제논 (원소)
제논(xenon)은 원소 주기율표 상에서 5주기 18족에 속하는 비활성 기체로 원소 기호는 Xe, 녹는점은 -111.7℃, 끓는점은 -108.12℃, 밀도는 5.894g/L이다. 색깔과 냄새가 없는 단원자 분자로 공기 중에 극미량 함유되어 있다.
지구 대기에서 극미량으로 발견되는 무색, 고밀도, 무취의 비활성 기체이다. 중성 상태의 제논은 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p65s²4d¹⁰5p⁶의 바닥 상태 전자 배치를 가지고 있다. 제논은 1898년 9월 두 영국 화학자, 스코틀랜드 출신의 윌리엄 램지(William Ramsay)와 잉글랜드 출신의 모리스 트래버스(Morris Travers)에 의해 크립톤과 네온 원소가 발견된 직후 발견되었다. 램지는 이방인이라는 뜻의 그리스어인 'xenos'의 중성 단수 형태인 'xenon'으로 이 기체의 이름을 제안했다. 이는 아마도 낯선 사람을 배척하는 제노포비아(xenophobia)와 같이 다른 원소와 전혀 반응을 하지 않는 제논의 낮은 반응성에 기인한 것이라 판단된다.
제논은 비활성 기체인 18족에 속하며 일반적으로 반응성이 없지만 플루오린과 산소와 같은 전기음성도가 큰 원자와 반응하여 화합물을 형성하기도 한다. 제논은 플래시 램프(flash lamp)와 아크 램프(arc lamp)와 전신 마취제(general anesthetic) 등에 사용된다. 첫 번째 엑시머 레이저는 레이저 매체로 제논 이합체 분자(Xe₂)를 사용했으며, 최초의 레이저는 제논 플래시 램프를 펌프로 사용했다. 제논은 약하게 상호 작용하는 가상의 거대 입자를 확인하는 데 사용되고 우주선에서 이온 추진 장치의 추진체로도 사용된다. 자연적으로 발생하는 제논은 8개의 안정한 동위원소로 이루어져 있고, 40개 이상의 불안정한 제논 동위원소가 방사성 붕괴를 겪으며, 제논의 동위원소 비율은 태양계의 초기 역사를 연구하는 중요한 도구이다. 방사성 제논-135는 아이오딘-135(핵분열 생성물)로부터의 베타 붕괴에 의해 생성되며 원자로에서 가장 중대한 중성자 흡수체이다.
목차
개요[편집]
제논(xenon)은 원자번호 54번의 원소로, 원소기호는 Xe이다. 주기율표에서 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 라돈(Rn)과 함께 비활성 기체(noble gas)족 또는 희귀 기체 원소(rare gas element)족으로 불리는 18족(8A족: 과거에는 0족이라 하였음)에 속한다. 다른 비활성 기체와 마찬가지로, 색, 냄새, 맛이 없고, 1기압, 실온에서 일원자 분자 기체로 존재한다. 비활성 기체 원소들은 그 단어가 의미하듯 화학 반응성이 없는 것으로 여겨져 왔는데, 1962년에 헥사플루오로백금산 제논(Xe⁺[PtX₆]⁻)이 합성됨으로써 비활성 기체도 화합물을 형성할 수 있음을 보여주었다. 지금은 플루오린(F)이나 산소(O)와 결합한 여러 제논 화합물들이 알려져 있으며, 다른 비활성 기체 원소들의 화합물들도 확인되었다.
제논은 지구 대기에 부피 비로 0.087ppm (8.7x10⁻⁶%), 무게 비로는 0.40ppm (4x10⁻⁵%)들어 있는 아주 희귀한 기체이다. 공기에 들어있는 전체 비활성 기체는 부피로 1%미만인데, 아르곤이 0.934%, 네온이 0.00182%, 헬륨이 0.000524%, 크립톤이 0.000114%, 그리고 제논이 0.0000087% 들어있으며, 라돈은 반감기가 짧은(가장 긴 동위원소가 3.8일) 방사성 원소로 아주 극미량 들어있다. 제논은 태양계 전체에서는 무게로 약 1.56x10-6%를 차지하는데, 태양 자체에서는 비교적 희귀하나 화성 대기에는 지구와 비슷한 농도로 들어 있고, 목성에는 태양에서보다 약 2.7배 높은 농도로 있다.
제논은 기체 방전 램프에 주로 사용된다. 제논 램프는 정오 때의 태양광과 비슷한 강한 자외선-가시광선-적외선을 낸다. 램프 용기를 유리로 만들면 자외선이 차단되나, 석영(quarz)으로 하면 자외선도 방출된다. 사진 플래시, 영사기 및 프로젝터(projector), 모의 태양광, 자동차 전조등, 선탠 램프 등에 사용된다. 또 여러 분광기와 자외선 살균기의 광원으로도 사용되며, 반도체 사진 식각 등에 사용되는 여러 엑시머 레이저에도 사용된다. 그리고 우주선의 이온 엔진 추진체로도 사용된다. 한편, 의학적으로는 폐 등의 과분극 자기영상(MRI)을 얻는데 사용되며, 마취제로도 사용된다. 핵자기공명(NMR)이나 X-선 회절을 이용한 단백질 구조 분석에도 흔히 사용되고, 제논 화합물은 가끔 분석 화학에서 산화제로 이용된다.
