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 네온(Ne)란 무엇일까? 1898년 영국 런던에서 화학자 윌리엄 램지와 모리스 트래버스에 의해서 발견된 네온은 저희가 알고 있는 것 처럼 과거에 전광판으로 많이 사용했던 네온사인으로 유명합니다.이것은 유리관에 네온을 채워 넣고 양 끝에 전압을 흘려 빛을 내는 원리를 이용한 것입니다.

 네온(Ne)은 헬륨이나 아르곤 등과 같은 희유기체(비활성기체)의 일종으로, 공기 중에 미량이 존재하는 무색무취의 기체이며, 전형적인 비활성원소인 네온은 어떤 물질과도 화학반응을 일으키지 않으며 어떤 화합물도 만들지 않습니다.

다른 희유기체 원소들과 반응하는 플루오린조차 네온과는 화합물을 만들지 않을 정도로 네온은 안정한 원소입니다.

 네온(Ne)은 원자번호 10번의 원소로 원소기호는 Ne, 주기율표에서 비활성 기체(Noble gas)족으로도 불리는 18족에서 헬륨 다음으로 가볍습니다. 우주에서는 질량이 5번째로 많은 0.13%를 차지하지만, 건조된 공기 중에는 부피로 단지 0.00182%(무게로는 0.00127%)들어 있습니다. 지구에 존재하는 양은 적고 값이 비싸며 화합물을 만들지 않아 사용되는 분야는 많지 않으나, 최초로 안정한 동위원소가 발견되는 과학발전에 크게 기여하였습니다.

2-1. 네온사인

밤거리를 걷다 보면 알록달록 화려하게 빛나는 간판들을 볼 수 있습니다. 우리는 이 발광체들을 ‘네온사인(neon sign)’이라고 합니다. 네온은 사실 붉은색 빛만 낼 수 있지만 다른 비활성 기체 혹은 불화성 기체와 혼합하여 여러가지 빛을 낼 수 있습니다. 네온은 희귀한 만큼 가격이 비싸기 때문에 플라스마 디스플레이와 발광용 외에는 실용적인 용도로는 보기가 어려운 원소 입니다.

2-2. 헬륨-네온(He-Ne)레이저

헬륨(He)과 네온(Ne)의 혼합기체를 이용하여 물질의 유도복사 성질을 통해 빛을 증폭시켜 방출하는 장치인 레이저의 종류 중 하나입니다. 헬륨과 네온이 희박하게 있는 가운데 고전압이 걸리면 헬륨이 이온화되어 전자가 더 빠른 속력으로 가속되는데요. 다른 헬륨을 만나서 이를 여기시키게 되는데 전자에 의해 여기된 헬륨은 더 희박하게 있는 네온을 만나서 충돌하게됩니다. 헬륨이 충돌한 네온은 헬륨의 열적 에너지 차이 정도로 낮아 쉽게 들뜨게 되어 빛을 낼 수 있다고 합니다.

플루오린(불소,Fluorine)이란 무엇인가? 불소 분자는 상온에서 옅은 황록색 기체로, 다른 할로젠 원소와 마찬가지로 맹독물입니다. 저희가 불소라고 부르는 이 원자는 특히 치하에 얇은 막을 입혀주어 충치를 예방하고 치아의 재석회화를 촉진하여 충치를 예방하는 효과가 커 치약에 널리 사용됩니다.

또한, 불소는 붕산과 함께 살충제나 쥐약 등의 주 원료로 사용되며, 그 독성은 비소 다음입니다. 납보다도 강하죠 우리나라의 폐기물관리법에서도 불소는 오염물질로 취급됩니다.. 폐수에서의 오염물질의 처리기준’에 따르면 불소는 청정지역에서 3ppm 이하로 규정되어 있습니다.

플루오린, Fluorine은 원자 번호 9, 원소 기호 F로 표현되는 화학원소입니다. 우리말로는 예전엔 플루오르라고 했으며, 불소라고도 합니다.. 할로젠족에 속하는 원소들중 가장 가벼운 원소이며, 단 하나의 안정한 동위원소 플루오린-19만 있습니다.

표준상태에서, 플루오린은 연한 노란색 기체로 이원자 분자, F2로 존재하고 항성에서 풀루오린은 다른 가벼운 원소에 비해 희귀합니다. 지구 지각에서 플루오린은 흔해서, 13번째로 많은 원소입니다.

