13족 원소

13족 원소는 주기율표의 13번째 족에 속하는 원소들을 가리키는 화학 용어로, 붕소족(boron group) 또는 트라이엘(triels)이라고도 불린다. 이 족에 속하는 원소로는 붕소(B, 원자번호 5), 알루미늄(Al, 13), 갈륨(Ga, 31), 인듐(In, 49), 탈륨(Tl, 81), 니호늄(Nh, 113)의 총 6개 원소가 있다. 이 족은 주기율표의 p-구역에 위치한다.

특징

13족 원소들은 모두 최외각 전자 껍질에 3개의 원자가 전자를 가지고 있으며, 전자 배치는 ns²np¹의 형태를 따른다. 이는 이 족 원소들의 화학적 성질을 결정짓는 가장 중요한 공통점이다.

족을 따라 아래로 내려갈수록 금속성이 증가하여, 가장 위에 위치한 붕소는 준금속(메탈로이드)인 반면, 알루미늄, 갈륨, 인듐, 탈륨은 전이후 금속(post-transition metal)으로 분류된다. 니호늄은 인공 원소로 수명이 매우 짧아 실험적 확인이 제한적이나, 전이후 금속으로 추정된다.

물리적 특성

붕소는 녹는점이 약 2076°C로 이 족에서 가장 높으며, 경도가 다이아몬드 다음으로 높은 물질로 알려져 있다. 반면 알루미늄의 녹는점은 약 660°C, 갈륨은 약 30°C(손에 쥐면 녹을 정도로 낮음), 인듐은 약 157°C, 탈륨은 약 304°C로, 아래로 내려갈수록 일정한 증감을 보이지는 않는다. 밀도는 붕소(2.46 g/cm³)에서 탈륨(11.85 g/cm³)으로 갈수록 증가하는 경향이 있다.

화학적 특성

13족 원소들은 주로 +3 산화 상태를 나타내지만, 원자 번호가 증가할수록 불활성 전자쌍 효과(inert pair effect)로 인해 +1 산화 상태가 더 안정화된다. 특히 탈륨의 경우 +1 상태가 가장 안정적이다.

이 족 원소들은 산소와 반응하여 M₂O₃ 형태의 3가 산화물을 형성한다. 산화 붕소(B₂O₃)는 약산성, 산화 알루미늄(Al₂O₃)과 산화 갈륨(Ga₂O₃)은 양쪽성, 산화 인듐(In₂O₃)은 거의 양쪽성, 산화 탈륨(Tl₂O₃)은 염기성으로, 족을 따라 내려갈수록 염기성이 증가하는 경향을 보인다.

구성 원소

역사

13족은 과거 유럽 명명법에서는 IIIB족, 미국 명명법에서는 IIIA족으로 불렸다. "트라이엘"이라는 명칭은 라틴어 접두사 tri-(셋)에서 유래했으며, 1970년 IUPAC(국제순수·응용화학연합)에 의해 처음 제안되었다.

붕소는 1808년 험프리 데이비가 전기 분해 방식으로 순수한 형태로 분리하는 데 성공했다. 알루미늄은 1825년 한스 크리스티안 외르스테드가 처음 추출했으며, 1880년대 후반 홀-에루 공정이 개발되면서 대량 생산이 가능해졌다. 갈륨은 1875년 폴 에밀 르코크 드 부아보드랑이 발견했으며, 이는 드미트리 멘델레예프가 6년 전에 존재를 예측했던 원소 중 하나였다. 인듐은 1863년 페르디난트 라이히와 히에로니무스 테오도르 리히터가 발견했으며, 탈륨은 1861년 윌리엄 크룩스와 클로드 오귀스트 라미가 발견했다. 니호늄은 2003년 러시아 합동원자핵연구소와 미국 로렌스 리버모어 국립연구소의 공동 연구를 통해 처음 합성되었으며, 이후 일본 RIKEN의 실험이 IUPAC에 의해 발견으로 인정받았다.

존재와 풍부도

알루미늄은 지구 지각에서 약 8.2%를 차지하여 산소와 규소 다음으로 세 번째로 풍부한 원소이며, 지각에서 가장 풍부한 금속이다. 붕소는 지각의 약 0.001%(10ppm)를 차지하며, 튀르키예가 전 세계 붕소 생산량의 약 70%를 차지한다. 갈륨(0.0018%, 18ppm), 인듐(0.000005%, 0.05ppm), 탈륨(0.00006%, 0.6ppm)은 상대적으로 희귀하다. 니호늄은 자연에서 발견되지 않는 인공 원소이다.

활용

알루미늄은 건축 자재, 전기 케이블, 항공기 동체, 음식 용기 등 일상생활에서 가장 널리 사용된다. 붕소는 붕규산 유리(내열 유리), 세라믹, 표백제 등에 사용된다. 갈륨은 청색 LED, 반도체, 태양 전지 등 전자 분야에서 중요하게 사용된다. 인듐은 인듐 주석 산화물(ITO) 형태로 평판 디스플레이, 터치스크린, 태양 전지판의 투명 전극으로 널리 사용된다. 탈륨은 저융점 유리, 광전지, 심근 영상 등에 사용되나, 높은 독성으로 인해 사용이 제한된다.

생물학적 역할 및 독성

붕소는 일부 식물의 생장에 필수적인 미량 원소이며, 인간에게도 필수 미량 영양소일 가능성이 논의되고 있다. 알루미늄은 생물학적 역할이 알려져 있지 않으며, 소량에서는 유의미한 독성이 없다. 갈륨과 인듐은 생물학적 역할은 없으나 신진대사를 자극할 수 있다. 탈륨은 극도로 독성이 강하며, 전신 탈모를 비롯한 여러 장기 기능 손상을 일으킨다. 니호늄은 강한 방사성으로 인해 극도로 독성이 강할 것으로 추정되나, 현재까지 충분한 양이 합성된 바 없다.