Phosphorus ( P ), 15- 인

 

인은 금성(샛별)처럼 ‘빛을 가져오는 것’이라는 어원을 가진 원소다. 인을 영어로 ‘phosphorus’라 하는데, 그리스 신화에서는 금성을 일컫는 이름과 같다. 인은 이처럼 신비스럽고, 화학적으로도 매우 흥미로운 특성을 보이는 원소이다. 인은 동물(사람)의 분비물(소변)에서 처음 발견되었다. 이후에 동물의 뼈, 식물, 광물 등에서도 인이 발견되었는데 현재는 거의 전적으로 광물에서 인과 인 화합물을 얻는다. 인은 모든 생명체에 꼭 필요한 원소이지만, 인 원소 자체나 여러 인 화합물들은 독성이 아주 크다. 인에는 색이 다른 여러 동소체들이 있는데 서로 비교적 쉽게 바뀌는 카멜레온과 같은 원소이다. 원소 상태의 인은 성냥과 합금을 만드는데 쓰이며, 인 화합물들은 여러 용도로 널리 쓰인다. 인에 대하여 보다 구체적으로 알아 보기로 하자.     원자번호 15번, 인 인(燐, phosphorus)은 원자번호 15번의 원소로, 원소기호는 P이다. 주기율표에서는 질소족이라 불리는 15족(5A족)에서 질소 바로 아래에 있으며, 실온에서 고체 상태의 여러 동소체로 존재하는 비금속 원소이다. 인의 동소체는 색에 따라 이름이 붙여져 있는데, 흰인(백린: 白燐)과 붉은인(적린: 赤燐)이 가장 흔하고, 검은인(흑린: 黑燐), 보라인(자린: 紫燐) 등도 있다. 대부분의 흰인에는 약간의 붉은인이 들어있어 노란색을 띠므로, 이를 노란인(황린: 黃燐)이라고도 부른다. 흰인은 4원자 분자인 P4로 정사면체 구조를 가지고 있으나, 다른 인 동소체들은 좀 더 복잡한 구조를 가지고 있다. 인은 질소와는 달리, 반응성이 크기 때문에 자연상태에서 원소 상태로는 발견되지 않는다.

 

 

원자번호 15번, 인.

인의 원소 정보.

 

 

인은 지각 암석 무게의 약 0.11%를 차지하는 11번째로 풍부한 원소로, 많은 광물에 주로 인산염의 형태로 들어있다. 인을 포함하는 주된 광물은 화학 일반식이 Ca5(PO4)3X (X= F, Cl 또는 OH)인 아파타이트(apatide)라고도 불리는 인회석이다. 인을 포함하는 광석(인광석)의 전세계 매장량은 인으로 환산하여 약 90억 톤 이상일 것으로 추정되는데, 이중 약 절반이 모로코, 세네갈 등 아프리카 나라에 있다.   인은 1669년에 사람 소변에서 흰인 원소 상태로 처음 분리되었는데, 이것이 공기와 접촉하면 약한 빛을 내었기 때문에, 그리스 신화에서 샛별(금성)을 일컫는 ‘빛을 가져오는 것’이라는 뜻의 ‘phosphorus’로 명명되었다. 현재는 인과 인산을 비롯한 인 화합물들을 모두 인광석에서 얻는다. 원소 상태의 인은 성냥, 인청동, 강철 등의 제조에 사용되며, 인 화합물은 비료, 완충제, 세제 첨가물, 살충제, 식품 첨가제 등으로 사용된다.   인은 생명체에 필수적인 원소이다. 인은 동물의 뼈와 이빨, 세포막을 이루는 인지질, ATP, 핵산(DNA, RNA) 등의 구성 원소이다. 토양에 인이 부족하면 식물들이 성장과 번식을 잘 할 수 없기 때문에 비료로 공급해야 한다.

