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54Xe 제논 / 크세논 Xenon |
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| 분류 | 비활성 기체 | 상태 | 기체 |
| 원자량 | 131.293 | 밀도 | 5.894 g/L |
| 녹는점 | -111.75 °C | 끓는점 | -108.099 °C |
| 용융열 | 2.27 kJ/mol | 증발열 | 12.64 kJ/mol |
| 원자가 | 0 | 이온화에너지 | 1170.4, 2046.4, 3099.4 kJ/mol |
| 전기음성도 | 2.6 | 전자친화도 | 0 kJ/mol |
| 발견 | W. Ramsay, M. Travers (1898) | ||
| CAS 등록번호 | 7440-63-3 | ||
| 이전 원소 | 아이오딘(I) | 다음 원소 | 세슘(Cs) |
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1. 개요
영어: Xenon / 중국어: 氙 / 일본어: キセノン주기율표 5주기 18족에 속하는 비활성 기체 원소로, 무색·무취이며 단원자분자로 이루어진다. 과거엔 독일어식인 '크세논'으로 표기했었으나 영어식 표기를 권장하는 대한화학회에서 '제논'이라고 표기하기를 권장하면서 현재는 제논으로 통용된다.
2. 역사
1898년 윌리엄 램지와 트래버스는 새로운 희가스 원소 발견을 위해 액체공기를 이용해 다량의 네온과 크립톤으로부터 비활성 기체 원소의 분리를 시도했다. 그러자 약간이지만 크립톤으로부터 새로운 원소의 분리가 성공했는데, 발견하기까지 엄청난 고통이 있었기 때문에 '외래의, 외계의, 이종족의'라는 뜻의 'xeno-'에서 제논이라는 이름을 붙였다.3. 특징
비활성기체임에도 플루오린, 산소와 반응하여 육플루오린화제논(XeF6), 사산화제논(XeO4), 평면 정사각형의 분자모형이 특징인 사플루오린화제논(XeF4) 등의 화합물을 만든다. 이는 자연상에 안정적으로 존재하는 비활성기체 중 가장 원자번호가 커서 이온화 에너지가 상대적으로 적은 탓이다.밀도가 5.9g/L로 매우 높기 때문에 풍선에 채우고 떨어트리면 바닥에 부딪히며 쿵 소리를 낸다.[1] 그래도 밀도가 6.17g/L 인 육플루오린화황 보다는 밀도가 낮다. 그리고 보시다시피 제논을 들이키면 헬륨과는 반대로 목소리가 낮아진다. 헬륨을 들이키고 난 후 호흡을 한번 가다듬으면 바로 정상적인 목소리가 나오는데, 제논의 경우에는 호흡을 한번 한 뒤에도 목소리가 바로 돌아오지는 않는다. 목소리가 바뀌는 것만 보고싶다면 2분 21초 부터.
4. 용도
제논은 천연에 가장 적게 존재하는 희유기체이기 때문에 아르곤이나 네온에 비해 용도는 적다. 게다가 미량원소이기 때문에 5000 USD/m3[2] 정도의 비싼 단가를 보이고 있다.대표적인 용도로는 카메라용 전자 플래시 방전관. 유리관에 미량의 제논을 봉입한 방전관의 양끝의 전극에 고압 축전기에 연결해 일순간에 방전시키면 짧지만 매우 강한 빛을 낸다. 제논이 주로 쓰이는 까닭은 그 발광 스펙트럼이 태양빛에 가까운 색온도 6000 K 가량의 백색광이 나오므로 주광용(daylight) 컬러 사진필름이나 화이트밸런스로 촬영할 수 있기 때문이다. 제논 플래시로 찍은 사진은 어두운 부분에 약간 파란 빛이 돌기도 한다. 또한 제논램프[3][4] 등 고가의 제품에만 쓰이고 있다. 다만 근래에는 더 작은 크기인데도 불구하고 크기 대비 더 높은 광량을 제공하는데다 전력효율도 좋은 LED에게 바톤을 넘기는 중이다. 그 외에 PDP, 엑시머 레이저에도 이용된다.
