량(혹은 원자량)이 크기 떄문에 분자(혹은 원자)가 크고 무겁습니다. 필라멘트인 텅스텐의 승화를 억제하는 작용이 강해지면서 전구의 수명이 약 2배정도 길어지고, 소비 전력이 약 10%나 절감됩니다. 제논가스를 주입한 제논 전구는 크립톤 전구보다 수명이 훨씬 길어지게 됩니다. 기체 크립톤에서의 음속은 220m/s로 공기보다 느려 크립톤과 산소의 홉합 기체를 마신 뒤 목소리를 내면 평소보다 낮은 소리가 납니다. 

 

5. 강한 청백색의 빛을 내는 제논 램프 (Xe, Xenon)

제논은 무색무취의 비활성 기체이며, 유리관에 넣고 전압을 걸어 방전시키면 강력한 백색광을 내는 성질이 있습니다. 제논 전구는 비활성 기체 원소인 제논을 봉입한 방전관의 일종입니다. 제논 전구는 필라멘트를 사용하지 않기 때문에 내구성이 매우 큽니다. 최근 자동차에 쓰이는 헤드라이트가 바로 제논 전구입니다. 양단의 전극(음극과 양극)에 고전압을 걸면 음극에서 전자가 튀어나와 양극으로 가속됩니다. 그 도중에 전자가 제논 원자와 충돌하면 제논 원자는 높은 에너지 상태로 들뜨게 되고(들뜬 상태), 이것이 원래 에너지 상태로 되돌아올 떄 빛을 방출하는 것입니다. 적색으로 발광하는 네온과는 달리 제논은 태양광에 가까운 빛 (백색, 연속 스펙트럼)을 내는 것이 특징이며, 필라멘트를 사용하지 않아 전력소비가 효율적입니다. 이러한 이유로 영사기, 프로젝터, 카메라 등의 조명에도 사용됩니다. 제논은 또한 우주 탐사선의 추진 동력을 만드는 이온엔진으로도 사용되고 있습니다. 이온엔진은 전기적으로 전하를 띤 상태의 양이온을 뿜어내면서 추진력을 얻습니다. 제논 가스를 연료로 사용하면 다른 화학 연료보다 훨씬 적은 양으로도 추진력을 낼 수 있기 때문에 연료나 엔진 무게를 줄일 수 있습니다. 

 

6. 라돈온천 (리튬온천)으로 유명한 라돈

라돈은 희가스 원소 중 가장 무거운 기체입니다. 밀도는 0°C에서 9.73g/cm^3이므로 물보다 10배 가까이 높습니다. 방사성을 띠며 대표적인 동위원소인 라돈 222는 반감기가 3.8일로, 라듐의 붕괴에 의해 생겨납니다. 라돈 함유량이 많은 온천을 라듐천이라고 하며 일본의 시마네 현의 마사사 온천과 아키타 현의 타마가와 온천은 암 치료에 효과가 좋다고 알려져 있습니다.