 

 

인의 발견과 명명

인은 1669년에 독일의 연금술사 브란트(Henning Brandt, 1630 경~1710 경)에 의해 처음 분리되었다. 그는 다른 연금술사들과 마찬가지로, 값싼 금속을 금으로 변환시키고 영생을 가져다 준다고 믿었던 ‘현자(철학자)의 돌(Philosopher’s stone)’을 찾고자 여러 가지 실험을 하던 중 사람의 소변에서 인을 분리하는데 성공하였다. 동물의 분비물에서 먼저 발견된 유일한 원소가 인이다. 그는 소변을 며칠간 방치해서 썩힌 다음 이를 끓여서 얻은 죽처럼 된 농축액을 높은 온도에서 증류시키고, 이때 나오는 증기를 식혀 흰색의 왁스와 같은 물질을 얻었다. 약 1,100L의 소변으로부터 약 60g을 얻었는데, 이 물질이 공기에 노출되면 빛을 내는 것을 관찰하였다. 브란트는 이 물질을 ‘빛을 가져오는 신비스러운 것’을 뜻하는 그리스어 ‘phosphorus mirabilis’로 이름 지었는데, 이 물질이 인의 한 가지 동소체인 흰인이다.   인의 영문명 ‘phosphorus’는 그리스어로 빛(phos)과 가져오는 것(phoros)의 합성어이며, 그리스 신화에서 금성(샛별)을 일컫는 말이기도 하다. 이는 새벽에 샛별이 나타나면 곧 태양이 떠오르기 때문이다. 인(phosphorus)은 수명이 긴 들뜬 분자에서 나오는 빛인 인광(phosphorescence)과 어원이 같다. 그러나 인에서 나오는 빛은 실제로는 인광이 아니고, 흰인의 산화과정에서 생성된 들뜬 중간물질에서 나오는 화학 발광(chemiluminescence)이다.

독일의 연금술사 브란트를 소재로 한 것으로 알려진 조셉 더비 라이트의 [인을 발견하는 연금술사]의 한 장면.

 

브란트는 처음에는 인의 제조 방법을 비밀로 하였으나, 뒤에 제조 방법을 크라프트(Krafft)에게 팔았다. 크라프트는 브란트의 비법에 따라 인을 제조하여 유럽을 순회하면서 판매하였는데, 곧 이 비법이 새어 나가 ‘현대 화학의 아버지‘인 보일(Robert Boyle, 1627~1691)에게도 알려지게 되었다. 1680년에 보일은 이 비법을 개선하고(농축시키기 전에 수일간 소변을 썩히는 것이 필요 없음도 알아내었다), 인에서 산화인과 인산을 만드는 방법도 찾아내었다. 보일은 뒤에 인을 분리시킬 때 모래(SiO2)를 사용하는 방법도 고안하였다. 소변 농축물에 있는 인산염 NaH2PO4은 모래, 탄소와 함께 아래 반응을 통해 인을 생성한다.    4NaH2PO4 + 2SiO2 + 10C → 2Na2SiO3 + 10CO + 4H2O + P4 (흰인)   보일은 자신의 연구 결과를 논문으로 발표하여 다른 사람에게도 알렸으며, 끝에 황을 붙인 작은 나무 조각을 점화시키는데 인을 사용하여 최초의 성냥을 만들었다.   1769년에 셀레(C. W. Scheele, 1742~1786) 등은 뼈에 인산칼슘(Ca3(PO4)2)이 들어있음을 알아내고, 뼈를 태워 가루로 만든 골회에서 인을 분리하였다. 이로써 인을 소변대신 주로 골회에서 얻게 되었는데 19세기 중반에 이르러서는 인광석을 원료로 하여 인과 인산을 얻게 되었다.

 

 

인의 동소체

인의 동소체. 흰인(노란인), 붉은인, 보라인, 검은인.(왼쪽부터) <출처: (CC)Materialscientist at Wikipedia.org>

 

 

