헬륨의 쓰임새

- 풍선이나 비행선, 기구를 띄우는 데 사용되며, 심해 잠수 시 산소통에 헬륨을 넣어 잠수병을 예방

- 의료 영상 기술이나 초전도체 냉각, 로켓 엔진 청소 등 다양한 과학 기술 분야에서 활동

헬륨의 특징

- 무색, 무취, 무독성, 불활성, 단원자 원소, 무게가 가볍다

헬륨이란

- 화학 원소로 끓는점이 가장 낮으며, 상업에서는 영점에너지로 인하여 절대영도에서도 액체로 존재할 수 있는 유일한 원소이다.

크립톤은 공기중 약 0.0001%정도를 차지하는 기체로, 주로 크립톤램프에 사용됩니다.

이러한 크립톤에는 신기한 특성이 있습니다.크립톤을 들이마시면 목소리가 낮아진다는 것입니다.

높은분자량이 느린 이동속도를 만들어 같은 에너지로 만들어낸 음파의 진동수가 더 느리기 때문에 원래 목소리보다 저음으로 나오는 것이라고 합니다.

탄산수 안에도 기체가 들어있는걸 알고 계신가요?

이 기체는 바로 이산화탄소 입니다.

이산화탄소는 맥주, 탄산음료, 탄산수 등에 첨가되어 맛을 내고, 드라이아이스는 냉각제로 사용됩니다.

질소는 무색, 무취, 무미의 기체로 대기 중 약 78%를 차지하며 불활성이며 불연성입니다.

질소의 쓰임새

• 산소 제거:

  질소는 산소를 밀어내어 폭발이나 화재 위험을 줄이는 데 사용됩니다. 

• 농업:

  질소는 화학 비료의 주요 성분으로, 작물의 성장에 필수적입니다. 

• 제약 및 소재 산업:

  질소는 부식의 위험이 낮아 제약, 소재 산업에서 사용됩니다. 

• 요리:

  액체 질소는 분자 요리에 사용되어 독특한 식감을 만들거나 음식을 냉각시키는 데 활용됩니다. 

질소는 다양한 분야에서 활용되는데, 산업, 식품, 의료, 항공우주 등에서 사용됩니다. 특히, 공기 중의 산소를 제거하여 산화나 폭발을 방지하고, 식품 포장, 냉각 및 냉동, 의료용 마취제 등으로 활용됩니다.

산업:

냉각 및 냉동:

액체 질소는 급속 냉각에 사용되어 음식, 생물 샘플, 전자 부품 등을 냉동합니다. 

산화 방지:

질소는 불활성 기체로 산소를 대체하여 산화를 방지하고, 제품의 품질과 유통 기한을 향상시킵니다. 

절단 및 용접:

질소는 용접 시 산소를 제거하여 강도와 품질을 높이고, 절단 시 불꽃을 줄이는 데 사용됩니다. 

항공우주:

항공기 타이어 압력 유지, 로켓의 자세 제어, 우주발사체 성능 시험 등에 활용됩니다. 

화학비료 생산:

암모니아 합성을 통해 질산과 같은 화학비료를 생산합니다. 

제약 및 전자 산업:

부식 방지 및 공기 중의 산소 제거를 위해 활용됩니다. 

식품:

포장: 식품의 산화 방지 및 신선도 유지를 위해 과자, 샐러드, 고기 등 다양한 식품 포장에 사용됩니다. 

요리: 아이스크림, 커피 등 급속 냉동 및 요리에 활용됩니다. 

의료:

마취: 치과 치료 시 마취제로 사용됩니다.

사마귀 치료: 액체 질소를 사용하여 사마귀를 제거합니다. 

항공우주:

헬기 연료탱크: 유증기 폭발 위험을 줄이기 위해 헬기의 연료탱크에 주입됩니다.

우주발사체: 상단 로켓의 자세 제어 및 성능 시험에 사용됩니다. 

이 외에도 분말 소화기, 자동차 에어백, 마술쇼 등 다양한 분야에서 질소는 활용되고 있습니다

레이저로 활용되는 데 의학적으로 쓰입니다

헬륨의 주요 용도:

풍선, 비행선 띄우기:공기보다 가벼워 안전하고 안전한 특성으로 비행선, 기구 등을 띄우는 데 사용됩니다. 

의료 영상 장치 (MRI) 냉각:액체 헬륨은 극저온 상태를 유지하는 데 사용되어 MRI 장치의 초전도 자석 냉각에 활용됩니다. 

초전도체 연구:헬륨은 초전도체를 연구하고 활용하는 데 필수적인 냉각재로 사용됩니다. 

심해 잠수:심해 잠수 시 산소통에 헬륨을 혼합하여 사용하면 잠수병 예방에 도움이 됩니다. 

반도체 및 LCD 생산:냉각재로 사용되어 반도체와 LCD 생산 과정에서 필요한 온도 조절에 기여합니다. 

용접:아크 용접 시 실딩 가스로 사용되어 용접 품질을 향상시킵니다. 

액체헬륨:핵융합 연구, 입자 물리학 등 다양한 분야에서 초전도 자석을 냉각하는 데 사용됩니다. 

이산화탄소의 주요 용도:

• 식음료 산업: 맥주, 탄산음료, 탄산수 등에 첨가되어 맛을 내고, 드라이아이스는 냉각제로 사용됩니다. 

• 산업 분야: 용접, 절단, 화학 물질 합성 등에 사용되며, 특히 용접 시 불활성 기체 역할을 합니다. 

• 농업: 온실 내 작물 성장을 촉진하는 데 사용됩니다. 

• 의료 분야: 마취제, 냉동요법 등에 사용됩니다. 

• 기타: 소화기, pH 중화, 폐수 처리 등에도 활용됩니다. 

이처럼 이산화탄소는 다양한 형태와 용도로 산업 및 생활에 필요한 중요한 물질입니다. 

• 무색, 무취: 산소는 색깔과 냄새가 없습니다. 

• 연소 촉진: 산소는 다른 물질이 타는 것을 돕는 성질이 있습니다. 

• 액체 상태의 색: 액체 상태의 산소는 연한 푸른색을 띕니다. 

• 상자기성: 산소는 기체와 액체 상태 모두에서 자석에 끌려오는 상자기성을 가지고 있습니다. 

• 생명 유지: 산소는 생명체에게 필수적인 기체입니다. 

• 금속 부식: 산소는 금속을 녹슬게 하는 성질이 있습니다. 

• 다른 물질과 반응: 산소는 많은 물질과 반응하여 산화 반응을 일으킵니다. 

산소의 활용:

• 의료: 산소 호흡기, 산소 마스크 등 의료 용도로 사용됩니다.

• 소방: 산소통, 산소 캔 등을 사용합니다.

• 잠수: 잠수용 장비에 산소를 이용합니다.

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다른곳등에도사용합니다 또 헬륨은

원소로 다른 원소와 거의 결합하지 않고

화합물로 존재하지 않는 단원자 분자입니다

지구상에 존재하는 가장 가벼운 원소로 무색.무미.무취의 기체다

우주에서 가장많은원소로 태양이 핵융합을 할때 수소와 헬륨으로 된다

용접 부분이 나와서 덧붙이자면 조선업에서는 특별히 주의해야할 기체로 아르곤을 강조한다. 배관 용접을 할 때는 아르곤을 일일이 불기가 힘들어 아르곤가스를 아예 배관 안에 가득 채워넣고 용접을 하게 되는데, 용접이 끝난 후 배관 안쪽을 점검할 때 부주의로 인해 배관 안쪽에 고여있는 고농도의 아르곤가스를 대량 흡입해서 순식간에 질식사를 할 수 있기 때문이다.[3] 특히 인체는 아르곤을 감지할 수 없기 때문에 질식한다는 느낌조차 받지 못 하다가 바로 저산소증에 의해 정신을 잃게 되기 때문에 더더욱 위험하다.

제강에서는 녹은 강철을 교반하기 위해 불어넣기도 하며, 스테인레스 스틸 생산에서 크롬의 산화손실을 줄이기 위해 사용(AOD법)한다. 그 외에도 전구 혹은 형광등에 넣는 충전기체 등[4], 물질이 공기와 반응을 해서는 안 되는 경우에 보호용으로 사용된다. 다른 비활성기체는 아르곤보다 비싸고, 반응성도 비교적 낮고 더 싼 질소는 고온에서는 반응성이 나쁘지 않아 고온 환경에서의 보호용으로는 쓸 수 없다. 칼륨의 동위원소 중 일부(칼륨-40)가 방사성 동위원소라, 꾸준히 붕괴되며 아르곤으로 변하기 때문에 암석 등의 연대 측정에도 사용된다.

상술했든 비활성기체들 중에서 가장 저렴해서 유기화학 실험에서 환류용으로 매우 애용되는 기체이다. 질소도 자주 사용되지만 확실하게 화학 반응을 보호하려 할 때는 아르곤을 쓴다. 예를 들면 팔라듐의 뛰어난 산화촉매의 성질을 이용한 palladium-coupling을 이용한 실험에서는 팔라듐을 최대한 아끼기 위해 아르곤 기체로 팔라듐을 포함한 반응물들을 보호해서 반응을 이끌어낸다. 사실 많은 유기화학 실험들중에 특히 산소가 반응을 방해하는 일이 많아서 웬만한 반응들, 특히 위에서 상술한 팔라듐이나 아연을 이용한 C-C 결합에 자주 쓰이는 coupling 반응에서는 아르곤으로 반응물들을 환류로써 보호하여 산소가 끼어들 틈을 주지 않도록 한다.