플루오린(불소)의 사용 용도는 많지만 대표적으로 치약이 있는데요, 우리가 사용하는 치약에는 플루오린이 함유된 것과 그렇지 않은 것이 있습니다. 적은 양의 플루오린은 치아에 미세한 구멍이 무수히 생기는 충치 초기에 그 구멍을 녹여 보수하는 효과가 있습니다. 우리나라의 불소치약에는 일반적으로 1000ppm의 불소가 함유돼 있습니다. 최근에는 1000ppm -> 1500ppm으로 상향조정을 진행 했지만 유통된 치약들을 보면 1000ppm이 더 많은 것으로 보입니다.

많은 사람들이 불소치약의 사용을 걱정하는 부분이 많은데요 그 이유는 불소를 과량 섭취하면 부작용이 올 수 있기 때문 입니다. 아무리 적은 양이라도 불소가 몸에 쌓이면 뼈를 무르게 하고 피부를 노화시키므로 불소 치약을 사용할 때는 반드시 입을 여러 번 헹궈 주어야 합니다.

C-H결합물인 불소수지를 도료화하여 일정온도에서 가열소성하면 비활성의 단단한 코팅층이 형성되는데, 이를 불소수지 코팅이라고 합니다. 보통 가정용으로는 프라이팬이네 점착면을 보호하는 용도로 사용 되며, 산업용으로는 여러 업체에서 생산되어 항공, 군수, 자동차, 운송, 화학, 반도체 등에 사용 됩니다. 

이러한 불소 수지 코팅을 하는 이유는 표면의 에너르기가 낮기 때문에 어떠한 점착성에 물질에도 잘 들러붙지 않고 붙더라도 쉽게 떨어지는 이형성 특징, 마찰계수가 낮기 때문에 표면이 매우 미끄러운 윤활성인 특징, 일반적으로 사용되는 엔지니어링 플라스틱에 비해 사용온도 범위가 매우 넓은 열 안정성 특징이 있기 때문입니다.

산소란(Oxygen) 무엇일까?라는 질문이 어색할정도로 저희는 산소에 대하 아주잘 알고 있을 것입니다. 원자 번호8번인 산소(Oxygen)는 일반적으로 산소원자 두개가 결합하여 무색, 무미, 무취인 기체 상태로 존재합니다. 공기의 주성분 중 하나로, 지구뿐 아니라 우주 전체에 걸쳐 다른 원소와 공유 결합된 상태로 널리 퍼져 있습니다.

저희 지구상에 산소가 5초만 사라져도 자외선이 그대로 들어와 모든 생명체는 바로 화상을 입게 됩니다. 또한, 금속 표면의 산화막이 사라져 모든 금속 제품은 엉겨 붙고, 콘크리트로 지어진 모든 건물은 바로 무너져 내리게 됩니다. 고막을 비롯한 모든 세포가 터져 인간 역시 생명을 유지해 나갈 수 없게 됩니다.

영국의 화학자 조지프 프리스틀리(Joseph Priestley)에 의해서 1775년에 처음으로 발견된 산소의 원자구조는 8개의 전자와 각 8개의 양성자,중성자를 가지고 있습니다. 수소, 헬륨에 이어 3번째로 가장 흔한 원소가 바로 산소이며, 지구 지각 전체 질량의 49.2%와 대양의 88.8%를 차지합니다. 대기중에서 산소 분자는 부피 백분율 20.9%를 차지해 질소에 이어 두 번째로 흔한 기체입니다.

산소의 용도는 매우 다양합니다. 보통 바람이 많이 불때 산불이 더 많이 나는 것처럼 산소는 불을 만나면 더 확산시킬 수 있습니다. 물질이 산소와 화합할 때 다량의 열 과 빛을 발하는 현상을 저희는 연소라고 부릅니다. 이 처럼 산소는 용접을 할 때나 우주선을 발사할 때와 같이 산업이나 과학에서도 널리 이용됩니다.

이는 많은 양의 산소가 필요하므로 산소통이나 다른 방식을 통한 축적을 통해 사용됩니다, 산업 현장에서는 산소를 주로 액체 상태로 보관하는데, 파란색의 액체 산소는 매우 낮은 온도에서 기체로 변하기 때문에 특수한 용기에 담아서 보관합니다.

인체는 생명을 유지하기 위해 일정량의 산소를 필요로 하는데요. 구체적으로 인체에서 1일 동안 소모하는 산소의 무게는 무려 16Kg에 달한다고 합니다. 만약 2분간 숨을 멈추면 생명이 극히 위험한 상태가 되며, 4분이 지나면 모든 뇌세포가 죽는다고 하니 인체에 매우 소중한 존재임을 알 수 있습니다. 산소는 생물의 기본적인 호흡 외에도 의료 및 등산, 운동 시의 휴대산소로도 활용되고 있습니다.

