Argon ( Ar ), 18-아르곤

 

아르곤(argon)은 그리스어로 게으름뱅이 또는 비활성을 뜻하는 ‘argos’에서 나왔다. 아르곤은 비활성 기체 중에서 가장 먼저 분리∙확인된 원소로, 비활성 기체의 대표적 원소로 볼 수 있다. 아르곤은 비활성이고 공기보다 무거우며 비교적 값싸게 얻을 수 있는 기체이기 때문에, 쓸모가 많다. 지구과학에서 연대 측정에 이용되며, 첨단 화학분석, 전자공업, 의료용 레이저 등에도 광범위하게 이용된다. 아르곤이 어떻게 발견되었고, 어떤 성질을 가지며, 어디에 사용되는가를 알아보기로 하자.     원자번호 18번, 아르곤 아르곤(argon)은 원자번호 18번의 원소로, 원소기호는 Ar이다. 주기율표에서 18족(비활성 기체족, 과거의 0족 또는 8A족)에 속하며 네온(Ne) 다음에 위치한다. 다른 비활성기체 원소들과 마찬가지로, 1기압, 실온에서 단원자 분자로 존재하며, 화학 반응성이 아주 낮다. 원자 갯수로 따질 때, 아르곤은 네온에 비해 태양계에서는 1/21로 존재하나, 지구 대기에는 513배나 많이 들어있으며, 건조된 공기 부피의 0.934%(무게의 1.286%)를 차지한다. 이는 질소와 산소 다음으로 많은 양이고, 지구 온난화로 문제가 되는 이산화탄소(CO2)의 24배나 된다. 암석과 물에도 소량 들어 있다.

 

원자번호 18번, 아르곤. <출처: (CC)Pslawinski at Wikipedia.org>

아르곤의 원소 정보.

 

 

아르곤은 천연가스에서 분리해서 얻는 헬륨(He)을 제외한 다른 비활성 기체들과 마찬가지로, 액화 공기를 분별 증류하여 얻는다. 공기 중에 비교적 많이 있기 때문에, 비활성 기체 중에서 가장 값 싸게 많은 양으로 얻어진다. 아르곤 기체는 재료가 공기 중의 산소나 수증기, 그리고 질소와 반응하는 것을 보호하는 보호기체로 주로 사용된다. 예로 용접이나 고온 열처리를 할 때, 반도체 결정을 성장시킬 때 사용된다. 또한 백열등, 형광등, 기타 기체 방전관에도 사용되며, 식품 포장에 사용되기도 한다. 의료용으로 많이 사용되는 청록색 아르곤 기체 레이저나 반도체 가공에 사용되는 엑시머 레이저를 만드는데도 이용된다.     아르곤의 발견 아르곤의 발견은 정밀 화학 실험의 진수를 보여주는 예라고 할 수 있다. 수소를 처음 발견한 캐번디시(Henry Cavendish, 1731~1810)는 1785년에 공기에는 산소와 질소 이외에 화학적 방법으로는 제거되지 않는 소량의 기체가 들어있음을 확인하고, 이 반응성이 없는 기체의 양은 전체의 1/120 보다는 많지 않다고 추정하였다. 이후 100여년 이상이 지난 1894년에 레일레이 경(Lord Rayleigh)은 공기에서 산소, 이산화탄소, 수증기를 화학 반응으로 제거하고 남은 잔여 공기(주로 질소)의 밀도가 암모니아(NH3)를 분해시켜 만든 질소의 밀도에 비해 약 0.5% 크다는 논문을 발표하였다. 이 논문을 읽은 램지(William Ramsay, 1852~1916)경은 잔여 공기를 가열된 마그네슘(Mg)으로 처리하여 질소를 제거한 후(반응식: 3 Mg + N2 → Mg3N2), 반응하지 않고 남아있는 밀도가 큰 단원자 기체를 소량 얻었다. 그는 스펙트럼을 통해 이 기체가 새로운 원소임을 확인하고, 이를 그리스어로 게으름뱅이 또는 비활성을 뜻하는 ‘argos’를 따서 아르곤(argon)으로 이름 지었다. 레일레이와 램지는 비활성 기체를 발견한 공적으로 1904년에 각각 노벨물리학상과 노벨화학상을 수상하였다. 아르곤의 원소기호는 1950년대 후반까지는 ‘A’를 사용하였으나 지금은 Ar로 통일되었다.