반도체 제조에도 많이 쓰이는데 스퍼터링 등 진공관련 공정에서 잔류공기 나 진공용기 벽에 부착된 산소 질소 등 반응성 성분을 몰아내기 위해 반응성이 없는 아르곤 기체를 주입하고 가열해 빼내서 잔류성분을 줄여 진공도를 높이기고 하고 또 포토 리소그래피 공정에 불화아르곤 ArF 기체 레이저를 광원으로 쓰는데 장시간 쓰다 보면 불화아르곤 기체가 오염되어 레이저 광의 질이 떨어지므로 기체 자체를 자주 교체 공급해 주어야한다. 예전에는 1회성으로 소모하고 버렸지만 공급이 달리자 이를 정화해 재활용 하는 경우도 늘고 있다.

의외로 미사일에도 종종 쓰인다. 주로 냉각가스로. 이를테면 적외선 탐색기의 경우 탐색기 자체의 온도가 낮을수록 적외선 탐지성능이 좋아지는데, 이를 위해 압축 아르곤을 가지고 있다가 필요할 때 작은 노즐로 고속으로 분사한다. 그러면 순간적으로 아르곤의 압력이 확 떨어지면서 온도 역시 떨어져 급속 냉각이 가능. 이 방식을 사용하는 대표적인 미사일로는 AIM-9 사이드와인더가 있다. 물론 다른 가스로도 할 수 있지만 비활성기체이니 안전하고, 산화걱정도 없다. 펠티어 소자가 초기에 사용된 적도 있었고, 미국 해군에서는 초기에는 질소를 쓰기도 하였다.

5. 여담[편집]

주기율표에는 원자량 순서와 원자 번호 순서가 일치하지 않는 원소쌍이 단 세 개뿐인데, 아르곤과 칼륨이 이 중 하나이다. 나머지 두 쌍은 코발트와 니켈, 아이오딘과 텔루륨이다. 이는 원자량을 정할 때 지구에서의 동위원소 비율을 기준으로 하는데, 지구에서 흔한 아르곤-40이 비슷한 질량의 핵종들 중 중성자가 많은 축에 들기 때문이다. 우주적으로 보면 전체 아르곤의 거의 전부가 아르곤-36이기 때문에 칼륨과의 순서가 뒤집히지 않는다.

자전거 브랜드 중 이 원소의 이름을 딴 ARGON18 이라는 브랜드가 있다.

[1] 참고로 네온과 크립톤, 제논 역시 이 인물이 발견했다. 혼자 18족 원소를 거의 다 섭렵한 위대한 과학자다.[2] 공기중의 약 0.9% 정도가 아르곤으로, 대기중에서 질소와 산소 다음으로 흔한 기체이다.[3] 종종 이런 사고가 발생했을 때 언론에서 '아르곤 중독'이라는 표현을 사용하는 경우가 있는데, 아르곤 가스가 화학적인 독성을 가지는 것은 아니기 때문에 독성 물질에 의한 신체의 손상이나 이상 반응을 의미하는 '중독'이라는 말은 엄밀히 말하면 틀린 표현이다. 고농도 아르곤가스를 마시면 생명이 위험한 이유는 인간이 아르곤으로는 호흡을 할 수 없어 질식하기 때문이다. 다시 말하자면 다량의 아르곤이 호흡에 필요한 산소를 막는다는 것이다.[4] 필라멘트는 비교적 텅스텐 필라멘트로 쓰는데, 텅스텐은 공기와 만나면 필라멘트의 수명이 급격히 줄어들기에 아르곤을 충전기체로 쓰는 것이다.

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아르곤(동음이의어)

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네온은 주로 네온사인, 레이저, 광학 디스크, 냉각제 등 다양한 분야에서 사용됩니다. 특히 네온은 밝은 주홍색 빛을 내는 네온 조명으로 유명하며, 헬륨과 혼합하여 헬륨-네온 레이저를 만들기도 합니다. 또한, 네온은 레이저 포인터, 바코드 스캐너, 의료용 레이저, 광디스크 등에도 사용됩니다. 

자세한 쓰임새:

• 네온사인:

  네온의 대표적인 용도로, 화려한 빛을 내는 네온 조명에 사용됩니다. 

• 레이저:

  헬륨-네온 레이저는 붉은색 빛을 내며 레이저 포인터, 바코드 스캐너, 의료용 레이저 등에 사용됩니다. 

• 광학 디스크:

  네온 레이저를 사용하여 광학 디스크를 읽는 데 사용됩니다. 

• 냉각제:

  낮은 끓는점을 이용하여 극저온 연구에서 냉각제로 사용됩니다. 

• 반도체 제조:

  전체 네온 수요의 70% 정도가 반도체 제조에 사용됩니다. 

• 엑시머 레이저:

  엑시머 레이저를 만들 때 아르곤, 플루오린과 함께 사용됩니다. 

• 광학 및 예술 작품:

  네온은 각종 전광판, 예술 작품, 건물의 장식 등에도 활용됩니다. 

아르곤

비금속 기체 원소로, 3주기 18족의 비활성 기체이다.

1894년에 스코틀랜드의 화학자 레일리와 램지에 의해 발견되었다. 이들은 공기중의 질소가 질소화합물에서 추출한 질소보다 약 1.5% 무겁다는 사실에 의문을 품고 연구를 한 끝에 아르곤을 발견했다고 한다.지구의 대기에서 질소, 산소에 이어 세 번째로 많은 비중을 차지하고 있다. 공기 중에는 0.93% 가량 들어있어서 비활성기체 가운데는 가장 흔하고 저렴한 편이다. 대기중 농도가 0.04%인 이산화탄소의 23배나 더 많이 들어 있다. 지구상에 아르곤이 풍부한 이유는 비교적 흔한 40K(칼륨-40)을 비롯한 몇몇 방사성 동위원소의 붕괴 산물이기 때문이다. 제법은 공기를 압축 냉각해서 분별증류로 액체 질소나 액체산소를 생산하면서 덤으로 아르곤을 생산한다. 사실 액화 아르곤은 액체질소와 마찬가지로 액체산소 생산의 부산물이다.

비활성 기체라고는 하지만, 극한 환경에서는 아르곤이 들어간 화합물이 생길 수 있다고 한다. 2000년, 아르곤 플루오로하이드리드(HArF)라는 화합물을 만드는데 성공했다. 다만 결합력이 매우 약해서 온도가 -256°C만 넘어가도 분해돼 버린다.

지구에서는 방사성 붕괴 산물인 아르곤-40이 전체 아르곤의 99.6%를 차지하지만, 우주 전체를 기준으로는 더 가벼운 아르곤-36의 비율이 압도적으로 높다.고온에서도 반응성이 거의 없고 비활성기체들 중에서는 가장 저렴하다는 점을 이용, 알루미늄이나 티타늄, 철과 같은 반응성이 큰 금속의 특수용접(TIG, MIG, GTAW법 등)에 사용된다. 이를 아르곤 용접이라고 하는데, 용접부위에 아르곤을 불어서 산소와 접촉하지 않게 하여 용접부위의 산화를 막는다.

산소는 단원자(중성원자) O와 상온에서 가장 안정한 동소체인 이원자 분자 O₂를 모두 뜻한다. 그래서 혼동을 피하기 위해 산소 원자와 산소 분자(기체 산소)로 구분하여 사용하기도 한다. 또는 O₂를 오존 등의 동소체와 구별하기 위해 '이산소'라 부르기도 한다(이때는 오존을 '삼산소'라고도 한다). 이것은 O₂ 기체가 O 원소로 이루어져 있다는 것이 먼저, 그것이 O 원자 2개로 이루어진 분자로 이루어졌다는 것이 나중에 알려졌기 때문이다. 액체 산소는 연푸른 빛을 띠며 자석에 끌려오는 상자성을 띤다.^[1] 표준 원자 모형색은 ‘빨간색(red)’.

산소는 음이온이 되고자 하는 원소 중 플루오린 다음으로 반응성이 크다. 철이 불에 타거나 물에 닿으면 녹스는 이유도 산소 때문이다.

2. 발견[편집]

영국인 조제프 프리스틀리(Joseph Priestley, 1733 ~ 1804, 1774년에 발견)^[2]와 스웨덴인 칼 빌헬름 셸레(1773년에 발견)^[3] 두 사람이 발견했다.

셸레는 자신이 발견한 새로운 원소의 이름에 '불의 공기'란 이름을 붙였다. 산소의 가장 유명한 특징 중 하나인 불을 키우는 효과에 의한 것이었다. 사실 발견 시기만을 따지면 셸레가 가장 먼저 발견한 것이 확실하다. 그러나 실험 결과를 출판해야 할 스웨덴의 출판사가 무려 1년 반씩이나 늑장을 부리는 사이, 영국에서 프리스틀리가 독자적인 연구 결과를 먼저 발표해버렸다. 이 때문에 셸레는 단독 발견이 아니라 프리스틀리와 공동 발견자로 인정받게 된다. 그나마도 출판사 사장이 발견 시기를 보증해주지 않았다면 인정을 못 받을 뻔했을 수도 있었다.