인은, 탄소나 황과 마찬가지로, 여러 동소체로 존재한다. 고체 상태에서 최소한 다섯 가지의 결정형이 있는데, 가장 중요한 것이 4개의 인 원자가 정사면체의 꼭지점에 위치하여 P4 분자로 있는 흰인이다. 기체나 액체 상태의 인이 고체로 응결되어 만들어지는 인이 알파(α)-P4인데, 이것이 보통의 흰인이다. α-흰인은 -76.9oC에서 다른 결정 구조를 갖는 β-흰인이 된다. 흰인은 인의 동소체 중 열역학적으로 가장 불안정하며, 증발이 잘 되고 반응성이 크다. 공기 중에 노출되면 황록색의 빛을 낸다. 또 공기 중에서는 약 35oC에서 자연 발화할 정도로 인화성이 크고, 독성이 있다. 흰인은 천천히 붉은인으로 변환되는데, 빛을 쪼이거나 열을 가하면 변환 속도가 빨라 진다. 따라서 순수한 흰인은 얻기 어렵고, 보통 노란색으로 얻어진다.   붉은인은 1848년에 흰인을 공기를 차단시키고 며칠간 가열하여 처음 만들었는데, 현재는 270~300oC에서 흰인을 가열하여 생산한다. 붉은인은 인 원자들이 사슬로 연결된 고분자 형태의 구조를 가지며, 공기 중에서도 260oC이하에서는 불이 붙지 않는다. 난연제와 성냥 제조에 사용된다.   보라인은 붉은인을 550oC 이상에서 열처리하면 얻어진다. 1865년에 처음으로 만들어졌으며, P8와 P9 원자단이 교대로 연결된 복잡한 구조를 갖는다. 검은인은 1916년에 P4를 12,000 기압에서 200oC로 가열하여 만들었다. 열역학적으로 가장 안정한 인으로 흑연과 비슷한 구조를 하고 있다. 반도체의 성질을 보이나 전기적 성질은 제조 과정에서 들어간 불순물에 의해 크게 영향을 받는다.

 

 

원자 및 물리적 성질

인광석의 약 90%는 인산 제조에 사용되고, 인산의 약 95%는 비료 생산에 사용된다.

인 원자는 15개의 전자를 갖고 있다. 이는 네온(Ne)에 5개의 전자가 더해진 것으로, 바닥 상태 전자배치는 [Ne]3s23p3가 된다. 주된 산화수는 +5과 +3이다. 그러나 인보다 전기 음성도가 작은 원소와의 화합물에서는 -3의 산화수를 갖는다.   흰인(α-P4)은 녹는점이 44.2oC이고 끓는점은 280.5oC이며, 40oC에서의 승화 증기압은 0.122mmHg이다. 검은인은 610oC에서 녹는다. 붉은인과 보라인은 각각 416~590oC와 620oC에서 승화 증기압이 1기압이 된다. 흰인은 전기 비저항이 11oC에서 약 1011Ω∙cm인 부도체이고, 검은인은 반도체이다. P4 분자의 P4O10로의 연소와 무정형 붉은인으로의 전이 시에는 각각 2,971kJ/mol과 29kJ/mol의 열을 내어 놓는다.   인의 안정한 동위원소는 31P뿐이고, 자연 상태에서는 모두 31P로 존재한다. 31P은 1/2 핵 스핀을 갖고 있어 인을 포함하는 화합물을 핵자기공명(nmr) 분광학으로 분석할 수 있다. 20종이 넘는 방사성 인 동위원소들이 만들어졌는데 이중 32P와 33P이 특히 유용하게 사용된다. 32P는 32S나 31P에 중성자를 쪼여 만들며, β-붕괴를 하고 반감기는 14.26일이다. 33P는 반감기가 25.4일로 낮은 에너지의 β-선을 내어 놓는다. 이들 방사성 인 동위원소들은 생물 분자들에 방사능 표지를 달아 이들을 추적 가능하게 함으로써 반응 메커니즘이나 DNA 염기 서열을 규명하는데 요긴하게 이용된다.

 

 

인의 화학적 성질

인은 같은 족의 질소에 비해 반응성이 크며, 반응성은 동소체에 따라 크게 다르다. 질소의 N≡N 삼중 결합 에너지는 945kJ/mol로 N-N 단일 결합 에너지의 3.2배인 반면에, 인의 P≡P 삼중 결합에너지는 490kJ/mol로 P-P 단일 결합 에너지의 2.45배이다. 따라서 질소의 경우는 원자끼리 서로 연결되어 3개의 단일 결합을 만들기 보다는 2원자씩 N2로 결합되어 1개의 삼중 결합을 갖는 것이 안정한 반면, 인은 3개의 단일 결합을 갖는 것이 1개의 삼중 결합을 갖는 것보다 안정하게 된다. 이것이 질소는 N2 분자로 존재하나, 인은 원자끼리 단일 결합을 통해 여러 형태로 연결된 여러 가지 동소체로 존재하는 이유가 된다.   인은 안티모니(Sb), 비스무트(Bi), 그리고 비활성 기체 원소들을 제외한 거의 모든 원소들과 이성분 화합물을 만든다. 실온에서는 산소나 할로겐과 자발적으로 반응하며, 보다 높은 온도에서는 황(S), 알칼리 금속들과 격렬히 반응한다. Bi, 수은(Hg), 납(Pb)을 제외한 모든 금속들과 직접 반응한다. 흰인은 수용액과 반응하여 다양한 화합물들을 만든다.

