붕소의 특성 : 발견과 지속된 연구, 이온화 에너지 경향성, 화학 결합

붕소의 주원료가 되는 붕사(좌측)

 

 오늘은 붕소에 대해서 알아보겠습니다. 붕소를 발견하기까지의 발자취와 붕소의 독특한 이온화 에너지 경향, 그리고 화학 결합 특성까지 살펴보겠습니다. 

 

붕소의 발견과 지속된 연구

 붕소의 발견의 첫 걸음은 18세기에 유럽 탐험가들이 티벳과 페르시아의 사막에서 특이한 물질을 접하면서 시작되었습니다. 붕사로 알려진 이 광물은 저명한 조지프 루이 게이뤼삭과 험프리 데이비 경을 포함한 화학자들의 호기심을 유발했습니다. 게이뤼삭과 데이비는 19세기 초에 독립적으로 실험을 진행하여 붕소를 함유한 화합물의 독특한 특성을 밝혀냈습니다. 1807년에는 배터리와 전기화학적 방법을 갖춘 험프리 데이비 경이 붕소를 분해하려고 시도하였지만 완전히 분리하는 데까지는 성공하지 못했습니다. 순수한 붕소를 분리하는 데는 실패했지만, 그의 연구는 후속적인 돌파구를 마련하는 데 도움이 되었습니다. 붕소의 존재가 인정된 이후에 과학자들은 붕소의 비밀을 더 깊이 탐구하기를 열망하였고 그 노력은 지속되었습니다. 19세기 중반까지 나아가서, 요소의 합성과 유기화학에 대한 공헌으로 유명한 독일의 화학자 프리드리히 뵐러는 붕소에 관심을 두었습니다. 1856년에는 붕소 화합물의 합성에 성공하여 붕소의 화학을 이해하는 데 큰 획을 그었습니다. 뵐러의 업적은 다양한 붕소 화합물을 탐구하는 길을 열었고, 이 난해한 원소에 대한 과학계의 이해를 넓히는 데 이바지 하였습니다. 수소화붕소와 다른 화합물의 합성을 중심으로 붕소와 다른 원소와의 복잡한 상호작용에 대한 성질을 밝혀냈습니다. 20세기에 이르러서는 주기율표가 원소를 이해하는 통일된 틀로서 등장하였고 붕소는 그 주기율표에 위치해 있는 것을 볼 수 있습니다. 독특한 성질과 원자 구조를 가진 붕소의 다양한 붕소 동소가 발견되고 연구되어 다양한 활용성을 가진 원소에 대한 우리의 이해를 더욱 풍부하게 했습니다. 이렇듯 붕소의 발견은 과학적 탐구의 새로운 장을 밝히는 데 기여하였습니다.

 

붕소의 특이한 이온화 에너지 경향성

 원자번호가 5인 붕소는 주기율표 기준으로 13족이며, 베릴륨 바로 다음에 위치하고 있습니다. 원자번호 5에서 알 수 있듯이 붕소의 핵에는 다섯 개의 양성자와 그에 상응하는 수의 전자가 들어 있습니다. 여기서 맨 바깥 껍질에 있는 붕소의 최외곽 전자는 하나입니다. 이러한 붕소 전자의 배치는 이온화 에너지 관점에서 보면 모두가 흥미로울 만한 현상을 설명할 수 있습니다. 지난번 제가 작성한 베릴륨의 글에서 처음 언급된 이온화 에너지는 원자에서 전자를 떼어내 양전하를 띤 이온으로 바꾸는 데 필요한 에너지입니다. 일반적으로 주기율표에서 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 이온화 에너지가 증가하는 경향이 있는데, 붕소는 이와 반대의 경향을 보여줍니다. 첫 번째 이온화 에너지는 뜻밖에도 같은 주기의 앞선 원소인 베릴륨보다 낮습니다. 이 현상은 붕소의 전자 배치 때문이라고 할 수 있습니다. 붕소의 전자 배치는 1s² 2s² 2p ¹입니다. 2p 궤도에 최외곽 전자가 위치하고 있는데, 이 전자를 제거할 때 필요한 에너지는 2s 궤도에 있는 베릴륨에서 전자를 하나 제거할 때 비해 적습니다. 원자핵은 붕소가 베릴륨보다 하나 더 많고 전자를 더 강하게 당기는 인력을 가지고 있습니다. 하지만 전자 배치의 차이가 더 낮은 첫 번째 이온화 에너지라는 특이점을 낳았고 반응성이 높다는 점을 이해하는 데 도움을 줍니다.

 

붕소의 화학 결합 특성

 붕소는 비금속이기 때문에 전자 공유를 함으로써 다른 원자들과 서로 공유결합을 이뤄 보다 안정적인 배열을 만들어냅니다. 위에서 언급한 붕소 2p 오비탈의 최외곽 전자는 다른 원소의 전자와 쉽게 쌍을 이루어 공유 화합물을 형성합니다. 이것은 붕소가 다른 비금속 원소와 상호작용하여 보란이나 수소화붕소와 같은 화합물을 만드는 것에서 확인할 수 있습니다. 이 결합으로부터 붕소가 전자를 공유하려는 경향을 가지고 있으며, 분자 구조의 안정성을 높여준다는 것을 확인할 수 있습니다. 붕소가 무수히 많은 공유 화합물을 형성하는 능력은 화학계에서 관찰되는 분자 다양성에 기여하게 됩니다. 게다가 붕소는 단순히 원자들이 전자쌍을 공유하며 만들어 내는 공유화합물 이외에 배위화합물을 형성할 수 있습니다. 배위화합물은 보통 금속 원자나 이온을 중심으로 한, 리간드라는 분자나 이온의 복합체입니다. 붕소는 전자가 부족하기 때문에 다른 원자나 분자로부터 전자쌍을 받아들이는 루이스 산으로 작용하는 경우가 많습니다. 또한 붕소는 배위 화합물에서 중심 원자로 작용할 수 있고 그 주위에 전자쌍을 기증하는 리간드가 있습니다. 이런 분자 구조를 가지고 있는 붕소는 공유 결합에 국한되지 않고 촉매 작용, 재료 과학, 의학, 화학 등에서 사용하는 물질의 복잡한 구조를 형성하는 능력을 보여줄 수 있습니다.

 

결론

 붕소의 발견은 인간의 호기심에서 비롯되어 인내하는 과정을 거쳐 성공할 수 있었습니다. 붕소의 2p 오비탈 전자의 배치는 반응성에 영향을 미치며 베릴륨보다 더 낮은 첫 번째 이온화 에너지를 보이는 경향을 설명할 수 있습니다. 그리고 마찬가지로, 붕소의 그 전자 배치로 인해 공유결합과 배위화합을 통한 다양한 물질을 형성할 수 있습니다.