위 주석에도 기재되어 있듯 셸레는 산소 외에도 '셸레 그린' 과 같은 많은 원소의 발견 및 연구성과를 이루었지만, 본인의 교육 수준이 부족하여 자신이 발견한 성과를 학술적으로 설명하지 못하는 경우가 많았다. 그는 가난한 집안의 11번째 자녀로 태어났고, 어릴 때부터 약방 보조로 일하면서 체계적 교육을 못 받은 채 일하는 틈틈이 자신의 연구를 계속했다. 그런 와중에도 산소를 발견하는 등 위대한 업적을 이루었고 종국에는 역사적인 화학자로 이름을 남기게 된다. 그러나 평소 약방에서 조제하거나 실험한 약품의 맛을 보는(!) 나쁜 버릇 때문에 말년에는 건강이 나빠져서 결국 43세에 목숨을 잃고 만다.

한편 프리스틀리는 플로지스톤설을 따랐기 때문에 자신이 발견한 새로운 공기를 플로지스톤이라고 생각했다. 프리스틀리는 자신이 발견한 새로운 공기를 앙투안 라부아지에에게 알렸고, 라부아지에의 계속된 실험을 통해 새로운 원소로 인정받아 1778년 '산소'라는 이름이 붙여졌다.

문제는 산(oxy)을 만든다(generate)고 해서 산소(oxy+gen)였는데, 일반적으로 산이라고 부르는 물질에 들어가 있는 것들은 수소이다. 즉 원래대로라면 수소와 산소를 반대로 부르는 것이 오히려 뜻에 맞다.^[4] 정작 산소는 알칼리성을 띠는 수산화 이온(OH^-)에 있으며, 금속 산화물이 산성 용액과 반응할 때 산화 이온이 브뢴스테드-로우리 정의에 의한 염기로서 작용하기도 한다.^[예시] 당시엔 분자식 같은 체계도 없었고 화학이 이제 막 정립됐을 시기라 몰랐지만. 그래도 명명당시의 라부아지에를 조금 변호해보자면, 원소를 산화시켜서 산소를 덕지덕지 붙인 것이 protonation 되면 산이 되기는 한다. 탄산, 질산, 인산, 황산, 염소산 등등의 구조를 생각해보자. 화학에서 '산화'라고 하는 것도 원래는 '산이 된다'는 뜻이었다. 물질이 산소와 결합하는 것을 산화된다고 하는 것이 바로 그런 이유에서다.^[6] 그러나 이 역시 당대 화학 지식이 부족했던 탓으로 현재는 화학에서 '산화'와 '산이 된다'의 의미가 맞지 않게 되었는데, 루이스 산염기 정의를 쓰면 어떻게 끼워맞출 수 있기는 하다.

네온은 헬륨(주로 천연가스에서 분리)을 제외한 다른 비활성 기체와 마찬가지로 공기에서 분리한다. 네온 전구, 네온 방전관, 네온사인 등에서 붉은 빛을 내는데 사용되며, 헬륨(He)과 함께 He-Ne 레이저를 만드는데 이용된다. 끓는점이 낮고 냉동 효과가 좋아 저온 냉매로 사용하기도 한다.

[네이버 지식백과]

자세한 사용 예:

식품 및 음료:탄산음료, 맥주, 와인 등 탄산 생성에 사용. 

음료의 맛과 품질 유지, 박테리아 및 곰팡이 성장 억제에 사용. 

드라이아이스는 식품 보관 및 배송에 사용. 

공업:금속 열처리, 용접, 절단 등 공업 분야에 사용. 

자동차, 선박, 철도차량 등 다양한 산업 분야에서 용접에 사용. 

반도체 제조 에칭 공정에 사용. 

의료:

마취제, 흡입용 가스, 냉동요법 등에 사용. 

농업:

식물의 광합성을 돕고 성장 촉진에 사용. 

주기율표 제18족에 속하는, 대기 중 그리고 우주에 5번째로 많은 원소로 무색무취의 기체이다. 헬륨과 마찬가지로 옥텟규칙을 만족하고, 최외각 전자에 모든 전자가 꽉 들어차 있기 때문에 거의 화학 반응을 하지 않고, 매우 안정된 원소이다.^[1]

2. 상세[편집]

1898년, 램지와 트래버스는 액체 아르곤을 액체 공기로 둘러싸서 감압한 후 천천히 기화시켜서 나오는 기체를 모으는 실험을 행했다. 이 기체를 조사하자 선명한 붉은 빛이 나타났다. 이 기체에 대해 램지의 아들은 라틴어로 '새롭다(novus)'를 의미하는 이름 노븀(novum)을 제안했지만 램지는 뜻은 같지만 라틴어 대신 그리스어로 '새롭다(neos)'로부터 유래한 네온이라는 이름을 붙였다.

다만 1893년 니콜라 테슬라가 시카고 세계박람회에서 선보인 것이 최초라는 설도 있다.

네온이라 하면 밤거리를 수놓는 네온사인으로 유명하다. 네온을 봉입한 유리관의 양극을 잇고, 방전하면 빛나는 원리를 이용한 것이 네온사인이다. 네온사인은 1910년 프랑스의 화학자 조르주 클로드에 의해 발명되어, 몇년 만에 전세계의 대도시에 보급되었다. 21세기에 들어서는 LED 등의 광원이 늘어나고 있지만 지금도 네온사인은 수명도 길고 보수가 간단하기 때문에 밤거리에는 빼놓을 수 없는 존재이다. 네온은 새빨간 빛을 발하기 때문에 빨강 이외의 네온사인에 봉입된 기체는 순수한 네온은 아니다. 예를 들면 헬륨은 노랑, 아르곤은 빨강~파랑, 수은은 청록색, 질소는 노란색을 발한다. 다른 비활성가스의 발광색은 헬륨은 연분홍색, 네온은 빨간색, 아르곤은 보라색, 크립톤은 탁한 백색, 제논은 청백색, 라돈은 어두운 빨간색(추정)을 낸다.

멀티탭이나 각종 전자제품의 전원 표시용으로 사용되는 네온 전구에도 사용된다. 아르곤과 같이 봉입되기 때문에 주황색을 낸다. 그러나 이쪽은 점차 LED로 대체되는 추세이다.

영어권 한정으로 '니언'이라는 발음이 더 정확하다. 니언사인

네온은 화합물이 없다는 것으로 흔히 알려져 있는데, 엄밀히 말하면 그렇지 않다. 반데르발스 분자인 LiNe, 리간드 형태인 NeNiCO 등이 그 대표적인 예시. 물론 극초고압, 극초고온과 같이 엄청나게 많은 에너지를 가해야 하지만, 네온 화합물을 만들 순 있다. 다만 중성 화합물로는 아직 만들어진 적이 없다.

전체 네온 수요의 70% 가량이 반도체 제조에 쓰이고 있다. 가격은 1기압 리터당 9달러 정도. 네온 레이저를 계속 사용하면 네온가스에 불순물이 섞여 레이저의 안정성이 떨어지므로 주기적으로 가스를 갈아주거나 보충해 주어야 한다. 이전에는 순도가 떨어진 네온가스는 버렸지만 최근 대규모 신설 팹에서는 이를 다시 순도를 높이는 시설로 재활용하고 있어서 네온 소모가 크게 줄고 있다.

주요 생산국은 우크라이나로 공급량의 60~70%를 차지하고 있다. 이는 구 소련 시기 소련에서 생산한 네온 물량의 대부분을 우크라이나에 보관했고 이러한 보관 인프라가 구축된 것을 우크라이나 독립 이후에도 꾸준히 활용했기 때문이다. 딱히 지하에서 캐내거나 기술이 어려운 건 아니지만 산업적 경쟁력을 갖추려면 다단계의 정제공정 등 대규모 생산공장이 필요하고 값싼 전력이 필요한데 우크라는 대규모 인프라가 구축되어 이미 그런 규모의 경제를 이루고 이익이 크지 않으므로 경쟁업체가 참여하기 어렵다.

그러나 2022년 러시아의 우크라이나 침공으로 수급이 매우 불안정해진 상황이다. 오데사에 공장이 있는 크라이온과 아이스블릭, 마리우폴에 위치한 인가스 같은 기업들이 위치한 도시가 러시아군의 공격을 받고 있어 생산 중단의 위기에 처해 있다. 그래서 네온이 필수적으로 사용되는 엑시머 방식의 DUV 레이저를 사용하는 반도체 관련 산업 현장이나 연구소, 대학원에는 비상이 걸려 있다.

3. 대한민국의 네온가스 현황[편집]

반도체 기업에서 주로 사용되며 레이저 수술, LCD, 광학 장비 등에도 네온가스를 이용한다.

전남 여수에 초대형 ASU(Air Separation Unit)플랜트를 건설하면서 네온 생산계획을 세운 디아이지에어가스(옛 대성산업가스)는 지난해 초 여천공장 내에 네온제조설비 건설에 착공, 2017년 12월 국내 최초로 완공하게 됐다. #

네온가스는 공기 중에서 추출하는 자원이기 때문에 설비만 갖추면 한국도 생산할 수 있는 자원이고 이미 포스코가 국산화에 성공했다. 그리고 한국 네온 가스 수입 비중은 중국산이 66%라서 오히려 팔라듐 같은 광물의 가격이 오르는 게 더 힘든 상황이다. 포스코와 국내 특수가스 전문 소재기업인 TEMC사가 최근 네온가스 국산화 설비·기술개발에 성공한 만큼 올해 2022년 하반기부터는 국산 네온가스를 파운드리 업체에 본격 공급할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

대한민국의 반도체 기업에 네온가스를 공급하는 업체로는 린데, 에어리퀴드, 에어프로덕츠 등 외국계와 원익머트리얼즈, TEMC, 솔머티리얼즈, 디아이지에어가스(옛 대성산업가스) 등 국내 기업이 포진해있다.