또 인공위성이나 우주탐사체에 이용하는 이온 엔진의 추진제로도 가장 널리 쓰이는 물질이다. 이온엔진의 추진제로 수소 등 다른 물질도 쓸 수 있지만 원자량이 크고 양성자가 많아 전하량이 커서 에너지 대비 추력 효율이 좋아 실용화된 이온 드라이브는 대부분 제논을 추진제로 사용한다. 1톤 정도의 저궤도 인공위성에 수십 kg 분량의 제논 추진제 + 3 kg 정도의 이온 드라이브를 탑재하면 태양전지의 전력으로 5년 정도 위성궤도를 유지할 수 있다.
제논은 대체적으로 라돈보다는 해가 없고 인체지방에 녹기 쉬운 성질을 가지고 있어서 뇌조직에 대한 확산, 용해성이 뛰어나 X선 전자파의 침투를 막는 효과가 있기 때문에 CT스캐너의 조영제로 이용된다. 또 제논에는 마취작용이 있다. 최근 마취제로서 쓰이는 아산화질소보다도 진통작용이 뛰어나고, 부작용도 없다는 점이 주목을 받고 있지만 너무 비싸기 때문에 보급되어 있지는 않다.
암흑물질의 후보 중 하나인 WIMP를 검출하는 실험에도 사용된다. 사용되는 이유는 정제가 용이하고 원자핵의 크기가 커서 암흑물질과 반응을 일으키기 쉽기 때문이다. 그리고 수명이 긴 방사성 동위원소가 없기 때문에 제논의 방사성 붕괴에 의한 배경(background) 신호를 염두에 두지 않아도 된다는 장점이 존재한다.
5. 동위원소
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제논 133
많은 동위원소가 있는데 그중 제논 133은 핵분열의 산물이며 방사성 동위원소로서 환자가 흡입하여 폐 기능을 확인하거나 폐 영상을 찍는 데에 사용된다. 의약품명은 Xenisol이라 한다. 또한 우라늄의 핵분열 시 제논이 가스로 공기중에 방출되므로 지하 핵실험 탐지 지표로 사용되기도 한다.
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제논 129
제논 129는 아이오딘 129가 베타붕괴함으로써 생성된다. 아이오딘 129는 지구의 암권에 들어있으므로 제논 129가 대기상에 존재하는 것은 지구 내부의 아이오딘 129가 존재한다는 증거가 된다.
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제논 135
제논 135도 방사성 동위원소인데, 우라늄이 핵분열하여 아이오딘이 되고 이 아이오딘이 다시 제논으로 붕괴하면서 생성된다. 모든 물질 중 가장 강한 중성자 흡수력을 가지고 있다. 딱히 쓸모는 없고 원자력 발전소의 제어를 복잡하게 만드는 골칫거리이다. 중성자는 핵분열이 지속되는데 필수적인데, 제논 135가 중성자를 흡수해 버리니 원전에서 문제시 된다. 발전이 계속되는 평상시에는 비록 시간차이가 있지만 평형 상태에 이르러 다루기가 별로 까다롭지는 않는데, 원전을 멈췄다가 재기동할 때 관리가 까다롭다. 그 이유는 다음과 같다. - 일시적으로 많이 축적된 제논 135가 핵분열을 방해하기 때문에, 멈춘 후 짧은 시간 내에 재기동을 하려면 제어봉을 빼놓고 있어야 한다. (제어봉은 핵분열을 억제하는 역할을 한다)
- 그렇다고 무작정 빼놓고만 있으면 안 되는데, 시간이 흐르면서 방해물인 제논이 붕괴하면서 자연감소하기 때문이다.
- 이에 잘 맞춰서 점차 제어봉을 재삽입해야 하며, 그렇지 않고 제어봉을 빼 놓고만 있으면 위험해질 수 있다. 왜냐하면 방해물이었던 제논은 없어지고 있는데, 핵분열을 줄이는 제어봉은 없으니 핵 반응이 치솟게 되기 때문이다. 더 골치아프게도 핵분열이 치솟을수록 짧은 시간 동안은 오히려 제논이 감소하기에 핵분열이 더욱 더 빨라진다.