인을 얻는데 사용되는 인회석.

 

 

인의 생산과 이용 현재 인은 인광석을 전기로에서 모래(SiO2), 코크스(C)와 함께 1,200~1,500oC로 가열시켜 P4 증기를 만들고, 이를 물에서 응축시켜 흰인을 얻는 방법으로 제조된다. 플루오르화인회석을 광석으로 사용하는 경우의 반응식은 다음과 같다.   4Ca5(PO4)3F + 18SiO2 + 30C → 3P4 + 30CO + 18CaSiO3 + 2CaF2   이렇게 얻은 인을 붉은인으로 변환시켜 성냥을 만드는데 사용하였으며, 제1차 및 2차 세계대전시에는 소이탄, 연막탄, 예광탄에 사용하였다. 제2차 세계대전시에 영국은 특수 민간인에게 벤젠에 인을 녹인 화염병을 나눠주기도 하였다.   현재는 생산된 원소 인의 약 80%는 순수한 인산(H3PO4)을 제조하는데 사용되며, 나머지는 인황화물, 인염소화물, 유기-인 화합물 등을 만드는데 사용된다. 또한 인은 강철 생산, 인청동의 제조 등에 요긴하게 사용된다. 그리고 구리의 야금 과정에서 불순물인 산소를 제거하기 위해 인을 첨가하는데, 이렇게 해서 얻은 무산소-인함유 구리는 보통 구리보다 열과 전기전도도가 높은 특성을 보인다.

 

인은 제1차 및 2차 세계대전 시 소이탄, 연막탄, 예광탄 생산에 사용되었다. 사진은 2차세계대전 당시 독일군의 소이탄 투하로 폐허가 된 폴란드 바르샤바의 모습.

인청동으로 제작된 색소폰. <출처: (CC)Nabokov at Wikipedia.org>

 

 