사람이뜬다

헬륨은 대표적으로 풍선을 띄울때 사용되고

헬륨-4(⁴He)와 헬륨-3(³He)의 두 가지 주요 동위원소로 구성 되어있다.

그리고 또, 식물은 광합성을 통해 이산화탄소를 흡수하고, 산소를 방출하는데, 이 때문에 지구의 생태계에서 중요한 역할을 하고 있어요.

프닉토겐 원소의 일종으로, 2주기 15족에 속하는 비금속원소. 상온에서 기체. 원자번호 7, 원소기호 N, 질소 분자의 화학식은 N₂. 표준 원자 모형색은 ‘파란색(blue)’. 영국의 의사이자 화학자인 대니얼 러더퍼드가 최초로 발견했다. 무색, 무미, 무취이다.

공기에 가장 많이 포함되어 있는 기체로, 일반적으로 건조한 공기에는 질소가 약 78% 정도 차지하고 그 다음으로는 산소가 약 21%를 차지한다. 그리고 나머지는 이산화 탄소, 아르곤 등 소량의 물질들이 공기에 섞여 있다.

지구의 대기에는 질소가 대부분인데, 어디에서 이 물질이 왔는지에 대해 아직 밝혀진 바는 없다. 이전에는 지레짐작으로 혜성에서 왔을 것으로 추측했으나 탐사선 로제타가 67P 혜성을 관측한 결과 혜성 내 질소의 양이 지구에 공급하기에는 전혀 충분하지 않은 것으로 밝혀졌다. 따라서 혜성이 공급한 게 아니라면 지구 내부에서 생성됐을 가능성이 높지만 아직 정확히 확인된 바는 없다. 가령 태양 대기의 구성성분을 따져봐도, 질소보다는 오히려 산소가 3배 이상, 탄소는 10배 이상 많다. 우주에서도 철보다도 적은 물질.

지구처럼 대기가 질소로 이루어진 행성은 태양계에서는 토성의 위성인 타이탄 뿐이다. 단 타이탄은 평균 온도가 -179도에 이를 정도로 추운 행성이고 인간에게 필수적인 산소가 없다. 반면에 화성은 대기가 이산화탄소로 이루어져 있지만 이산화탄소에서 산소를 추출할 수 있다. 따라서 대량의 질소를 지구에서 화성으로 가져가면 밀폐된 공간에 지구와 비슷한 대기 환경을 만들 수 있다.

사실 산소는 여러 원소와 반응해서 끊임없이 사라지나 질소는 안정되어 계속 남아있기 때문에 전체 지구 원소비율을 살펴봤을때 산소가 훨씬 많더라도 기체에는 질소가 더 많을 수 있다. 당장 광합성이 없으면 지구상의 산소는 여러 산화반응을 통해 이산화 탄소로 변하거나 암권으로 흡수되고 말 것이다. 대부분의 암석은 산소를 포함하고 있으며, 산소는 지각에서 가장 많은 원소이다.

2. 특징

질소 분자의 N≡N 결합의 에너지는 942 kJ/mol로, 두 원자 간 결합 에너지로는 최상급. 그만큼 안정한 결합이기 때문에 상온에서는 반응성이 작아 거의 어떠한 물질과도 반응하지 않지만, 자동차 실린더 같은 고온 고압 조건에서는 산소와 반응하여 온갖 비율의 질소 산화물들을 만든다. 번개에 의한 질소 고정을 통해 안정한 질소가 질소화합물이 되기도 하며, 뿌리혹박테리아에 의한 질소고정도 존재한다.

이렇게 높은 에너지를 공급받아 화합물이 된 질소는 높은 에너지를 품게 되며, 이 중 일부는 폭발성을 띠기도 한다.질산칼륨, 질산 암모늄, TNT, 니트로글리세린, 니트로셀룰로오스 등 내로라하는 폭발물은 질소 화합물인 것이 많다.

2.1. 위험성

일정 농도 이하의 질소는 인체에 무해하며, 불연성이므로 화재 위험이 없다.

질소는 반응성이 낮고 생물의 호흡에 사용되며, 고농도의 질소 가스가 유입되어도 사람의 감각기관은 이를 직접 인지할 수 없다. 대신 혈중 산소 농도의 감소를 감지하여 간접적으로 인지하게 되는데, 인간은 산소 부족을 일반적인 이산화탄소의 과잉으로 인한 숨막힘보다 약하게 느끼고, 그것도 산소 분압이 많이 낮아진 상황에 들어서야 비로소 감지하기 때문에 고농도의 질소가 가득한 공간에서는 산소 부족의 이상을 느끼기도 전에 줄줄이 실신하는 것.이런 무취, 무색, 무미에 호흡까지 되는 기체라는 특성 때문에 질소는 우리에게 가장 친숙한 기체이면서도 가장 위험한 기체이다.

대기에 질소 성분이 너무 많을 경우, 산소부족증을 일으켜 질식사하게 된다. 1981년 3월 19일 NASA 우주왕복선 점검 중 격실에서 기술자 5명이 질식, 2명이 사망하는 사건이 있었고 광부들과 입자 가속기 근무자들도 이렇게 죽는 일이 많았다. 현장의 화재를 막기 위해 설비와 격방에 반응성이 낮은 기체인 질소를 채워넣은 것이 화근이었다.

지상의 공기를 그대로 압축해서 넣은 잠수부의 공기통은 최대 40m 아래로 잠수하지 않는 일반적인 취미 다이빙에는 큰 문제가 없으나 긴 시간동안, 또는 깊은 수심에서 잠수하는 잠수부에게는 질소마취효과를 일으킨다. 또한 깊은 수심에 있던 잠수부가 급격하게 수면으로 빨리 떠오르면 강한 수압에 의해 심혈관계에 과포화되어 있던 질소의 용해도가 급격히 감소하여 형성된 기포가혈액순환을 막아 각종 문제를 일으킨다. 그래서 산업용 또는 취미용이라도 장시간 다이빙을 하는 경우 공기에 질소 대신 헬륨을 첨가제로 넣은 공기통을 사용한다. 공기통에 산소만 가득하면 좋을 것도 같지만, 우리가 평소 숨쉬는 대기 중의 산소 농도도 질소에 비한다면 마이너한 수준이고, 애초에 산소는 독성이 있기 때문에 순수 100% 산소만으로 호흡하면 오히려 산소 중독으로 사망할 수 있다. 괜히 산화제가 소독약으로 쓰이는 게 아니다. 지구의 자연사에서 산소 농도의 증가는 대멸종의 원인이 되기도 했다.

미국에서는 오클라호마나 앨라배마 등 일부 주에서 질소가스 주입을 통한 사형집행이 추진 또는 검토중이며, 2024년 앨라배마에서 처음으로 질소 사형이 집행되었다.# # 의료업계에서 사형집행용 약물이 점차 비싸지고 인도적인 이유로 공급을 꺼리면서 질소가스 사형이 추진된 것이다. 유명 안락사 찬성론자인 필립 니츠케가 개발했다가 BBC의 오보로 실제로 사용된다고 말이 많았던 조력 자살 캡슐이 이 질소 가스를 이용한 안락사인데, 니츠케는 조력 자살 캡슐은 인체가 질소에 대한 거부반응이 없다는 이유로 편안하게 죽을 수 있다고 주장했으나 정작 질소 사형 집행시에는 죄인이 질소가스를 주입받으며 몸부림 치는 것이 관찰되면서 고통이 동반하는거 아니냐는 우려와 더불어 안락사 캡슐이 효과가 있겠냐는 반응도 생기기 시작했다

1. 네온사인: 네온의 대표적인 용도로, 독특한 빛을 내는 네온관을 통해 광고, 장식 등에 활용됩니다. 

2. 레이저: 헬륨-네온 레이저는 붉은 빛을 내는 레이저 포인터, 의료용, 광학 디스크 판독 등에 사용됩니다. 

3. 냉각제: 낮은 끓는점을 가진 액체 네온은 극저온 연구, 냉각 등에 사용됩니다. 

4. 광디스크: 광학 디스크를 읽는 데 사용되는 레이저에 네온이 활용됩니다. 

5. 반도체 제조: 고순도 네온 가스 혼합물은 반도체 소자 제조 시 포토리소그래피용 레이저에 사용됩니다. 

6. 기타: 네온은 진공관, 고전압 표시기, 피뢰기, 텔레비전용 진공관 등에도 활용됩니다. 

산소는 생명 유지에 필수적인 물질로, 호흡, 연소, 산화 등 다양한 분야에서 사용됩니다. 또한, 금속 가공, 의료, 환경 등 다양한 산업 및 생활 분야에서도 중요한 역할을 합니다. 

산소의 다양한 용도:

• 호흡:

  인간을 포함한 대부분의 생물은 산소를 호흡하여 에너지를 생성하고 생명 활동을 유지합니다. 

• 연소:

  산소는 연소에 필수적인 요소로, 다양한 물질이 타는 것을 도와줍니다. 

