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[취재파일] 산화 상태 +9인 물질, 사상 첫 발견

새 원소 발견에 비견될 화학적 성과

[취재파일] 산화 상태 +9인 물질, 사상 첫 발견
대부분의 원자는 가장자리에 최외각 전자(peripheral electron)를 가지고 있습니다. 원소가 이 최외각 전자의 일부를 잃어버리고 높은 원자가(valence : 다른 원자와 이루는 화학결합의 수)를 가지게 됐을 때 이를 편의상 ‘산화 상태(oxidation state)’라고 부릅니다. 이 산화상태는 수많은 화학반응에서 매우 중요하게 취급되는 기본 개념입니다. 칼슘(Ca)의 경우 원소 상태에서는 원자가가 0이지만 탄산칼슘(CaCO3)인 경우 +2의 산화상태를 갖게 됩니다.
 
대부분의 원소는 최외각 전자의 숫자와 비슷한 산화상태를 갖는 경우가 많습니다. 염소(Cl)의 경우 최외각 전자가 7개인데, 이 경우 보다 안정적인 8개가 되기 위해 전자를 받으려는 경향이 있기 때문에 염소 이온(Cl-)의 경우 전자를 1개 받았다는 의미로 -1이 됩니다. 최외각 전자의 숫자에서 크게 벗어난 원자가를 갖는 경우 대체로 불안정하기 때문에 곧바로 에너지가 낮은 상태로 옮겨가고, 따라서 많은 물질은 -4에서 +4 사이의 산화상태를 갖습니다.
 
그런데 산화상태가 +9에 이르는 물질이 처음으로 발견됐습니다. 새로 발견된 IrO4+(사산화이리듐 양이온)입니다. 이 물질은 이리듐의 산화상태가 +9에 이르는 역사상 최초의 물질입니다. 화학자들이 한때 존재할 수 없을 거라고 믿었던 값을 갖고 있는 아주 특이한 분자입니다.
 
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지금까지 관찰된 가장 높은 산화 상태는 +8이었습니다. 이것도 아주 드문 경우입니다. RuO4(사산화루테늄), OsO4(사산화오스뮴), IrO4(사산화이리듐) 등 일부 백금족 원소의 4산화물에서 관찰된 적이 있습니다. 이런 물질들은 중심 원자가 여러 개의 원자가 전자를 갖고, 산소처럼 -2가의 산화상태를 갖는 물질, 즉 전기음성도가 높은 이른바 ‘리간드(ligand)'들이 주위를 둘러싸는 경우에 안정적으로 존재하게 됩니다.
 
그런데 새로 발견된 IrO4+는 IrO4상태에서 한 단계 더 나아가 +1의 산화상태를 갖고 있습니다. 이때 이리듐 원자는 5d 오비탈(orbital)에 원자가 전자 하나를 더 갖고 있기 때문에 이런 상태가 가능했습니다.
 
이 결과는 미국 일리노이대 어바나샴페인과 독일, 중국, 캐나다 등 다국적 연구팀이 일궈낸 성과입니다. 이들은 이리듐 금속을 산소(O2)가 포함된 아르곤 기체 내에서 레이저를 쏘는 방식으로 질량 분석법(mass spectroscopy)와 적외선 광해리 분광법(infrared photodissociation spectroscopy)를 이용해 반응 산물을 연구했습니다.
 
그 결과를 컴퓨터를 이용해 모형화 시킨 결과, 마침내 IrO4+이온이 네 개의 이리듐-산소(Ir=O) 결합을 가지는 사면체 형태의 이성질체가 된다는 사실을 최초로 발견했습니다. 이성질체들의 에너지 준위 그래프를 보면 IrO4+의 형태가 화학적으로도 안정하다는 것을 확인할 수 있습니다.
 
산화상태 +9 물질
산화상태가 +9인 물질을 발견한 것이 화학적으로 어떤 의미를 갖는지 잘 와 닿지 않는 분이 있을지도 모릅니다. 하지만 이론화학자들은 “이렇게 새로운 산화상태 하나가 기록되는 것은 희귀한 원소 하나를 발견한 것보다 더 커다란 업적”이라고 평가하고 있습니다.

네온이나 제논 같은 불활성 기체들은 최외각 전자가 0이어서 반응성이 매우 낮습니다. 따라서 한때 이들 기체의 화합물은 ‘영원히 발견하지 못할 것’으로 예상됐습니다. 하지만 그 뒤로 XePtF6,(C5F6)2Xe 등 여러 가지 화합물이 발견되면서 ‘불활성 기체도 화학 반응을 이룰 수 있다’는 내용으로 화학사에 한 페이지를 장식했습니다. 이번 IrO4+의 발견도 그와 비슷한 중요성을 가질 것으로 예상됩니다.
 
사실 이리듐은 다양한 산화상태를 보이는 원소로 유명합니다. -2를 제외하면 -3에서 +8까지 총 11가지의 산화상태를 가질 수 있는 특이한 성질을 보입니다. 그리고 이번 발견으로 산화상태의 최고값은 +9로 올라갔고, ‘12개의 얼굴을 갖는’ 신비스러운 원소로 위상을 한층 끌어올리게 됐습니다.
 
산화상태 +9 물질
<참고문헌>
Identification of an iridium-containing compound with a formal oxidation state of IX: Guanjun Wang, Mingfei Zhou, James T. Goettel, Gary J. Schrobilgen, Jing Su, Jun Li, Tobias Schlöder & Sebastian Riedel, doi:10.1038/nature13795
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