 

램지의 아르곤 발견에 앞서 1894년 레일레이 경은 산소, 이산화탄소, 수증기를 화학 반응으로 제거하고 남은 잔여 공기(주로 질소)의 밀도가 암모니아를 분해시켜 얻은 질소의 밀도에 비해 크다는 논문을 발표했다.

램지 경은 잔여 공기를 가열된 마그네슘으로 처리하여 질소를 제거한 후, 반응하지 않고 남아있는 밀도가 큰 단원자 기체를 소량 얻었고, 아르곤으로 이름지었다.

 

 

1869년에 멘델레예프(Dmitri I. Mendeleev, 1834~1904)가 만든 주기율표에는 아르곤이나 연이어 발견된 다른 비활성 기체 원소들이 들어갈 자리가 없었다. 이에 램지는 주기율표에서 17족(7A족) 오른쪽에 새로운 원소족을 추가할 것을 제안하였고, 결국 비활성 기체족(0족, 8A족)이 주기율표에 들어가게 되었다.   비활성 기체 원소를 영어로는 ‘noble gas’ 또는 ‘inert gas’라 하는데, 이는 이들 기체가 모두 화학 반응성이 거의 없기 때문에 나온 말이다. 그런데 화학 반응성이 없는 기체가 비활성 기체 원소 이외에 다른 기체(화합물)들도 있기 때문에, 현재는 ‘inert gas’라는 말은 거의 사용되지 않는다. 또 비활성 기체를 ‘희귀기체(rare gas)’라 부르기도 하였는데, He, Ne, Ar은 희귀하다고 보기 어려워 이 용어도 현재는 거의 사용되지 않는다.

 

아르곤의 선스펙트럼.

 

 

아르곤의 물리적 성질과 동위원소 

아르곤 원자의 전자배치는 1s22s22p63s23p6([Ne]3s23p6)로, 맨 바깥 전자 껍질에 8개의 전자가 있어 안정하다. 색, 냄새, 맛이 없는 단원자 분자 기체이다. 1 기압에서 녹는점은 -189.35oC이고, 끓는점은 산소(O2, 끓는점 -183 oC) 보다 약간 낮은 -185.85 oC이다. 아르곤은 밀도가 공기 보다 약 1.4배 더 크고, 물에 대한 용해도는 산소와 비슷하나 질소보다는 2.5배 더 크다.   아르곤(원자번호 18)의 표준 원자량은 39.948 g/mol로, 원자번호 19번인 포타슘(칼륨)의 38.098 g/mol 보다 오히려 더 크다. 원소들을 원자량 순서로 배열하여 주기율표를 만든 멘델레예프가 이 사실을 알았다면 상당히 어려움을 겪었을 것이다. 이 문제는 1913년에 모즐리(Henry Morseley, 1887~1915)가 원소를 원자량이 아닌 원자번호(원자핵의 양성자 수) 순서로 배열하는 주기율표를 제안하여 해결되었다.   지구에서 아르곤의 동위원소는 40Ar이 99.60%로 대부분이고, 36Ar(0.34%)과 38Ar(0.06%)가 소량 존재한다. 40Ar은 반감기가 12.5억년인 40K에서 만들어지는데, 40K의 89%는 β-붕괴로 40Ca이 되는 반면, 11%은 전자를 포획하거나 양전자를 방출하고 40Ar가 된다.

아르곤 원자의 전자배치는 맨 바깥 전자 껍질에 8개의 전자가 있어 안정하다. <출처: (CC)Pumbaa at Wikipedia.org>

 