주요 인 화합물 인의 산화물에는 인과 산소의 비가 서로 다른 최소한 6가지의 화합물이 있으며, 가장 대표적인 것이 P4O10(실험식인 P2O5로 적기도 하고, 오산화인이라 부른다)이다. 오산화인은 인산에서 물이 빠진 무수물로, 물과 격렬히 반응하는 강력한 물 제거제이다. 건조제, 탈수제, 산화제 등으로 사용된다. 아마이드(amide) 화합물(RCONH2)과 유기산(RCOOH)을 탈수시켜 각각 나이트릴(nitrile) 화합물(RCN)과 산무수물[(RCO)2O]을 만든다. 질산(HNO3), 황산(H2SO4), 과염소산(HClO4)을 탈수시켜 각각 N2O5, SO3, Cl2O7으로 전환시킬 만큼 물 제거 능력이 크다.   황(S)과 반응하면 인 황화물이 생기는데 9가지나 되는 P4Sn(n=2~10, 8제외)형의 황화물 구조가 밝혀졌다. 이중에서 유명한 것이 P4S3인데, 이 화합물은 어디에나 문질러도 불이 붙는 성냥을 만드는데 사용한다. 상업적으로 중요한 인 황화물은 P4S10인데, 액체 흰인과 황을 300oC 이상에서 직접 반응시켜 만들거나, 인광석에서 인을 생산할 때 광석의 불순물인 Fe2O3에서 생성되는 페로인(Fe2P)으로부터 만든다.   4Fe2P + 18FeS2 (또는 18S) → P4S10 + 26FeS (또는 8FeS)   P4S10는 물과 반응시켜 인산을 얻는데, 유기화합물에서 O를 S로 바꾸는데, 그리고 P-S 결합을 갖는 화합물을 합성하는데 사용된다. 파라치온(parathion)과 말라치온(malathion)을 비롯한 여러 유기 인 황화물들이 살충제로 사용되는데, 이들도 P4S10를 사용하여 만들어진다.   인은 할로겐(X)과 PX5, PX3, P2X4형의 화합물을 만든다. PCl3가 인 할로겐화물 중에서 매우 중요하며, 이는 흰인을 염소(Cl2)와 직접 반응시켜 만든다.   P4 + 6Cl2 → 4PCl3   PCl3의 Cl 원자는 다른 원자 또는 원자단으로 쉽게 치환되어 여러 무기 및 유기 인 화합물들을 만든다. 또한 PCl3는 산화반응을 통해 PCl5, POCl3, PSCl3를 만드는데, 이들 화합물들은 제초제, 살충제, 가소제, 난연제 등 여러 중요한 인 화합물들을 합성하는데 이용된다.   인은 붕소(B)처럼 아주 다양한 수소화물(PnHm)을 만든다. 가장 간단한 인 수소화물은 포스핀(phosphine: PH3)이다. PH3는 독성이 강하고 반응성이 큰 무색 기체(끓는점 -87.7oC)로 NH3처럼 피라미드 구조를 갖는다. 물에 잘 녹지 않으며, 수용액은 중성이다. AlP나 Ca3P2와 같은 금속인화물의 가수분해, 아인산(H3PO3)의 열분해, PCl3의 환원, P4의 알칼리 가수분해 등을 통해 만들어 진다. 유기 인 화합물의 제조, 화합물 반도체의 전구 물질, n-형 반도체의 불순물 첨가제, 훈증 살충제 등으로 사용된다.   인은 거의 모든 금속 원소들과 안정한 이성분 화합물을 만든다. 이들은 보통 해당 금속과 인을 직접 가열하여 얻는데, 같은 금속일지라도 금속과 인의 원자 비율이 서로 다른 여러 화합물들이 얻어진다. 예로, 니켈(Ni)의 경우 Ni3P에서 NiP3까지 8가지 이상의 화합물이 얻어진다. 인-금속 화합물 중에서 Fe2P는 P4S10의 제조에, AlP와 Ca3P2는 살충제 PH3를 만드는데 사용되며, 3족 금속의 인 화합물은 반도체로 이용된다.     인산과 인산염 인광석의 약 90% 정도는 인산을 만드는데 사용하는데 대부분의 인산은 인회석을 황산과 반응시켜 만든다.   Ca5(PO4)3X + 5H2SO4 + 10H2O → 3H3PO4 + 5CaSO4·2H2O + HX  (X = F, Cl, OH)   이처럼 인회석에서 직접 만든 인산은 순수하지 않은데, 이것의 약 95%는 인산 비료를 만드는데 사용한다. 나머지 약 5%는 순수한 인산으로 정제하여 시약, 금속 처리, 녹 방지 등에 사용한다. 아주 순수한 인산은 원소 상태의 인을 태워서 얻은 P4O10을 묽은 인산에 녹여 만드는데 이렇게 만든 인산은 식품에 사용할 수 있다. 인산은 삼양성자 산으로, 이의 3단계 산해리 평형은 다음과 같다.      H3PO4    H+ + H2PO4-    Ka1 = 7.25 x 10-3  H2PO4-    H+ + HPO42-   Ka2 = 6.31 x 10-8  HPO42-    H+ + PO43-     Ka3 = 3.98 x 10-3   두 번째 평형의 pKa(=-log Ka2)값은 7.17로 생리적 pH와 비슷하다. 따라서 H2PO4-의 염(예로 NaH2PO4)과 HPO42-의 염(예로 Na2HPO4)의 혼합 용액은 생화학 실험이나, 중성 수용액에서의 실험에서 완충(buffer) 용액으로 많이 사용된다.   인산은 물을 잃는 축합반응이 일어나 다중인산을 생성한다. 두 분자가 축합된 것이 이인산이라는 피로인산(pyrophosphoroic acid: H4P2O7)이고, 세 분자가 축합된 것이 삼인산(triphosphoric acid: H5P3O10)이다.

 

 

고순도 인산 및 인산 염은 식품과 음료수에 첨가된다. 청량 음료에는 쓰거나 신맛을 없애기 위해 인산을 첨가하는데, 콜라에는 약 0.05%의 인산이 들어있다. 다중인산의 소듐염은 세제 첨가물로(현재는 하천의 부영양화 때문에 사용이 제한됨), 인산의 에스테르는 고분자의 가소제로 쓰이며, 여러 인산 유도체들이 살충제로 사용된다.

 

청량 음료에는 쓰거나 신맛을 없애기 위해 인산을 첨가한다. <출처: sxc.hu>

여러 인산 유도체들이 살충제의 용도로 이용된다.