이러한 다른 물질과 산소가 결합하는 것을 산화라고 표현하는데 산화질소, 이산화탄소, 산화 수소 등처럼 산소와 결합되어 사용됩니다.

질소란 무엇인가? 질소(Nitrogen)는 비금속 화학 원소로 기호는 N이고 원자번호는 7번입니다. 일반적으로 질소원자 2개가 결합하여 무색, 무미, 무취인 기체 상태로 존재합니다. 지구 대기에서 가장 많은 비중을 차지하며 그 양은 78.09%입니다. 지구상의 모든 생명체의 구성물이라고 표현되며 아미노산, 암모니아, 질산 그리고 시안화물과 같은 화합물을 구성하는 성분이기 도합니다. 질소는 지표상에서 화성암의 형태로도 존재합니다.

질소(Nitrogen)원자 특성은 15족, 2주기, p-구역이며 원소 분류는 비금속의 기체상태로 존재 합니다. 이러한 질소는 살아있는 생물체, 일반적으로 동물과 식물은 질소를 반드시 일정량 이상 섭취해야 생명을 유지할 수 있습니다. 동물의 경우에는 질소가 함유된 채소나 육류를 섭취함으로써 손쉽게 질소를 보충할 수 있고, 식물의 경우 동물보다는 다소 복잡한 과정을 거치게 됩니다.

질소분자의 결합을 끊고 생물이 흡수할 수 있는 화합물로 전환하는 것을 질소고정이라고 하는데, 자연계에서 이 역할을 하는 것은 박테리아와 같은 세균입니다. 흙 속에 존재하는 남조류에도 이러한 세균이 있죠. ‘뿌리혹박테리아’로 불리는 이 세균은 콩과(pea family) 식물의 뿌리에 붙어 포자를 만들고 식물에 암모니아를 공급하는 대신 탄화수소를 얻어 공생합니다. 

2-1. 질소 비료(화학 비료)

앞에 내용을 기억하신다면 식물의 경우는 일정량 이상의 질소를 섭취해야 합니다. 산업 혁명 이후 인구가 폭발적으로 증가하면서, 천연 비료로는 늘어난 인구만큼 작물의 생산량을 높일 수 없었습니다. 이에 따라 공기 중의 질소를 대량으로 고정할 방법이 필요해졌고, 이러한 방법으로 만들어진 비료를 질소 비료 혹은 화학 비료라고 부릅니다.

하지만, 이렇게 좋을 것만 같은 비료도 과다로 사용하면 문제가 발생합니다. 질소의 과다는 식물을 연약하게 하여 병충해에 쉽게 노출됩니다. 또한 토양을 산성화시켜 빗물에 의해 강이나 지하수로 흘러들어 질산오염을 초래할 수 있기에 적정 사용량을 지키면서 사용해야 합니다.

2-2. 아산화 질소(NO2), 이산화 질소(N2O)

아산화 질소(N2O)는 산암모늄을 열로 분해할 때 발생하는 기체입니다. 고체, 액체, 기체 모두 무색이며 물과 알코올에는 상당히 잘 녹습니다. 신기하게도 아산화질소를 흡입하면 얼굴 근육에 경련이 일어나 마치 웃는 것처럼 보이며, 사람들이 ‘웃음가스’라 부르는 이유입니다. 이러한 이유로 아산화질소는 인류 최초로 마취제로 사용되었습니다. 아산화질소는 마취효능이 약한 편이지만 냄새와 맛이 달콤해 지금도 치과에서 어린이용 마취제로 사용하거나 국소마취제의 보조제로도 이용됩니다.

이산화질소(NO2)는 아산화 질소(N2O)와 비슷한 구조를 가지지만 매우 많이 다릅니다. 이산화질소(N2O) 적갈색의 반응성이 큰 기체로서, 대기 중에서 일산화질소의 산화에 의해서 발생하며, 대기 중에서 휘발성유기화합물(VOCs)과 반응하여 오존을 생성하는 전구물질(precursor)의 역할을 합니다. 주요 배출원은 자동차와 파워 플랜트와 같은 고온 연소공정과 화학물질 제조공정 등이 있으며, 토양중의 세균에 의해 생성되는 자연적 현상이 있습니다. 연료를 태울때 이 물질은 발생되기에 저희 인체에 끼치즌 영향은 매우 좋지 않은 물질 입니다.