물론 며칠 중단한 채로 놔두면 제논이 자연 소멸하여 이런 골치아픈 점이 사라진다. 증거는 없으나 체르노빌에서 비슷한 현상이 있었다는 추측도 있다. 장시간 저출력 운전으로 제논이 소모되지않고 쌓여 핵분열을 방해하여 출력이 크게 떨어지자 출력을 급속히 높이기 위해 제어봉을 다 뽑자 폭발적 핵반응이 일어났다는 것. 반감기는 9.2시간으로 매우 짧은 편이다. 비슷한 효과를 발휘하는 방사성 동위원소로 사마륨 149가 있다.
6. 제논(Xenon)의 역설
제논(Zenon)의 역설과는 관계가 없다!지구에 존재하는 제논은 통념적인 이론에 반하는 두 가지 특성을 지닌다.[5]
- 제논은 두번째로 무거운 비활성 기체[6]임에도 상대적으로 가벼운 비활성기체인 네온, 아르곤, 크립톤에 비해 지구에서 가장 많이 탈출한 비활성기체에 해당한다.
- 지구상에서 안정하게 존재하는 제논은 124-136까지 9개의 동위원소가 존재한다. 이 중 무거운 제논이 가벼운 제논에 비해 매우 많으며, 태양 및 운석과 같이 흔히 지구 대기의 생성에 기여했을 것으로 생각되는 물질들로는 무거운 제논의 부화를 설명할 수 없다.
- 제논은 비활성 기체이나 원자번호가 높아 강한 자외선을 받으면 1가의 제논 이온(Xe+)이 된다. 지구 초기에 대기의 발달이 미약하고 태양의 빛이 강했을 시기 (지구 생성 이후 약 1억년까지)에는 제논이 고도 90-110km 가량에서 이온화되었을 것으로 생각되고 있으며 당시 대기에 있었을 유기물들 역시 해당 높이에서 수소 이온으로 해리되었을 것으로 생각되고 있다.[8] 수소이온과 제논 이온은 서로 쿨롱힘에 의해 서로 밀어내고, 이를 통해 제논이 다른 비활성기체인 네온, 아르곤, 크립톤에 비해 무거운 비활성 기체임에도 지구에서 활발하게 탈출할 수 있었을 것으로 생각되고 있다.[9] 또한 수소 이온을 발생시키는 유기물들이 제논을 선택적으로 흡착할 수 있어, 일부는 지구에 유기물의 형태로 흡수되었을 가능성이 있다.[10]
- 무거운 제논이 부화되어 나타나는 경향은 이들이 우라늄, 플루토늄과 같이 무거운 원소들의 핵분열로 생성되는 자원소이기 때문이다. 지구 내에 있던 방사성 우라늄과 플루토늄이 분열하고, 지구 내부로부터 대기로 공급된 결과 무거운 제논 동위원소가 선택적으로 부화되어 나타난다.
따라서 제논의 동위원소 분포는 당시 수소이온의 존재와 밀접하게 연결되어 있으며, 지구 초기에 발생한 산소의 발생을 간접적으로 반영하는 유일한 비활성기체이다. 23억년 전, 지구 대기에 산소가 발생하여 대기중 수소가 모두 사라지고(물로 바뀌거나 우주로 탈출하거나) 오존층이 생기는 시점까지 지구 대기 내의 제논은 계속 변화했었으며, 이는 여타 비활성기체가 지구 발생 초기부터 현재 지구에 해당하는 동위원소 조성을 지닌 것과 대비되는 특징이다.
[1]
공기의 밀도는 1.29g/L
[2]
2005년 기준. 출처:
Energetics of Propellant Options for High-Power Hall Thrusters (PDF)
[3]
내시경에 쓰인다. 일반 전구로는 광원에서 내시경 말단부까지 빛의 세기가 유지되지 못해 충분한 밝기가 나오질 않는다.
[4]
탐조등에도 쓰였다. 장난아닌 광량을 보여 야간에 사용시 섬광탄과 비슷한 효과를 낼 수도 있다.
[5]
Ozima and Podosek, 2002
[6]
그러나 제일 무거운 라돈이 방사성 원소이기에 제논이 제일 무겁다고 봐도 된다
[7]
Avice et al. (2018)
[8]
Hebrand and Marty, 2014
[9]
Zahnle, 2015
[10]
e.g. Marocchi et al. (2011)
[11]
로제타(탐사선)이 공전하며 착륙선을 보낸
천체.
[12]
Marty et al. (2017)