이처럼 지구상의 40Ar이 40K의 방사성 붕괴로 생기기 때문에, 암석 중의 40Ar/40K의 비율을 측정하면 그 암석의 생성 연대를 결정할 수 있다. 이를 K-Ar 연대 측정법이라 한다. 자연계에는 방사성 동위원소인 39Ar(반감기 269년)도 극미량 존재하는데, 이는 주로 40Ar에 우주선이 충돌하여 만들어지며 β-붕괴를 하고 39K가 되는데, 빙산과 지하수의 연대 측정에 사용된다. 지구와는 달리 태양에 있는 아르곤은 84.6 %가 36Ar이다. 이 동위원소는 원시 우주의 핵합성으로 생성된 것이다.     아르곤의 화학적 성질과 화합물 아르곤은 다른 18족 원소들과 마찬가지로 맨 바깥(최외각) 전자껍질의 s와 p오비탈이 모두 채워진 안정한 전자 배치를 하고 있어서 화학적으로 안정하여 다른 원소와 화학 결합을 잘 하지 않는다. 실온에서 안정한 Ar 화합물은 아직도 알려진 것이 없다. 그러나 2000년에 소량의 플루오르화수소(HF)가 들어있는 고체 아르곤에 자외선을 쪼이면 HArF가 만들어진다는 것이 확인되었는데, 이 화합물은 40 K(-233 oC)까지 안정하게 존재한다. 그리고 아르곤을 포함하는 준 안정한 분자 이온 ArCF2+가 관찰되었다.   아르곤은, 크립톤(Kr)이나 제논(Xe)처럼, 퀴놀(quinol, 1,4-C6H4(OH)2)이나 물(H2O)과 내포화합물(클래스레이트, clathrate)을 만드는데, 이들 화합물의 이상적 조성은 각각 Ar{C6H4(OH)2)}3 과 Ar8(H2O)46이다. 고압, 저온에서 합성 제올라이트(zeolite)에도 비슷하게 내포된다. 내포화합물은 화학 결합에 의해 만들어진 것이 아니라, 물리적으로 공간에 갇혀있는 것이다.    아르곤의 분포와 생산 아르곤은 건조한 공기 부피의 0.934%(무게의 1.286%)를 차지한다. 화성암에는 무게로 0.04 ppm (1 ppm은 1 백만분의 1)의 아르곤이 들어 있는 것으로 추정되며, 바닷물에는 약 0.45 ppm의 농도로 녹아 있다. 천연가스에도 소량 포함되어 있다.   아르곤은 액화 공기를 분별 증류하여 얻는데, 주로 액체 산소와 액체 질소 생산의 부산물로 얻어진다. 또한 공기에서 얻은 질소(아르곤이 분리되지 않고 들어 있음)를 마그네슘(Mg)이나 칼슘(Ca)과 반응시켜 질소를 제거시키고 남은 기체에서 얻을 수도 있으며, 질소를 천연가스에서 얻은 수소와 반응시켜 암모니아를 생산하는 과정에서 부산물로 얻을 수도 있다. 전세계 년간 생산량은 약 70만 톤으로 추정되며, 가격은 비활성 기체 중에서 가장 싸다.   아르곤의 이용 아르곤은 어떤 물체를 산소나 다른 반응성이 있는 기체로부터 보호할 필요가 있을 때 사용한다. 실온을 포함한 낮은 온도에서는 보다 값싼 질소(N2)가 반응성이 거의 없어 이 목적으로 사용될 수 있으나, 높은 온도에서는 질소 기체의 반응성이 크기 때문에 아르곤을 사용한다. 예로, 흑연 전기로에서 흑연을 보호하기 위해, 텅스텐(W)과 같은 금속을 전기 용접하는 아크 용접에서, 타이타늄(Ti) 처럼 반응성이 큰 금속의 처리에서, 그리고 규소(Si)나 저마늄(Ge) 반도체의 결정을 성장시키는데 아르곤이 보호 기체로 사용된다.

 

아르곤을 보호기체로 사용하고 있는 수은 앰플. 아르곤은 물체를 산소나 다른 반응성이 있는 기체로부터 보호할 필요가 있을 때 사용한다. <출처: (CC)Wilco Oelen at Wikipedia.org>

텅스텐과 같은 금속을 전기 용접하는 아크 용접에서도 아르곤은 보호 기체로 사용되고 있다. <출처: (CC)JoJan at Wikipedia.org>

 

 

화학에서는 공기와 질소에 모두 민감한 화학물질을 다룰 때 아르곤을 보호 기체로 사용하며, 반응성이 매우 큰 화학 반응 중간체를 고체 아르곤에 잡아 연구하기도 한다. 입자물리학 실험에서 플라스마 램프와 열량계에도 사용된다. 또한 높은 에너지의 아르곤 기체나 아르곤 이온(Ar+)을 고체 표면에 충돌시켜 표면의 불순물 층을 제거하여 깨끗하게 하거나, 표면을 분석하는데도 사용된다. 이와 같은 과정을 스퍼터링(sputtering)이라 하는데, 이 과정은 주사전자현미경(SEM)의 시료를 만드는데, 그리고 집적회로(IC)와 같은 초미소 전자 회로를 만드는 데도 이용된다. 또한 기체크로마토그래피(GC)의 운반 기체 등 여러 첨단 화학 분석에도 아르곤 기체가 많이 사용된다. 암 세포를 제거하기 위한 냉동 수술에도 가끔 액체 아르곤이 사용되며, 혈액에 녹아있는 질소를 빨리 제거하기 위해 아르곤 기체가 사용되기도 한다. 아르곤의 또 다른 주요 용도는 조명 관련 장치에 사용하는 것이다. 백열등에는 질소와 함께 아르곤을 넣어 고온에서 필라멘트가 산화되는 것을 방지하며, 형광등에도 수은(Hg) 증기와 함께 넣어 전기 방전을 일정하게 유지하도록 한다. 또한 네온사인에서는 다른 기체와 함께 아르곤을 섞어 독특한 색(수은 증기와 함께 넣는 경우 강한 푸른 색)의 빛을 내도록 한다.