 

 

인의 생물학적 역할 인은 모든 생물체에 필수적인 원소이다. 인산염이 결합된 인지질(phospholipid)은 세포막을 이루는 주요 성분 중의 하나이다. 그리고 생물체에서 에너지 대사에 중요한 역할을 하는 ATP(adenosine triphosphate)는 삼인산기를 갖고 있다. 인산기의 가수분해 반응으로 ATP는 ADP(adenosine diphosphate), 나아가 AMP(adenosine (mono)phosphate)가 되는데, 이때 방출되는 에너지를 이용하여 운동과 체온 유지를 하고, 세포 안팎의 전해질 농도 차이를 만들고, 생명 고분자를 합성한다. 또한 DNA나 RNA와 같은 핵산에도 인산기가 들어있으며, 신경조직에도 여러 가지 인지질과 인산 에스테르가 포함되어 있다.

 

 

뼈와 이의 주성분은 무정형 인산칼슘(Ca3(PO4)2)과 인회석의 일종인 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite: Ca5(PO4)3OH)이다. 특히 하이드록시아파타이트는 이빨 상아질의 주된 성분인데, 이것의 OH-를 플루오르화 이온(F-)으로 치환시키면 보다 단단한 플루오르화아파타이트가 되어 충치를 막을 수 있다.   보통 성인은 체중의 약 1%에 해당하는 양의 인을 갖고 있는데, 이의 약 85~90%는 아파타이트 형태로 뼈와 이에 있다. 성인은 하루에 1~3g의 인을 음식으로 섭취하고 소변으로 배출한다. 과거에 인을 소변에서 분리한 것은 소변으로 배출되는 인산염을 환원시킨 것이다.   일반적으로 균형된 식사를 하는 사람은 인을 충분히 섭취한다. 그러나 영양 실조, 인산염의 흡수 장애, 대사 질환이 경우는 인 결핍 현상이 나타날 수 있다. 이때에는 근육과 신경이 제대로 작용하지 못하고, ATP가 부족하여 근육과 혈액 세포가 파괴되기도 한다. 인산 이온은 여러 금속 이온과 착물을 잘 형성하므로, 혈액 중에 인산염의 농도가 너무 높으면 우리 몸에 필요한 철, 칼슘, 마그네슘, 아연 등의 금속 이온들이 제대로 활용되지 못하며, 인산칼슘이 축적되어 장기나 조직이 굳어지기도 한다.   인이 생명체의 필수 원소인 반면, 흰인과 여러 인 화합물들은 독성이 크다. 우리 몸이 장기간 흰인에 노출되면 인 괴사(phosphorus necrosis, phossy jaw)가 일어난다. 유독한 인화합물들은 테러와 화학전에도 사용되었다. 1995년에 도쿄의 지하철 테러에 사용된 사린(sarin)가스도 인 화합물이다. 인은 또한 중독성이 있는 항정신성 의약품인 메타암페타민(methamphetamine, 속칭 필로폰)의 불법제조에 용이하게 사용되는 시약이기도 한다. 이에 따라 인과 여러 인 화합물들의 사용과 유통은 국제적 감시의 대상이 되기도 한다. 한편 여러 인 화합물들은 제초제, 살충제, 살균제 등의 농약으로, 각종 물질의 첨가제로 사용되어 우리 생활을 풍성하고 윤택하게 하는데 기여하고 있다. 결국 ‘독으로 사용하는가 약으로 사용하는가’ 하는 문제는 물질 자체보다는 그 물질을 이용하는 사람의 마음 에 달려있다고 볼 수 있다. 과학과 기술 분야에 종사하는 사람들에게 그 분야의 전문 지식도 중요하지만, 인간과 사회, 그리고 자연을 사랑하고 인간의 먼 미래를 걱정하고 대비하는 마음과 자세를 갖는 것이 보다 앞서야 할 것이다.

 

 