• 산화:

  산소는 다른 물질과 결합하여 산화 반응을 일으키며, 이것은 유기 물질 제조, 제철, 금속 제련 등 다양한 산업에서 활용됩니다. 

• 의료:

  의료용 산소 호흡기, 휴대용 산소통 등 산소는 생명을 유지하고 치료 효과를 높이는 데 사용됩니다. 

• 산업:

  산소는 금속 절단, 용접, 금속 가공 등 다양한 산업 분야에서 중요한 역할을 합니다. 

• 환경:

  산소는 폐수 처리, 양식 등 환경 분야에서도 사용됩니다. 

산소는 무색, 무취의 기체로, 생명 유지에 없어서는 안 될 중요한 물질입니다. 

이산화탄소의 주요 특징은 이산화탄소는 상대적으로 화학적 반응성이 낮고, 다른 물질과 쉽게 결합하지 않는 성질을 가지고 있습니다.

지구 대기 중 이산화탄소의 농도는 약 0.04%이며, 이는 자연적 순환 과정의 일부입니다.

이산화탄소는 주요 온실가스 중 하나로, 지구 온난화에 중요한 역할을 합니다. 인간 활동으로 인해 대기 중 이산화탄소 농도가 증가하면서 기후 변화 문제가 커지고 있습니다.

이산화탄소는 다양한 산업에서 중요한 역할을 합니다.

이산화탄소는 탄산음료에 탄산을 주입하는 데 사용됩니다. 이 기체가 음료 속에 용해되어, 음료를 마실 때 특유의 탄산감을 줍니다.

이산화탄소는 다양한 화학 공정에서 중요한 원료로 사용됩니다. 예를 들어, 탄산염 화합물 제조, 합성 화학물질 생산에 쓰입니다.

이산화탄소는 식품을 냉각하고 보존하는 데 사용되기도 합니다. 드라이 아이스 형태로 식품의 신선도를 유지하며, 물류와 운송에 중요한 역할을 합니다.

이산화탄소는 금속 용접에서 보호가스로 사용되며, 열전도율을 조절하여 용접 품질을 높이는 데 기여합니다.

의료 분야에서도 이산화탄소는 중요한 역할을 합니다. 예를 들어, 내시경 수술 시 이산화탄소를 사용해 수술 부위를 확장하고, 가스가 체내에 미치는 영향이 적어 안전하게 사용됩니다.

이산화탄소는 자연적이고 산업적으로 중요한 역할을 하는 기체입니다. 하지만 그 사용과 배출에 있어 신중해야하며, 이를 적절히 관리하는 것이 우리 지구 환경을 보호하는 데 큰 도움이 될 것입니다.

네온의 특징:

무색, 무취, 무미:

표준 조건에서 무색, 무취의 기체로, 맛도 느끼지 못합니다. 

불활성 기체:

다른 원소와 쉽게 반응하지 않아 안정적인 특성을 가집니다. 

적색 방출:

전기 방전 시 밝은 적색 빛을 내는 특징이 있어 네온사인으로 활용됩니다. 

미량 존재:

지구 대기 중에 미량 존재하며, 공기보다 가벼운 기체입니다. 

저렴하고 쉽게 구할 수 있는 희유기체:

다른 희유기체에 비해 비교적 쉽게 구할 수 있고, 가격도 저렴해서 널리 사용됩니다. 

냉각 용량:

액체 상태일 때 액체 헬륨보다 40배 이상 높은 냉각 용량을 가지고 있습니다. 

전자 껍질:

전자 배열은 1s2 2s2 2p6이며, 전자 껍질은 2, 8로 구성됩니다. 

문제는 산(oxy)을 만든다(generate)고 해서 산소(oxy+gen)였는데, 일반적으로 산이라고 부르는 물질에 들어가 있는 것들은 수소이다. 즉 원래대로라면 수소와 산소를 반대로 부르는 것이 오히려 뜻에 맞다.^[4] 정작 산소는 알칼리성을 띠는 수산화 이온(OH-)에 있으며, 금속 산화물이 산성 용액과 반응할 때 산화 이온이 브뢴스테드-로우리 정의에 의한 염기로서 작용하기도 한다.^[예시] 당시엔 분자식 같은 체계도 없었고 화학이 이제 막 정립됐을 시기라 몰랐지만. 그래도 명명당시의 라부아지에를 조금 변호해보자면, 원소를 산화시켜서 산소를 덕지덕지 붙인 것이 protonation 되면 산이 되기는 한다. 탄산, 질산, 인산, 황산, 염소산 등등의 구조를 생각해보자. 화학에서 '산화'라고 하는 것도 원래는 '산이 된다'는 뜻이었다. 물질이 산소와 결합하는 것을 산화된다고 하는 것이 바로 그런 이유에서다.^[6] 그러나 이 역시 당대 화학 지식이 부족했던 탓으로 현재는 화학에서 '산화'와 '산이 된다'의 의미가 맞지 않게 되었는데, 루이스 산염기 정의를 쓰면 어떻게 끼워맞출 수 있기는 하다.

3. 생성[편집]

산소는 탄소 핵융합에 의해 생기고, 드물게 헬륨 핵융합에 의해 생기는 경우도 있다. 핵융합 문서에서 나오는 산소가 바로 이것이다. 지구에도 산소가 많지만, 태양에도 목성 질량 8개 분량의 산소가 있으며, 심지어 소행성에도 산소가 있다. 태양계 역시 무거운 별이 수명을 다한 뒤 생성된 것이며, 미래 태양도 이 과정을 거칠 것이다.

보통 산소는 상온에서는 기체 상태이지만 별의 경우에는 어마어마한 온도와 압력이 존재하기 때문에 엄청난 밀도와 함께 플라즈마 상태로 존재하게 된다. 이 상태에서는 온도가 낮아지더라도 탄소-산소 또는 산소-네온-마그네슘 백색왜성 등의 잔해로 남게 되므로 사라지지 않게 된다.

흔히 광합성의 과정을 탄소를 산소로 바꿔준다는 개념으로 이해하는데, 진짜 탄소가 아닌 '이산화 탄소'를 광합성한 뒤 '산소'라는 부산물을 내뱉는 것이며, 이렇게 생성된 산소는 밤이 되면 동물의 호흡처럼 산소를 빨아들이고 이산화 탄소를 내뱉으므로 서로 상쇄되는 개념에 가깝지만, 산소를 내뱉는 양이 이산화 탄소를 내뱉는 양보단 조금 많다. 실제로 산소의 생성은 광합성 뿐만이 아니라 다른 원인에 의해서 생성되는 경우도 많으므로 광합성 = 산소 농도를 높여준다는 공식이 반드시 성립되는 것은 아니다.

4. 특징[편집]

건조 공기 중 78%가량 포함된 질소에 이어 2번째로 많은 21% 가량 포함되어 있다. 산소가 너무 적거나 너무 많으면 치명적인 문제를 일으키므로 항상 적당한 양이 적절하게 분배된 상태여야 이로운 물질이다. 지구 지각에서는 46.4%로 가장 흔하며, 지구 전체에서는 30%로 철에 이어 2번째이다.

화학적으로는 매우 흥미로운 성질을 가진다. O=O 결합 에너지는 494 kJ/mol로 작은 편이 아니지만, 결합 에너지에 비해 미칠 듯한 반응성의 원인은, 원자오비탈 선형조합(LCAO)에 따른 분자오비탈의 상관도표를 그리고 아래부터 전자를 채워보면 알 수 있다. 쌓음 원리, 파울리 배타 원리, 훈트 규칙에 의거해 전자를 채워넣다 보면, 2개의 π-반결합 오비탈에 홑전자 하나씩이 들어가 있는 상태가 바닥 상태가 된다. 즉 산소 분자는 바닥 상태가 다이라디칼(DiRadical)이기에 반응성이 높은 편이다. 그리고 당연하게도, 산소 분자가 높은 반응성을 보여주는 만큼, 대부분의 산화물(oxide)에서 산소를 제거하여 환원시키는 것은 극히 어렵다.

높은 반응성으로 인해 자연상에 존재하는 거의 모든 물질이 산화물 형태로 존재하게 만들었다. 산업에 가장 많이 쓰이는 철 부터 시작해서 반도체의 주 재료인 실리콘에 이르기까지 자연상에서는 산화물로 존재하기 때문에 인류 산업의 역사는 이놈을 어떻게 환원시켜서 순수한 재료를 뽑아내나의 싸움과 다를 바가 없었다. 실제로 인류가 주로 사용한 재료를 보면 환원하기 쉬운 순서이기도 하고.^[7] 그 좋은 알루미늄을 비교적 최근까지 널리 사용하지 못한 이유도 그놈의 산소가 알루미늄을 너무 좋아해서 무슨 방법을 사용해도 환원시키기 힘들었다가, 전기제련법이 발견되고 나서야 사용되었다. 이처럼 산소는 한번 반응하면 더럽게 떼어내기가 힘들다.

