준금속

주기율표에서 준금속

준금속(metalloid, 準金屬)은 금속과 비금속의 중간 성질을 가진 화학 원소의 계열이다. 정의 자체가 모호하며, 명확한 정의나 분류 기준은 따로 없으며, 다양한 방법으로 분류가 되고 있다.

일반적으로 붕소, 규소, 저마늄, 비소, 안티모니, 텔루륨의 여섯 원소를 준금속으로 분류하며, 경우에 따라 탄소나 알루미늄, 셀레늄, 폴로늄, 아스타틴도 준금속에 넣기도 한다. 주기율표에서는 p-구역을 따라 대각선으로 배치된다. 일부 주기율표에서는 원소를 금속과 비금속의 둘로 분류하며, 이 둘의 경계선에 접한 원소를 준금속으로 분류하기도 한다. 기본적으로는 붕소, 규소, 저마늄, 비소, 안티모니, 텔루륨 이 여섯 원소만 준금속으로 표기한다.

준금속의 정의

준금속의 명확한 정의와 분류를 위해 그동안 여러 기준들이 제안되었으나, 현재까지 통일된 안은 없다. 하지만 여러 제안된 기준들 중 대표적인 것으로는 전기음성도, 쌓임의 효율(packing efficiency), 골드해머-헤르츠펠트 비율(Goldhammer-Herzfeld ratio: 원자가 전자를 한 원자에만 머물러 있게 하는 힘과 고체나 액체 상의 원자간 인력에 의해 동일 원소의 원자가 전자에 미치는 힘 사이의 비율. 원자간 인력이 원자 내 힘과 같거나 크면 금속성을 띰)에 따른 분류 등이 있다. 전기음성도에 따른 분류의 경우, 1.8이나 1.9부터 2.2사이를 갖는 원소들을 준금속으로 분류하며, 34~41 % 사이의 쌓임 효율을 갖는 원소를 준금속으로 분류한다. 또한 0.85~1.1의 골드해머-헤르츠펠트 비율 값을 갖는 원소를 준금속이라 정의한다.

준금속의 특성

준금속의 가장 큰 특징은 외양 상으로는 평범한 금속처럼 보이지만, 비금속과 같은 물리 화학적 특성을 보이는 것이다. 대부분의 준금속은 실온에서 금속 광택을 띠고, 쉽게 부스러지는 고체 상태로 존재하며, 상대적으로 높은 전기 전도도와 반도체 특유의 전자띠 구조(electronic band structure)를 갖는 특징이 있다. 또한, 이들은 대부분 평균적인 이온화 에너지와 전기음성도를 갖고, 금속과 혼합되어 합금을 생성할 수도 있다.

준금속의 활용

합금

상대적으로 가벼운 준금속을 구성 요소로 포함하는 합금 중에서는 붕소-철, 붕소-니켈, 규소-철 등이 대표적이다. 저마늄의 경우는 대부분의 화폐 금속(coinage metal)과 다양한 종류의 합금을 형성할 수 있다. 무거운 준금속 원소들의 경우는 비소 혹은 백금과 같은 다양한 금속들과 합금을 만들 수 있으며, 특히 구리에 비소를 첨가한 합금의 경우 내식성이 매우 우수한 것으로 알려져 있다. 안티모니는 대표적인 합금 형성 준금속으로써 화폐-금속이나 주석을 비롯한 다양한 원소들과 합금을 형성한다. 텔루륨은 철이나 구리와의 합금을 형성하기도 하며, 특히 강철 주조 과정에서 탄소를 안정화시키기 위한 목적으로 텔루륨-철 합금이 쓰이기도 한다.

의약

대표적인 여섯 가지 준금속은 일반적으로 독성, 식이성, 또는 의학적 효능을 어느 정도 갖고 있는 것으로 알려져 있다. 특히 비소와 안티모니는 독성을 갖고 있지만, 붕소와 규소의 경우는 인체에 미량 필요한 원소이기도 하다. 붕소, 규소, 비소, 안티모니는 현재 의약적 목적으로 활용되고 있으며, 저마늄과 텔루륨도 추후에 그러한 목적으로 쓰일 수 있는 잠재적 가능성을 갖고 있다고 알려져 있다.

촉매

트라이플루오린화 그리고 테트라플루오린화 붕소는 유기 합성에서 촉매로 활용된다. 트라이브로민화 붕소는 다이보레인 생산에 이용되기도 하며, 무독성의 붕소 리간드는 일부 전이 금속 촉매의 합성 시 인 리간드를 대체할 수 있다. 실리카 황산 또한 여러 유기 반응에 활용되기도 하고, 저마늄 이산화물은 PET 플라스틱 생산에 필요한 촉매로 활용되기도 한다. 안티모니 산화물도 같은 목적으로 사용될 수 있으며, 보다 저렴한 가격 때문에 더 흔하게 사용되기도 한다. 비소 산화물은 천연 가스 생산 시 이산화 탄소 제거를 위해 사용되며, 셀레늄은 일부 미생물의 체내에서 촉매로 작용하기도 한다. 텔루륨 이산화물과 사염화물은 500 ℃ 이상에서 진행되는 탄소의 산화 작용을 위한 강력한 촉매로 활용되기도 한다.

광학 기억 장치 및 광전자 공학

다양한 조성의 저마늄-안티모니-텔루륨(GeSbTe, 'GST 합금') 또는 은이나 인듐이 도핑된 텔루륨화 안티모니(Sb2Te, 'AIST 합금'(Ag- and In-doped Sb2Te)의 경우 상 변화(phase-change) 소재의 대표적 예로써, 광학 디스크와 상변화 메모리 장치 제작에 널리 쓰인다. 이러한 물질들은 열을 가할 시 비정질에서 결정 상태로 변화하며, 이로 인해 광학적, 전기적 특성이 함께 변하는 특징을 보이기에 이들 합금은 정보 저장 장치의 재료로 널리 활용되고 있다.

반도체

준금속으로 인식되는 대부분의 원소들은 산업 현장에서 반도체로 활용된다. 하지만 붕소의 경우 녹는점이 높고 단결정을 얻기 어려우며 도핑 물질을 첨가하기 어렵다는 단점으로 인해 반도체로 쓰이기엔 여러 제약이 따른다. 규소의 경우 가장 대표적인 산업용 반도체로써, 현대 전자 기기 산업 및 정보 통신 기술의 기초를 이룬다. 저마늄은 대부분의 반도체 산업에서 규소에 그 자리를 빼앗겼으나, 대신 최근 무선 통신 장비의 발달로 인해 규소-저마늄 합금의 수요가 점차 증가함에 따라 사용량도 점차 늘어나고 있다. 비소와 안티모니의 경우 그 자체로는 반도체의 특성을 띠지는 않지만, 다른 원소들과 합금을 이룰 경우 그러한 성질을 나타내기에 그 활용도가 점차 증가하고 있다.

참고자료

• 〈준금속〉, 《화학백과》
• 〈준금속〉, 《위키배과》

같이 보기

• 금속
• 비금속
• 전이금속
• 전이후금속

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