비금속

비금속 원소

비금속(nonmetal, 非金屬)은 금속이나 준금속이 아닌 화학 원소를 말한다. 전기음성도가 높아 결합 시 다른 원자로부터 원자가 전자를 받아들이는 성질이 있다.

비금속 원소는 대부분 주기율표의 오른쪽에 차지하며, 위로 갈수록 비금속성이 커진다. 수소는 예외적으로 알칼리가 있는 왼쪽 위에 자리하고 있으나 비금속의 성질을 띤다. 비금속은 전도체인 금속과는 달리 부도체거나 반도체이다. 비금속은 금속에게 전자를 받아 이온 결합을 하거나 다른 비금속과 공유 결합을 한다. 비금속의 산화물은 산성이다.

금속 원소가 80여 종류가 되는 데 반해 비금속은 12 종류밖에 되지 않는다. 그러나 비금속은 지구, 특히 지각을 구성하는 주성분이다. 생물의 몸은 대부분 비금속 원소로 이루어져 있다.

수소는 1족이다. 기본적으로 수소, 탄소, 질소, 산소, 플루오린, 네온, 인, 황, 염소, 아르곤, 셀레늄, 브로민, 크립톤, 아이오딘, 제논, 라돈을 비금속으로 분류한다. 또한 이 표에 나와 있지 않지만 아스타틴도 기본적으로 비금속에 분류된다. 특히 탄소, 셀레늄, 아스타틴을 준금속으로 오해하는 경우도 많다.

특징

주기율표상의 비금속성

주기율표에서 볼 때 위로, 오른쪽으로 갈수록 비금속성이 세진다. 비금속성은 원자가 외부의 전자를 얼마나 잘 받아들이는가를 나타낸다. 이는 옥텟 규칙과도 관련있다. 금속과 준금속, 비금속의 경계가 오른쪽-아래 방향으로 되어있는 것도 이 때문이다.

• 족: 족이 커진다는 것은 최외각전자가 많아짐을 뜻한다. 옥텟을 만족하려면 최외각전자를 8개로 완전히 채우거나 모두 바깥으로 내놓아야 하는데, 주어진 최외각전자가 많다면(다시 말해 부족한 개수가 적다면) 내놓는 것보다 받아들이는 쪽이 에너지를 덜 요구한다. 따라서 족이 커질수록 비금속성은 세진다.
• 주기: 주기가 커지면 전자궤도 껍질 수가 많아지고 원자반지름은 커진다. 이렇게 되면 최외각에 있는 전자들은 원자핵에서 멀리 떨어지게 되어, 원자 바깥으로 뛰쳐나오는 데 요구되는 에너지가 낮아진다. (즉 이온화에너지가 낮아진다.) 여기서 원자번호가 커지면 원자핵의 인력이 커지지만, 최외각이 아닌 내부 전자들로 인한 반발력까지 고려하면 결국 전자가 탈출하기 쉬워진다. 따라서 주기가 커질수록 비금속성은 약해진다.

비금속성이 센 원소는 대체로 전기음성도, 이온화에너지, 그리고 전자친화도가 크다. 세 특성 모두 전자를 받아들이는 경향이 큰 원소에서 크게 나타난다.

18족 원소는 금속성과 비금속성을 따질 때에도 논외로 한다. 금속성은 전자를 잃고 양이온이 되어 안정화하려는 성질을 의미하고, 비금속성은 전자를 얻어 음이온이 되어 안정화되려는 성질을 의미한다. 비활성기체는 매우 안정되어 있는 상태로 전자를 잃거나 얻으려하지 않기 때문에, 비금속성이 가장 큰 원소를 따질 때 주기율표 상에서 우측 상단으로 갈수록 큰 경향이 있는데 F가 가장 비금속성이 크다. 단, 예외적으로 오가네손은 상대론적 효과와 높은 주기로 인해 전자를 쉽게 잃을 수 있게 되어 금속성을 가질 것으로 예측되고 있다.

분자, 화합물 구성 방식

비금속은 전자를 잘 받아들이려 하므로, 반대로 말하면 전자를 바깥으로 내놓으려 하지 않는다. 따라서 금속의 고유 특징인 금속결합은 하지 못하고, 전기 전도에 중요한 역할을 하는 자유전자가 생겨나지 않는다. 이로 인해 열전도성과 전기전도성이 낮다.

그 대신 금속 원소와 결합하여 이온 결합 물질을 생성하거나, 다른 비금속 원소와 결합하여 공유 결합 물질을 생성한다.

• 비금속-금속: 금속은 전자를 내놓으므로, 비금속이 이 전자를 가져가면서 적절한 비율로 양이온과 음이온이 되어 이온화합물을 이룬다.
• 비금속-비금속: 비금속끼리만 반응을 할 때에는 전자를 일방적으로 주거나 받는 식으로 옥텟을 이룰 수 없다. 따라서 전자를 중복해서 세어 옥텟을 만족하는 공유결합(배위결합 포함)을 이룬다.

지구상의 비금속

지구상에 상당히 많이 존재하는데 이는 핵융합 과정이 수소→헬륨→탄소→산소→규소→철로 이어지기 때문이다. 수소, 헬륨 이상으로 무거운 원소들이 태양 이전 세대의 별(태양은 3세대 별)이 핵융합하고 나온 부산물들이다. 참고로 비금속이 아니더라도 철보다 원자번호가 작은 원소면 별의 핵융합으로 만들어질 수 있다. 다만 핵융합으로 생성되었다는 것 자체로 지구에 많은 다양한 비금속이 존재할 수 있는 것이다.

지구상의 비금속 중 산소는 산화규소 형태로 암석에 많이 존재한다. 유기물은 탄소와 질소, 산소, 수소, 인과 같은 비금속을 중심으로 이루기 때문에 생명체를 구성하는 골격 역할을 한다. 그중에서도 특히 공유결합 손이 많은 탄소가 유기물의 주축이다.

참고자료

• 〈비금속〉, 《위키백과》
• 〈비금속〉, 《나무위키》

같이 보기

• 금속
• 준금속

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