1. 수치로 보는 인

   인의 표준원자량은 30.794g/mol이다. 원자의 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p³ ([Ne]3s²3p³)이며, 화합물에서의 주된 산화수는 +5, +3, -3이다. 지각에서의 존재비는 약 0.11 %로 11번째로 풍부한 원소이며, 주로 인산염의 형태로 존재한다. 성인 체중의 약 1%를 차지하는 생명의 필수 원소이다. 색이 다른 여러 동소체로 존재하며 실온에서 비금속 고체이다. 밀도는 흰인은 1.823, 붉은인은 약 2.2~2.34, 보라인은 2.36, 검은인은 2.69g/cm³이다. P₄ 상태로 존재하는 흰인의 1기압에서의 녹는점은 44.2^oC이고, 끓는점은 280.5^oC이며, 40^oC에서의 승화증기압은 0.122mmHg이다. 녹음열과 증발열은 각각 0.66kJ/mol과 12.4kJ/mol이다. 검은인은 610^oC에서 녹는다. 붉은인과 보라인은 각각 416~590와 620^oC에서 승화 증기압이 1기압이 된다. 흰인은 전기 비저항이 11^oC에서 약 10¹¹Ω∙cm인 부도체이고, 검은인은 반도체이다. 흰인(P₄)분자의 P₄O₁₀로의 연소열은 -2,971kJ/mol이며, 무정형 붉은인으로의 전이열은 -29 kJ/mol이다. 제1, 제2, 제3 이온화에너지는 각각 1,011.8, 1,907, 2,914kJ/mol이고, 전기음성도는 2.19이다. 자연상태에서는 안정한 동위원소인 ³¹P로만 있다. 인으로 환산한 인광석의 전세계 매장량은 약 90억 톤 이상으로 추정되며, 이 중 약 절반이 모로코, 세네갈 등의 아프리카 나라에 있다. 인광석의 약 90%는 인산 제조에 사용되고, 제조된 인산의 95%는 비료 제조에 사용된다. 연간 인산 농축액의 생산량은 약 3,500만 톤이다. 원소 상태 인의 년간 생산량은 약 91만 톤이며, 주된 용도는 식품용 인산 제조이다.

2. 질소족 원소

   주기율표에서 15족(5A족)에 속하는 원소들로, 질소(N), 인(P), 비소(As), 안티모니(Sb), 비스무트(Bi)가 이에 속한다. 질소와 인은 비금속이고, 비소와 안티모니는 준금속이며, 비스무트는 금속이다. 맨 바깥 에너지 준위에 2개의 s전자와 3개의 p전자를 갖는다. 주요 산화 상태는 +5, +3, -3이다.

3. 인광, 형광, 화학 발광

   들뜬 분자가 보다 낮은 에너지 상태로 되면서 빛을 내는 현상을 크게 인광과 형광으로 구분한다. 수명이 긴(보통 10^-4 초 이상) 빛을 인광이라 하고, 짧은(약 10^-9 초) 빛을 형광이라 한다. 메커니즘적으로는 들뜬 상태와 낮은 에너지 상태의 전자 스핀 다중도가 다르면 인광이 나오고 같으면 형광이 나온다. 화학 발광은 화학 반응에서 생성된 들뜬 분자가 빛을 내는 것으로, 반딧불이가 내는 빛과 발광 스틱에서 나오는 빛이 그 예이다. 흰인은 산소와 물 분자와의 반응에서 들뜬 상태의 HPO와 P₂O₂가 생성되고 이들이 빛을 내므로 화학 발광이다. 인의 발광 중간체는 1974년에야 밝혀졌다.

 

 

 

글 박준우 / 이화여대 명예교수(화학)

서울대학교 화학과를 졸업하고 템플대학교에서 박사학위를 받았다. 오랫동안 이화여대에서 화학을 연구하고 가르쳤다. 저서로 [인간과 사회와 함께한 과학기술 발전의 발자취]와 [아나스타스가 들려주는 녹색화학 이야기] 등이 있고, 역서로 [젊은 과학도에 드리는 조언] 등이 있다.

발행일  2011.11.09

Phosphorus

Atomic Weight		30.973761
Density		1.823 g/cm3
Melting Point		44.2 °C[note]
Boiling Point		280.5 °C[note]
Full technical data

 

Phosphorus occurs in white (extremely dangerous), red (safer and common in matches) and black (rare, most stable) forms. This exotic violet form is a mixture of red and black, not a true allotrope itself.