 

화재 시 장비의 손상을 막기 위해 아르곤을 소화 기체로 사용하기도 한다. <출처: (CC)Froztbyte at Wikipedia.org>

아르곤 기체 레이저는 지혈과 응혈, 피부 치료, 각종 레이저 수술 등 의료 목적으로 사용된다. <출처: (CC)JoJan at Wikipedia.org>

 

 

아르곤 기체는 산소와의 접촉을 막음으로써 고문서가 산화되는 것을 막는데, 마시다 남은 포도주나 식품이 산화되는 것을 방지하여 신선하게 보존하는데, 사용하고 남은 페인트 등을 보존하는데도 사용된다. 또한 닭, 오리 등의 가금류가 전염병에 걸렸을 때 이들을 집단 질식시키는데도 아르곤이 사용되며, 화재 시 장비의 손상을 막기 위해 아르곤을 소화 기체로 사용하기도 한다. 이는 아르곤이 비활성이면서 밀도가 높은 것을 이용하는 것이다. 아르곤은 또한 열 전도도가 작아 창을 단열시키는데도 사용된다. 아르곤은 레이저에도 많이 사용된다. 저압 아르곤 기체의 아크 방전을 사용하는 아르곤 기체 레이저로 청록색의 강한 빛을 얻을 수 있는데, 지혈과 응혈, 피부 치료, 각종 레이저 수술과 치료에 많이 이용된다. 또한 아르곤-염료 레이저는 녹색에서 푸른색까지 다양한 빛을 만들어 낼 수 있는데, 암 치료, 손상된 혈관 치료, 안과 질환 치료, 망막 수술 등 안과 수술에 많이 이용된다. 아르곤을 사용하는 또 다른 레이저로 엑시머(eximer) 레이저가 있다.  엑시머는 수명이 짧은 들뜬 상태의 이합체를 말하는 것이나, 레이저에서는 들뜬 착화합물(exiplex)까지를 포함한다. Ar2*를 레이저에 사용하는 경우는 126 nm, ArF*를 이용하는 경우는 193nm의 강한 단파장 빛이 나온다. 파장이 짧기 때문에 반도체 집적회로나 칩과 같은 미세전자 디바이스를 만드는데 많이 이용된다.

 

 

1. 수치로 보는 아르곤

   표준원자량은 39.948g/mol이고, 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶이다. 건조한 공기 부피의 0.934%(무게의 1.286%)를 차지한다. 녹는점은 -189.35^oC(83.80K)이고, 끓는점은 -185.85^oC(87.30K)이다. 삼중점은 -189^oC, 0.68기압이다. 0^oC, 1기압에서의 밀도는 1.784g/L로 공기의 1.38배이다. 열전도도는 0^oC에서 0.0169W∙m^-1∙K^-1이고, 20^oC에서 물 1kg에 33.6cm³가 녹는다. 첫 번째 이온화에너지는 1520kJ/mol이고, 자연 상태에서의 동위원소 분포는 ³⁶Ar(0.337%), ³⁸Ar(0.063%), ⁴⁰Ar(99.60%)이다.

2. 내포 화합물(클라스레이트 화합물, clathrate compound)

   어떤 화합물이 만든 3차원 골격 구조에 있는 빈 공간에 다른 분자 또는 원자가 들어가서 생긴 화합물. 대표적인 예가 조성이 대략 G{(H₂O)₆} (G = Ar, CH₄, CO₂, H₂S, Cl₂ 등)인 기체 수화물들이다. 우리나라 동해안을 비롯한 깊은 바다에는 메테인(메탄, CH₄) 수화물이 대량으로 존재하고 있어 미래의 에너지원으로 관심을 끌고 있다. 포접 화합물이라고도 부른다.