네온(Neon)이라는 이름은 새롭다는 뜻이고 네온의 가장 큰 용도는 밝은 주홍빛을 내는 네온 조명이다. 이에는 두 가지 유형이 있는데, 하나는 보통 네온램프(neon glow lamp)라 부르는 것이고, 다른 하나는 대표되는 네온 방전관(neon discharge tube)이다. 네온램프는 네온 기체가 조금 들어있는 유리 전구에 2개의 전극을 2~3mm 간격으로 두고 방전시켜 음극에서 밝은 붉은색의 빛을 내게 만든 장치이다. 네온램프는 소형으로 제작 가능하며, 가정용 전압으로 작동되고 소모 전력이 적어 전자 기기의 표시기, 야간 실내등으로 사용되며, 전압 조절기, 고전압 보호기로도 이용된다. 또한 네온램프에서 나오는 빛의 스펙트럼(가장 강한 것이 585.249nm)은 광학 장치의 파장 보정에도 사용된다. 네온 방전관은 긴 (또는 굽어진) 유리관에 네온 기체를 조금 넣고 관의 양 끝에 전극을 두고 높은 전압으로 방전하여 빛을 내게 만든 장치로, 광고판 등에 이용되었다. 네온은 조명 이외에 피뢰기, 브라운관, 검전기 등을 만드는데도 사용되어 왔다.

네온램프는 네온 기체가 조금 들어있는 유리 전구에 2개의 전극을 2~3mm 간격으로 두고 방전시켜 음극에서 밝은 붉은색의 빛을 낸다. 네온 방전관은 긴유리관에 네온 기체를 조금 넣고 관의 양 끝에 전극을 두고 높은 전압으로 방전하여 빛을 내게 만든 장치로, 광고판 등에 이용되었다.

네온은 무색, 무취의 불활성 기체로, 표준 조건에서 단원자 상태로 존재하며 밀도는 공기의 약 2/3입니다. 네온은 다른 물질과 쉽게 반응하지 않아 안정적인 특성을 가지고 있습니다.

쓰임으로는네온은 네온사인, 레이저, 냉각제 등 다양한 분야에서 사용됩니다. 특히 네온은 헬륨과 혼합되어 붉은 빛을 내는 헬륨-네온 레이저의 주요 구성 요소로 사용됩니다. 또한 극저온 연구에서 냉각제로 활용되기도 합니다. 

헬륨의 주요 성질:

비활성 기체:

다른 원소들과 반응하지 않아 안전하며, 풍선이나 비행선을 띄우는 데 사용됩니다. 

가벼움:

수소 다음으로 가벼운 원소로, 풍선이나 비행선을 띄우는 데 사용됩니다. 

낮은 끓는점:

끓는점이 매우 낮아 (-268.9°C) 액체로 존재하며, 우주선에 사용됩니다. 

무색, 무취, 무미:

눈으로 보이지 않고 냄새나 맛이 없어 안전합니다. 

단원자 기체:

한 개의 원자로 구성된 기체입니다. 

다른 원소와 반응하지 않음:

다른 원소들과 반응하지 않아 안전하고, 잠수병 예방에도 사용됩니다. 

밀도:

공기보다 밀도가 낮아 소리의 속도를 변화시키는 데 사용됩니다. 

영점 에너지:

헬륨은 절대영도에서도 액체 상태로 존재할 수 있는 유일한 원소입니다. 

고체 상태:

액체 헬륨의 동위원소는 특정 온도와 압력에서 고체로 존재할 수 있습니다. 

질소는 생명체에서 단백질, 알칼로이드 등의 구성 원소로서 필수적인 성분이다.

하지만 질소는 과자봉지에 과자는 조금 넣고 질소로 가득 채워 사기치는 사례들도 있다.

헬륨의 주요 성질:

• 비활성:

  헬륨은 다른 원소들과 반응성이 거의 없어, 헬륨 가스를 불꽃이나 산소와 혼합하여도 폭발하지 않습니다. 

• 가벼움:

  헬륨은 수소 다음으로 가벼운 원소로, 풍선이나 비행선, 기구 등을 띄우는 데 사용됩니다. 

• 낮은 끓는점:

  헬륨은 끓는점이 가장 낮고, 상압에서는 절대 영도에서도 액체로 존재할 수 있는 유일한 원소입니다. 

• 무색, 무취, 무미:

  헬륨은 눈에 보이지 않고, 냄새도 맛도 없습니다. 

• 높은 열전도율:

  헬륨은 열을 잘 전달하여, 냉각제나 극저온 냉각에 활용됩니다. 

• 초유동성:

  액체 상태의 헬륨은 특정 온도에서 극도로 유동성이 높아, 초전도 현상을 나타냅니다. 

• 자연에서의 발생:

  헬륨은 지구 내부의 방사성 붕괴 과정에서 생성되며, 지하 깊숙한 곳이나 천연가스 매장 등에 함유되어 있습니다. 

헬륨은 산화흔적이 남으면 안 되는 용접을 할 때 산소의 접근을 막기 위한 용도로 헬륨 환경을 조성한다. 반도체 등의 제작을 위해 플라즈마를 생성시킬 때 플라즈마의 균일한 정착을 위해 헬륨을 적정량 사용한다.

또한 목소리 변조에 사용되기도 하는데, 헬륨 가스에서는 공기 중에 비해 약 3배정도 전송 속도가 빠르기 때문에 약 10~20초정도 목소리의 음이 높아지는 현상이 발생한다. 단 많은 양을 마실 경우 질식할 수도 있으므로 주의해야 한다.

또 헬륨은 트리믹스에 사용되는데, 트리믹스는 압축 공기에서 질소의 비율을 줄이고 그만큼을 헬륨으로 채운 것이다. 헬륨은 용해도가 매우 낮기 때문에 압축 공기를 사용했을 때(30~40m)보다 더욱 깊이 잠수할 수 있다. 그러나 70m~80m 정도까지 내려가면 헬륨이 용해되어 헬륨 마취 현상이 일어난다.

물에 녹아 약한 산성을 띠는 탄산을 생성한다. 1atm의 이산화 탄소에 수용액이 접해있을 경우의 pH는 3.7이다.고압의 조건에서 포화 수용액을 냉각하면 수화물 CO2·8 H2O가 생성된다.고온에서는 가역적으로 일산화 탄소와 산소로 분리된다.수소와 가역적으로 반응하여 일산화 탄소와 물을 생성한다. 적당한 조건과 촉매를 갖추고 있을 경우 메테인, 폼산, 메탄올을 생성하는 경우도 있다.알칼리 금속이나 알칼리 토금속과 반응하면 환원되어 탄소와 포름산염을 생성할 수 있다. 아연, 철과 같은 다른 금속과도 반응하여 일산화 탄소를 생성하는 경우가 많다.황화 수소와 함께 가열된 금속관을 통과하면 일산화 탄소와 황을 생성한다. 사염화 탄소와 통과할 경우 포스젠을 생성한다.

감각적 특성이 부족하기 때문에 

정확한 측정과 통제된 환경을 위해 불순물이 없어야 하는 실험실 및 산업과 같이 실용적인 응용 분야가 있습니다.

4 ) 높은 열전도율 :

헬륨은 열을 전도하는 능력인 매우 높은 열전도율을 나타냅니다.

 이러한 특성으로 인해 헬륨은 효율적인 열 전달이 중요한 응용 분야에서 귀중한 냉각수로 사용됩니다.

 이는 의료용 자기공명영상(MRI) 기계 및 입자 가속기의 초전도 자석 냉각 및 극저온 시스템에 일반적으로 사용됩니헬륨은 원소주기율표 상에서 1주기 18족에 속하는 비활성 기체로 우주에서 수소 다음으로 많은 원소입니다. 

원소 기호는 He, 녹는점은 -272.20°C(2.5MPa), 끓는점은 -268.93°C, 밀도는 0.1786g/L이다.

 단원자 기체로 반응성이 거의 없어 비활성 기체라고도 하며 색깔과 냄새가 없고 공기 중에 매우 적은 양이 존재합니다.
여기서는 헬륨에 대해 더 자세히 설명해보겠습니다.

1. 헬륨의 특성 :

1 ) 비활성 기체 :

헬륨은 비활성기체의 첫 번째 원소로 다른 원소와 거의 결합하지 않고 화합물로 존재하지 않는 단원자 분자입니다.

2 ) 가벼움과 낮은 밀도 :

헬륨은 놀라운 가벼움과 낮은 밀도로 유명합니다. 수소 다음으로 가벼운 원소이며 공기보다 거의 7배 가볍습니다. 

이 속성은 헬륨이 풍선과 같은 물체에 포함되어 있을 때 물체를 들어올릴 수 있는 능력을 부여합니다.

 헬륨의 밀도가 낮기 때문에 비행선 팽창에서부터 과학 연구의 냉각 시스템에 이르기까지 다양한 응용 분야에 사용됩니다.

수소는 지구상에서 가장 가벼운 물질 이다.

수소의 원소기호는 H이다

수소는 눈으로 보거나 냄새를 맡아도 알 수 없는 무색, 무취, 무미의 기체이다.

또 수소는 연소성이 강한 기체입니다.

수소의 어는점은 -259.16°C (14.01 K)이고, 끓는점은 -252.87°C (20.28 K)입니다. 

수소는 산소와 결합하여 물을 형성하고, 다른 물질들과도 쉽게 반응합니다.  

수소는 단순 승용차뿐만 아니라 트럭, 선박, 버스, 기차, 드론, 비행기 등 모빌리티 전반에 사용 가능합니다. 풍력, 태양광 등의 남는 전기를 수소로 바꾸어서 대용량 장기간 저장 가능하고, 전기가 필요할 때 저장한 수소를 이용해서 발전이 가능합니다.