원자 구조는 비슷하지만 어떠한 구조를 가지느냐에 따라서, 장점이 될 수도 있고 단점이 될 수 도있는 비금속 화학 원소 원자 번호 7번 질소(Nitrogen)에 대해서 알아봤습니다. 

탄소란 무엇인가? 탄소는 지각을 구성하는 요소들 중에 15번째로 풍부하며, 우주에서 수소,헬륨, 산소 다음인 4번째로 풍부한 원소입니다. 이렇게 탄소는 풍부하며, 탄소 화합물로서 다양한 유기 화합물을 구성할 수도 있고, 상온 상태에서 중합체를 형성할 수도 있기 때문에 우리 삶은 탄소와 밀접한 관련이 있습니다. 예로서 탄소는 우리 몸에서 산소다음인 두 번째로 풍부한 원소(18.5%)입니다.

주기율표 14족 2주기에 위치한 비금속 원소인 탄소는 가장 바깥쪽 원자 껍질에 4개의 전자를 가지고 있습니다. 4개의 빈 자리를 가지므로 매우 다양한 종류의 원소와 결합할 수 있어서 셀 수 없을 만큼 많은 화합물을 만들낼 수 있습니다.

이 화합물이 얼마나 많았으면, 이것만 연구하는 유기화학이라는 학문이 따로 있을 정도 입니다.

거기에 탄소원자의 배열 순서에 따라 여러 형태의 동소체를 가지며, 이 동소체별로도 물리적인 성질이 천차만별입니다.. 가전자가 4개이니 4중 결합도 있을 것처럼 보이지만, 너무 불안정해서 순식간에 떨어져 버립니다.

2-1. 연필심 흑연과 다이아몬드의 차이?

다이아몬드는 비금속원소광물로, 오직 탄소(C)로만 이뤄진 광물입니다. ‘탄소’를 생각하면 검은색을 떠올리기 마련인데요. 주변에서 흔히 볼 수 있는 연필심의 원료인 흑연 또한 탄소 원자로 구성되기 때문이죠. 하지만 모두가 알듯이 연필심은 검은 색깔부터 무른 성질까지 다이아몬드와 전혀 다른 특징을 갖고 있습니다. 

그것은 바로 탄소의 결합 구조입니다. 1개의 탄소 원자는 최대 4개의 다른 원자와 결합을 할 수 있습니다. 흑연은 탄소 원자가 다른 3개의 탄소 원자와 결합해 얇은 판 모양의 구조를 가집니다. 때문에 면 형태인 판 사이의 탄소결합이 쉽게 깨질 수 있고, 반면 다이아몬드는 하나의 탄소 원자가 다른 4개의 탄소 원자들과 수평, 수직으로 치밀하게 결합한 구조입니다.

이렇게 탄탄한 구조를 갖기 위해서는 적어도 지하 150km 깊이에서 매우 높은 온도와 압력을 받아야 하며, 오랜 시간 이러한 환경을 견디고 나서야 단단하고 영롱한 다이아몬드가 탄생할 수 있는 것 입니다.

2-2. 건전지에도 탄소가?

탄소는 원자 구성을 어떤 화합물과 적용하느냐에 따라 도체와 절연체 양쪽의 특성을 가집니다. 저희가 1차전지라고 부르는 아연-망간 건전지는 음극은 아연으로 이루어져 있고, 양극은 이산화망간과 탄소 막대로 이루어져 있습니다. 탄소의 도체및 저항성분을 이용한 것으로 흔히 탄소봉을 건저지 중앙에 놓고 +극으로 많이 사용 합니다.

2-3. 혈당측정도 탄소로?

혈당측정기 검사지 혹은 시트지라고도 부르는 이 시료는 탄소로 이루어져 있습니다. 검사지 시료 끝부분에 보면 4개의 줄들이 나와 있는데 이 각줄은 각각의 탄소의 구성 결합에 따라서 저항 성분이 달라 집니다. 즉, 저부분을 측정하고 끝부분에 혈액을 투척하여 저항성분에 값을 읽어 들여서 당을 측정하는 것입니다.

이 외에도 탄소는 철강, 화석연료 저희가 알고 있는 이산화탄소 등 많은 곳에 포함되어있으며, 기술 발전에 따라 탄소는 앞으로도 여러가지 형태로 사용될 것으로 보여 집니다. 지금 까지 쓰임이 많은 비금속 원자 탄소에 대해 알아 봤습니다.