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Technical data for Phosphorus Click any property name to see plots of that property for all the elements. Overview Name Phosphorus Symbol P Atomic Number 15 Atomic Weight 30.973761 Density 1.823 g/cm3 Melting Point 44.2 °C[note] Boiling Point 280.5 °C[note] Thermal properties Phase Solid Melting Point 44.2 °C[note] Boiling Point 280.5 °C[note] Absolute Melting Point 317.3 K[note] Absolute Boiling Point 553.6 K[note] Critical Pressure N/A Critical Temperature N/A Heat of Fusion 0.64 kJ/mol Heat of Vaporization 12.4 kJ/mol Heat of Combustion {"N/A", "N/A", "N/A", "N/A"} J/(kg K) Specific Heat 769.7 J/(kg K)[note] Adiabatic Index N/A Neel Point N/A Thermal Conductivity 0.236 W/(m K) Thermal Expansion N/A Bulk physical properties Density 1.823 g/cm3 Density (Liquid) N/A Molar Volume 0.000016991 Brinell Hardness N/A Mohs Hardness N/A Vickers Hardness N/A Bulk Modulus 11 GPa Shear Modulus N/A Young Modulus N/A Poisson Ratio N/A Refractive Index 1.001212 Speed of Sound N/A Thermal Conductivity 0.236 W/(m K) Thermal Expansion N/A Reactivity Valence 5 Electronegativity 2.19 ElectronAffinity 72 kJ/mol Ionization Energies 1011.8, 1907, 2914.1, 4963.6, 6273.9, 21267, 25431, 29872, 35905, 40950 kJ/mol Health and Safety Autoignition Point N/A Flashpoint N/A[note] Heat of Combustion {"N/A", "N/A", "N/A", "N/A"} J/(kg K) DOT Hazard Class {N/A, 4.1, 4.2, N/A} DOT Numbers "N/A", {1338}, {1381, 2447}, "N/A" EU Number {N/A, N/A, N/A, N/A} NFPA Fire Rating {N/A, 0, 4, N/A} NFPA Hazards N/ A, N/ A, N/ A, N/ A NFPA Health Rating {N/A, 0, 4, N/A} NFPA Reactivity Rating {N/A, 2, 2, N/A} RTECS Number {N/A, RTECSTH3495000, RTECSTH3500000, N/A} NFPA Label [note] Classifications Alternate Names None Names of Allotropes WhitePhosphorus, RedPhosphorus, BlackPhosphorus Block p Group 15 Period 3 Electron Configuration [Ne]3s23p3 Color Colorless Discovery 1669 in Germany Gas phase N/A CAS Number CAS7723-14-0 CID Number {CID5462309, CID5462309, CID123286, CID5460700} Gmelin Number {N/A, N/A, N/A, N/A} NSC Number {N/A, N/A, N/A, N/A} RTECS Number {N/A, RTECSTH3495000, RTECSTH3500000, N/A} Electrical properties Electrical Type Conductor Electrical Conductivity 1×107 S/m Resistivity 1×10-7 m Ω Superconducting Point N/A Magnetic properties Magnetic Type Diamagnetic Curie Point N/A Mass Magnetic Susceptibility -1.13×10-8 Molar Magnetic Susceptibility -3.5×10-10 Volume Magnetic Susceptibility -0.0000206 Abundances % in Universe 0.0007% % in Sun 0.0007% % in Meteorites 0.11% % in Earth's Crust 0.099% % in Oceans 7×10-6% % in Humans 1.1% Atomic dimensions and structure Atomic Radius 98 pm Covalent Radius 106 pm Van der Waals Radius 180 pm Crystal Structure Simple Triclinic Lattice Angles 1.25384, 1.57725, 1.24896 Lattice Constants 1145, 550.3, 1126.1 pm Space Group Name P-1 Space Group Number 2 Nuclear Properties Half-Life Stable Lifetime Stable Decay Mode N/A Quantum Numbers 4S3/2 Neutron Cross Section 0.18 Neutron Mass Absorption 0.0002 Known Isotopes 24P, 25P, 26P, 27P, 28P, 29P, 30P, 31P, 32P, 33P, 34P, 35P, 36P, 37P, 38P, 39P, 40P, 41P, 42P, 43P, 44P, 45P, 46P Stable Isotopes 31P Isotopic Abundances 31P 100% Notes on the properties of Phosphorus: Absolute Boiling Point: Value given for yellow phosphorus form. Absolute Melting Point: Value given for yellow phosphorus form. Boiling Point: Value given for yellow phosphorus form. Melting Point: Value given for yellow phosphorus form. Specific Heat: Value given for solid phase of P . 4 Flash Point: {Missing[NotAvailable], Missing[NotAvailable], Missing[NotAvailable], Missing[NotAvailable]} N FP ALabel: {Missing[NotAvailable], Missing[NotAvailable], Missing[NotAvailable], Missing[NotAvailable]} Up to date, curated data provided by Mathematica's ElementData function from Wolfram Research, Inc.

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