수소는 주기율표의 가장 첫 번째 화학 원소로, 원소 기호는 H, 원자 번호는 1이다. 표준 원자량은 1.008로, 질량 기준으로 우주의 75%를 구성하는 우주에서 가장 흔한 원소이기도 하다. 순물질은 실온에서 기체상태의 H₂로 존재하며, 1족 원소 중에서 유일한 비금속 원소이다.

수소의 밀도는 상태에 따라 다릅니다. 기체 상태에서는 0℃, 1atm에서 약 0.08988 g/L, 액체 상태에서는 -252.9℃, 1atm에서 약 0.07099 g/L입니다. 

헬륨은 무색, 무취, 무독성, 불활성 단원자 기체로, 주기율표의 비활성 가스 족의 첫 번째 원소입니다. 수소 다음으로 가벼운 원소이며, 공기보다 거의 7배 가볍습니다. 헬륨은 화학적으로 불활성이고, 상압 상태에서 절대영도에서도 액체로 존재할 수 있는 유일한 원소입니다. 또한, 헬륨은 끓는점이 가장 낮고, 고체화될 수 없는 특성을 가집니다. 

이러한 특징들 덕분에 헬륨은 다양한 분야에서 활용되고 있습니다. 대표적으로 풍선을 띄우는 데 사용되며, MRI와 같은 의료 영상 장비에 사용되고, 초전도체나 화학 실험 장비를 냉각시키는 데 사용됩니다. 또한, 헬륨은 심해 잠수 시 산소통에 섞여 사용되기도 합니다. 

[편집]

핵융합 발전 문서가 다루듯, 2020년대 시점까지는 중수소-삼중수소 반응이 주로 연구되나, 헬륨3을 이용한 핵융합 반응 또한 연구되고 있다.

헬륨3을 이용한 핵융합 발전 지지 측은 중성자 발생이 적어 방사능 폐기물 생성이 적다는 점을 주목한다. 기존 중수소-삼중수소 반응 대비 중수소-헬륨3 반응만 해도 중성자 발생이 급격히 적고, 헬륨3-헬륨3 반응은 경수소-붕소11 반응과 더불어 이론상 중성자가 안 나오는 반응으로 꼽힌다. 또한 중수소-헬륨3 반응과 헬륨3-헬륨3 반응은 경수소-붕소11 반응과 더불어, 하전입자인 반응생성물과 전자기파를 통해 전기를 얻는 직접 에너지 전환(Direct Energy Conversion)에 의한 직접발전이 가능하며 그 효율 또한 매우 높은 Aneutronic fusion으로 분류되기에 기존 중수소-삼중수소 반응 대비 발전 효율과 발전량이 지극히 높다는 이점도 있다.

헬륨3을 이용한 핵융합 발전 비판 측은 삼중수소나 헬륨3이나 둘 다 희소하고 비싸지만 헬륨3은 '정말 없어서' 비싼 반면, 삼중수소는 각국 중수로에 있지만 '정치, 안보적 이유로 금지되어' 비싸다고 지적한다. 또한 이미 중수소-삼중수소 반응이 기술적으로 더 쉬우며, 헬륨3 핵융합은 더 고온 고압이 필요해 경제성-에너지 효율성이 낮을 수 있다고 지적한다.

위와 같은 이유가 있다 보니 헬륨3을 이용한 핵융합 발전 대신, 그와 동일한 이점을 가지면서도 연료 수급이 훨씬 용이하고 지구에서도 비교적 저렴한 값으로 연료를 채굴할 수 있어 경제성이 높은 경수소와 붕소11를 이용한 핵융합 발전이 제3의 대안으로 제시되기도 하며 이쪽도 역시 실제로 연구되고 있다. 상기하였듯 경수소-붕소11 반응 역시 이론상 중성자가 안 나오는 반응이라 방사능 폐기물 생성이 적고, 직접 에너지 전환에 의한 직접발전이 가능하며 발전 효율과 발전량도 우수하기 때문이다.

물론 경수소와 붕소11을 이용한 핵융합 발전 역시 단점이 없지는 않은데, 우선 중수소-삼중수소 반응 대비 고온 고압이 필요해 기술적 난이도가 역시 높은 편이며, 저렴한 값으로 지구상에서 연료 수급을 할 수 있어 가성비가 높긴 하지만 중수소-헬륨3 반응이나 헬륨3-헬륨3 반응에 비해 에너지 발생량이 적기 때문에 발전 효율은 어떨 지 몰라도 발전량은 이론상 상대적으로 부족한 편이다. 그래도 중수소-삼중수소 반응보다는 에너지 발생량이 커서 이론상 그쪽보다는 높은 발전량을 발휘할 수 있긴 하고 발전 효율도 이론상 그쪽보다는 훨씬 높은 편이므로, 연료 수급의 원활함에 따라 결정되는 경제성과 에너지 발생량에 따라 결정되는 발전량 중 어느 쪽이 더 중요한가에 따라서 중수소-헬륨3 반응이나 헬륨3-헬륨3 반응에 의한 핵융합 발전과 경수소-붕소11 반응에 의한 핵융합 발전이 서로 용도와 목적을 달리 하여 양립하면서 병용될 가능성도 생각해볼 수 있다.

4.2.2. 부력 (비행선, 기구, 풍선)[편집]

특히 식품 포장에서 많이 사용되는데요 질소는 고기와 과자 샐러드 등 신선도가 중요한 음식에 산화 방지및 신선도를 위해 많이 사용됩니다

또한질소는 항공우주 분야에서도 활용됩니다 항공기질소를 타이어에 채워 압력을 유지시킵니다

산소의 용도:

• 연소:

  연소 반응에 필수적인 요소로, 다양한 분야에서 이용됩니다. 

• 금속 절단 및 용접:

  산소는 금속을 녹일 때 사용되며, 금속을 절단하거나 용접하는 데 사용됩니다. 

• 의료:

  응급 환자나 잠수부, 소방관 등이 사용하는 산소 호흡기에 사용됩니다. 

• 산업:

  다양한 산업 분야에서 연소, 산화, 발효 등에 이용됩니다. 

또 혈액에 대한 용해도가 낮아서 스쿠버 다이버를 위한 호흡장치에도 쓰인다.

뿐만 아니라 수소보다도 낮은 끓는점 때문에 우주여행에도 쓰이는데, 이는 헬륨이 수소가 액체인 온도에서도 기체로 존재할 수 있어 액체 수소 연료탱크의 압력을 조절하는 역할을 하기 때문이다.

스페이스X의 로켓 엔진에서 쓰이고 수소차의 연료로 사용된다 . 냉각제로도 쓰인다. 기름이나 신재생에너지 만드는데도 사용된다. 인조 보석도 만들 수 있다

무색, 무취, 무미: 질소는 기체 상태에서 눈에 보이지 않으며, 냄새나 맛도 없습니다.

불활성 기체: 질소는 매우 안정적인 기체로, 화학적으로 반응성이 낮아 다른 물질과 잘 결합하지 않습니다. 대기 중의 약 78%를 차지하지만, 다른 원소와의 결합이 어렵기 때문에 쉽게 반응하지 않습니다.

끓는점과 녹는점:

끓는점: -195.8°C

녹는점: -210°C

이는 질소가 매우 낮은 온도에서 액체 상태로 존재한다는 뜻입니다.

기체 상태에서 분자 구조: 질소 분자는 두 개의 질소 원자가 삼중결합으로 결합된 N₂ 형태로 존재합니다. 삼중결합 덕분에 질소 분자는 매우 강한 결합력을 가지고 있어 반응성이 낮습니다.

대기 중의 존재: 질소는 대기 중에서 가장 많은 기체로, 78%를 차지하고 있습니다. 주로 산소와 함께 공기 중에 존재합니다.

산화 반응: 질소는 고온에서 산소와 반응하여 산화질소(NOx)와 같은 화합물을 만들 수 있습니다. 이는 자동차 배기가스나 대기오염에 관련된 중요한 반응입니다.

용도:

산업적 활용: 액체 질소는 냉각제나 저장용액으로 사용됩니다.

농업: 질소는 비료로 사용되며, 식물의 성장을 돕는 중요한 원소입니다.

화학 합성: 여러 화합물, 예를 들어 암모니아(NH₃)나 질산(HNO₃) 등의 제조에 사용됩니다.

질소는 대체로 반응성이 낮고, 다양한 산업 분야에서 중요한 역할을 합니다.

헬륨을 먹으면 목소리의 음 높낮이가 달라져서 목소리가 도널드 것처럼 변한다

헬륨은 끓는점이 낮고 열 전도성이 높아 극저온 응용 분야에 이상적인 냉각수이다.

 초전도 장치, 자기공명영상(MRI) 기계, 저온 물리학 연구에 사용된다

헬륨헬리옥스라고 알려진 헬륨과 산소의 혼합물은 심해 다이빙에서 호흡 기체로 사용된다.

 고압에서 질소 마취의 영향을 줄인다.

1. 농업 및 화학 산업:

• 비료:

  질소는 식물 생장에 필요한 필수적인 영양소로, 비료의 주요 성분입니다.

• 제약 및 소재 산업:

  질소는 화학적으로 안정하여 제약 및 소재 산업에서 부식 방지제로 사용됩니다. 

2. 냉각 및 저장:

• 액체 질소:

  질소를 액화시켜 냉각제로 활용합니다. 식품 저장, 의료, 과학 연구 등 다양한 분야에서 사용됩니다. 