 

 

 

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  2011.11.30

Argon

Atomic Weight		39.948
Density		1.784 g/l[note]
Melting Point		-189.3 °C
Boiling Point		-185.8 °C
Full technical data

A noble gas, argon is inert and colorless until an electric current excites it to a rich sky-blue glow. As one of the least expensive noble gases, dense argon is often used as a shield gas to protect against oxidation.

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Technical data for Argon Click any property name to see plots of that property for all the elements. Overview Name Argon Symbol Ar Atomic Number 18 Atomic Weight 39.948 Density 1.784 g/l[note] Melting Point -189.3 °C Boiling Point -185.8 °C Thermal properties Phase Gas Melting Point -189.3 °C Boiling Point -185.8 °C Absolute Melting Point 83.8 K Absolute Boiling Point 87.3 K Critical Pressure 4.898 MPa (48.34 Atm) Critical Temperature 150.87 K Heat of Fusion 1.18 kJ/mol Heat of Vaporization 6.5 kJ/mol Heat of Combustion N/A Specific Heat 520.33 J/(kg K)[note] Adiabatic Index 5/3 Neel Point N/A Thermal Conductivity 0.01772 W/(m K) Thermal Expansion N/A Bulk physical properties Density 1.784 g/l[note] Density (Liquid) N/A Molar Volume 0.022392 Brinell Hardness N/A Mohs Hardness N/A Vickers Hardness N/A Bulk Modulus N/A Shear Modulus N/A Young Modulus N/A Poisson Ratio N/A Refractive Index 1.000281 Speed of Sound 319 m/s Thermal Conductivity 0.01772 W/(m K) Thermal Expansion N/A Reactivity Valence 0 Electronegativity N/A ElectronAffinity 0 kJ/mol Ionization Energies 1520.6, 2665.8, 3931, 5771, 7238, 8781, 11995, 13842, 40760, 46186 kJ/mol Health and Safety Autoignition Point N/A Flashpoint N/A Heat of Combustion N/A DOT Hazard Class 2.2 DOT Numbers 1951 EU Number N/A NFPA Fire Rating N/A NFPA Hazards N/A NFPA Health Rating N/A NFPA Reactivity Rating N/A RTECS Number RTECSCF2300000 NFPA Label N/A Classifications Alternate Names None Names of Allotropes None Block p Group 18 Period 3 Electron Configuration [Ne]3s23p6 Color Colorless Discovery 1894 in United Kingdom Gas phase Monoatomic CAS Number CAS7440-37-1 CID Number CID23968 Gmelin Number N/A NSC Number N/A RTECS Number RTECSCF2300000 Electrical properties Electrical Type N/A Electrical Conductivity N/A Resistivity N/A Superconducting Point N/A Magnetic properties Magnetic Type Diamagnetic Curie Point N/A Mass Magnetic Susceptibility -6×10-9 Molar Magnetic Susceptibility -2.4×10-10 Volume Magnetic Susceptibility -1.07×10-8 Abundances % in Universe 0.02% % in Sun 0.007% % in Meteorites N/A % in Earth's Crust 0.00015% % in Oceans 0.000045% % in Humans N/A Atomic dimensions and structure Atomic Radius 71 pm Covalent Radius 97 pm Van der Waals Radius 188 pm Crystal Structure Face Centered Cubic Lattice Angles π/2, π/2, π/2 Lattice Constants 525.6, 525.6, 525.6 pm Space Group Name Fm_ 3m Space Group Number 225 Nuclear Properties Half-Life Stable Lifetime Stable Decay Mode N/A Quantum Numbers 1S0 Neutron Cross Section 0.65 Neutron Mass Absorption 0.0006 Known Isotopes 30Ar, 31Ar, 32Ar, 33Ar, 34Ar, 35Ar, 36Ar, 37Ar, 38Ar, 39Ar, 40Ar, 41Ar, 42Ar, 43Ar, 44Ar, 45Ar, 46Ar, 47Ar, 48Ar, 49Ar, 50Ar, 51Ar, 52Ar, 53Ar Stable Isotopes 36Ar, 38Ar, 40Ar Isotopic Abundances 36Ar 0.3365% 38Ar 0.0632% 40Ar 99.6003%

Notes on the properties of Argon:

Density: Density at 0° Celsius.

Specific Heat: Value given for gas phase.

Up to date, curated data provided by Mathematica's ElementData function from Wolfram Research, Inc.