• 식품 보관:

  과자 봉지 등에 질소를 충전하여 산화를 막아 저장 기간을 늘립니다. 

3. 요리:

• 분자요리:

  액체 질소를 이용해 아이스크림, 과자 등 다양한 음식을 만들거나, 음식을 빠르게 냉각시켜 새로운 질감과 맛을 만들 수 있습니다. 

• 커피:

  커피의 쓴맛을 줄이고 고소한 맛을 살리는 데 활용될 수 있습니다. 

산소의 대표적인 특징은 다음과 같습니다

1. 화학적 특성:

   • 산소는 화학적으로 매우 반응성이 강한 원소로, 다른 원소와 결합하여 화합물을 형성합니다. 예를 들어, 산소는 수소와 결합하여 물(H₂O)을 형성합니다.

   • 산소는 공기 중에서 약 21%를 차지하며, 지구상의 생명체가 호흡을 위해 필요한 기체입니다.

2. 기체 상태:

   • 상온에서 산소는 무색, 무취, 무미의 기체입니다.

   • 산소 분자는 두 개의 산소 원자로 이루어진 O₂ 분자입니다.

3. 산화작용:

   • 산소는 산화 작용을 통해 물질과 반응하여 산화물을 형성합니다. 이 과정은 우리가 흔히 말하는 '부식'이나 '연소' 현상과 관련이 있습니다.

4. 냉각 성질:

   • 액체 상태의 산소는 매우 차갑고, 강한 산화력을 가지며, 청록색을 띕니다.

5. 생명 유지:

   • 산소는 동물과 식물이 생명 활동을 유지하는 데 필수적입니다. 호흡을 통해 산소를 흡수하고, 이산화탄소를 방출하는 과정이 일어납니다.

산소는 여러 면에서 매우 중요한 원소로, 생명체의 생존과 화학적 반응에 깊게 연관되어 있습니다.

산소는 다양한 분야에서 중요한 역할을 하고 있습니다. 그 주요 활용은 다음과 같습니다

1. 호흡과 생명 유지:

   • 가장 기본적이고 중요한 활용은 호흡입니다. 인간과 동물은 산소를 호흡하여 생명 활동에 필요한 에너지를 생성합니다. 식물도 광합성 과정에서 산소를 방출하여, 이를 다른 생명체가 이용할 수 있도록 합니다.

2. 산화 및 연소:

   • 산소는 연료의 연소 과정에 필수적입니다. 예를 들어, 화석 연료가 연소될 때 산소와 결합하여 에너지를 방출합니다. 이는 자동차, 비행기, 발전소 등에서 에너지를 생산하는 데 사용됩니다.

   • 산화반응을 통해 철이 부식되는 등 자연적인 현상도 일어납니다.

3. 산소 치료:

   • 의료 분야에서 산소는 매우 중요한 역할을 합니다. 특히 호흡 곤란을 겪는 환자들에게 산소를 공급하는 치료가 필요합니다. 이는 산소 요법 또는 산소 치료로 알려져 있으며, 병원에서 자주 사용됩니다.

4. 산소 용접과 절단:

   • 산소-아세틸렌 용접과 절단은 고온의 불꽃을 사용해 금속을 용접하거나 절단하는 데 사용됩니다. 이 과정에서 산소는 연료와 결합하여 높은 온도를 만들어냅니다.

5. 수중 작업:

   • 잠수 및 수중 작업에서 산소는 매우 중요합니다. 산소통을 이용해 수중에서도 호흡이 가능하게 합니다. 잠수부는 산소를 이용해 깊은 바다에서 작업을 수행할 수 있습니다.

6. 산소 농축 및 액화:

   • 산소 농축기를 사용하여 공기 중에서 산소를 분리하거나, 액체 산소를 생산하여 다양한 산업 분야에 활용할 수 있습니다. 액체 산소는 극저온 상태에서 저장되며, 주로 우주 산업이나 공학적 실험에서 사용됩니다.

7. 우주 탐사:

   • 우주 탐사에서는 산소가 우주선이나 우주 정거장에서 우주인들이 호흡할 수 있도록 제공됩니다. 또한, 산소는 로켓 연료로도 사용될 수 있습니다.

8. 화학 산업:

   • 산소는 화학 반응에서 중요한 역할을 합니다. 예를 들어, 산소는 산화 환원 반응에서 중요한 역할을 하며, 다양한 화학 공정에서 촉매 역할을 할 수 있습니다.

이 외에도 산소는 다양한 기술 및 산업 분야에서 폭넓게 활용되고 있으며, 인간의 삶에 중요한 영향을 미치는 필수적인 자원입니다

주기율표 제18족에 속하는, 대기 중 그리고 우주에 5번째로 많은 원소로 무색무취의 기체이다. 헬륨과 마찬가지로 옥텟규칙을 만족하고, 최외각 전자에 모든 전자가 꽉 들어차 있기 때문에 거의 화학 반응을 하지 않고, 매우 안정된 원소이다.

 초전도 장치, 자기공명영상(MRI) 기계, 저온 물리학 연구에 사용된다

헬륨헬리옥스라고 알려진 헬륨과 산소의 혼합물은 심해 다이빙에서 호흡 기체로 사용된다.

 고압에서 질소 마취의 영향을 줄인다.

힣헣힣히

산소(Oxygen, O)는 지구에서 가장 중요한 화학 원소 중 하나로, 생명체의 호흡에 필수적인 역할을 합니다. 자연 상태에서 산소는 주로 두 가지 형태로 존재합니다:

1. O₂ (산소 분자): 대기 중에서 약 21%를 차지하며, 우리가 숨을 쉬는 데 필요한 산소입니다. 이 산소는 두 개의 산소 원자가 결합해 이루어진 분자 형태로 존재합니다.

2. O₃ (오존): 주로 대기 중 고도 20~50km에서 존재하며, 자외선 차단 역할을 합니다. 오존층은 지구 생명체를 자외선으로부터 보호하는 중요한 역할을 합니다.

산소의 주요 특성

• 화학적 성질: 산소는 매우 반응성이 높은 원소로, 많은 물질과 결합하여 산화 반응을 일으킵니다. 예를 들어, 철이 산소와 결합하면 녹이 생깁니다.

• 물리적 성질: 산소는 무색, 무취, 무미의 기체로, 1기압에서 -183도 섭씨에서 액체로 변합니다.

생명체에서의 역할

• 호흡: 산소는 동물과 인간의 호흡 과정에서 중요한 역할을 합니다. 폐를 통해 들어온 산소는 혈액을 통해 각 조직으로 운반되어, 세포 내에서 에너지를 생산하는 데 사용됩니다.

• 광합성: 식물은 광합성을 통해 이산화탄소와 물을 이용해 산소를 생성합니다. 이 과정은 지구의 산소 순환에서 중요한 역할을 합니다.

산소는 이처럼 생명과 환경의 균형을 유지하는 데 없어서는 안 될 요소입니다.

네온(Ne)

• 특징: 비활성 기체, 무색 무취, 붉은 빛 방출

• 화학적 성질: 화합물을 잘 만들지 않음 (비활성 기체)

• 물리적 성질:

  • 무색 기체, 대기 중에서 적은 양 존재

  • 전기 방전 시 붉은 빛 발산

  • 비등점: -246.05°C, 융점: -248.59°C

• 용도:

  • 네온사인: 광고판과 거리 간판에서 붉은 빛을 발하는 용도로 사용

  • 광학 기기: 특수한 조명 및 고급 기기에서 사용

  • 냉각 시스템: 특수한 냉각 장치나 실험 장비에 사용

• 발견: 1898년, 윌리엄 Ramsay와 Morris Travers가 발견

• 비슷한 기체들: 헬륨(He), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe)

  
  

산소(Oxygen, O)는 지구에서 가장 중요한 화학 원소 중 하나로, 생명체의 호흡에 필수적인 역할을 합니다. 자연 상태에서 산소는 주로 두 가지 형태로 존재합니다:

1. O₂ (산소 분자): 대기 중에서 약 21%를 차지하며, 우리가 숨을 쉬는 데 필요한 산소입니다. 이 산소는 두 개의 산소 원자가 결합해 이루어진 분자 형태로 존재합니다.

2. O₃ (오존): 주로 대기 중 고도 20~50km에서 존재하며, 자외선 차단 역할을 합니다. 오존층은 지구 생명체를 자외선으로부터 보호하는 중요한 역할을 합니다.

산소의 주요 특성

• 화학적 성질: 산소는 매우 반응성이 높은 원소로, 많은 물질과 결합하여 산화 반응을 일으킵니다. 예를 들어, 철이 산소와 결합하면 녹이 생깁니다.

• 물리적 성질: 산소는 무색, 무취, 무미의 기체로, 1기압에서 -183도 섭씨에서 액체로 변합니다.

생명체에서의 역할

• 호흡: 산소는 동물과 인간의 호흡 과정에서 중요한 역할을 합니다. 폐를 통해 들어온 산소는 혈액을 통해 각 조직으로 운반되어, 세포 내에서 에너지를 생산하는 데 사용됩니다.

• 광합성: 식물은 광합성을 통해 이산화탄소와 물을 이용해 산소를 생성합니다. 이 과정은 지구의 산소 순환에서 중요한 역할을 합니다.

산소는 이처럼 생명과 환경의 균형을 유지하는 데 없어서는 안 될 요소입니다.