발견과 역사[편집]
1895년까지 비활성 기체 중에서 헬륨(He, 원자번호 2) 아르곤(Ar, 원자번호 18)의 두 가지가 영국 화학자 램지(William Ramsay: 1852~1916)에 의해 발견되었는데, 이들 두 원소를 주기율표에 배치한 결과 이들 사이에 있는 원자번호 10번과 Ar 이후에 있는 원자번호 36, 54, 86번이 비어있음이 확인되었다. 따라서 화학자들은 이들 빈칸에 들어갈 원소들을 찾고자 하였는데, 램지와 그의 제자 트래버스(Morris W. Travers: 1872~1961)는 앞서 발견한 두 원소가 기체임을 감안할 때 빈 칸에 들어갈 원소들도 기체일 것이라 여기고, 공기를 액화시킨 후 분별 증류를 통해 이들 새로운 원소를 얻고자 하였다. 마침내 1898년에 이들은 액화공기에서 원자번호 10번의 네온(Ne)와 36번의 크립톤(Kr)을 발견하고, 곧 이어 원자번호 54번의 원소를 발견하였다. 램지는 이 54번의 원소를 그리스어로 '낯선'을 뜻하는 'xenos'을 따서 제논(xenon)이라 명명하였다. 그는 제논이 지구 대기에 2천만분의 1의 비율로 들어있다고 추정하였는데, 실제는 1100만분의 1로 들어있다.
램지는 '비활성 기체들의 발견과 이들 기체들이 주기율표에서 차지하는 위치를 결정한' 공적으로 1904년에 노벨 화학상을 수상하였는데, 1901년에 시상을 시작한 노벨상에서 4번째 수상자로 선정되었다는 사실에서 당시 과학계가 비활성 기체의 발견을 아주 높이 평가한 것을 알 수 있다. 1934년에는 제논을 사용해서 1백만분의 1초 동안 섬광을 내는 고속 사진 플래시가 출현하였으며, 1939년에는 제논의 마취 작용이 발견되었고 1951년에 수술 환자 마취에 실제로 사용되었다.
- 비활성 기체 화합물의 합성
비활성 기체들은 화합물을 잘 만들지 않기 때문에 대기 중에서 원소상태로 발견된다. 램지는 원자량이 큰 Kr과 Xe이 화합물을 만들 것이라고 1902년에 이미 예측하였으나, 초기에는 여러 화학자들의 노력에도 불구하고 화합물을 만들 수가 없었다. 1933년에는 폴링(Linus Carl Pauling)이 KrF₆와 XeF₆는 합성이 가능할 것이라고 제안하였으며, 일부 과학자들이 Xe와 F₂기체 혼합물을 전기 방전시켜 XeF₆ 합성을 시도하였으나 실패하였다. 따라서 비활성 기체 원소들은 화학 반응성이 없는 것으로 믿게 되었다.
그러다가 1962년에 캐나다의 바틀레트(Neil Bartlett, 1932~2008)가 처음으로 비활성 기체 화합물을 합성하였는데, 그 화합물이 "Xe[PtF₆]"이다. 바틀레트는 PtF6가 공기에 노출되면 색이 변하는 것을 우연히 발견하고, 로만(D. H. Lohmann)과 함께 연구하여 이것이 O₂ ⁺[PtF₆]⁻의 생성에 의한 것임을 알아내었는데, 그는 아주 강력한 산화제로 작용하는 PtF₆가 O₂와 비슷한 이온화 에너지(O₂는 1175 kJ/mol, Xe는 1170 kJ/mol)를 갖는 Xe도 산화시킬 수 있을 것으로 짐작하고 반응을 시도한 결과 노란색의 제논 화합물을 얻을 수 있었다. 이 물질은 처음에는 Xe⁺[PtX₆]⁻로만 된 것으로 여겨졌으나, 이것 외에 여러 다른 염들도 함께 들어있음이 밝혀졌다. 몇 개월 후에는 다른 연구진에 의해 XeF₆와 XeF₂이 합성되었고, 1963년에는 KrF₂도 합성됨으로써 비활성 기체 원소의 화학이 시작되었다.
물리적 성질[편집]
제논원자의 바닥 상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p⁶ ([Kr] 4d¹⁰5s²5p⁶)로, 맨 바깥 전자 껍질에 8개의 전자를 갖고 있어 안정하며, 일원자 분자로 존재한다.
색, 냄새, 맛이 없으며, 1기압에서 녹는점은 -111.7℃이고 끓는점은 -108.12℃이며, 0℃ 밀도는 5.894g/L로 공기의 약 4.5배이다. 액체 상태의 밀도는 약 3.1g/cm³로, 물보다 3배 이상 무겁고, 고체 상태에서의 밀도는 3.64g/cm³로, 화강암보다 대략 1.3배 크다. 액체로 존재하는 온도 범위가 3.6℃에 불과한데, 이는 비활성 기체들의 공통된 특징으로 증발열(제논의 증발열, 12.64kJ/mol)이 작기 때문이다. 열전도도가 아주 작으며, 음속은 공기에서의 약 반이다. 고체 제논은 면심입방구조(fcc)를 하는데, 압력을 높이면 점차 전기전도도가 증가하고 약 140GPa에서는 금속성 육방밀집구조(hcp, 조밀육방구조)로 변환된다. 금속성 제논은 붉은색을 흡수하여 푸른색을 띤다. 물에 대한 용해도는 20℃에서 108.1cm³/kg로, O₂의 약 4배, N₂의 약 8배이다.
- 동위원소
제논의 천연 동위원소는 ¹²⁴Xe(0.095%), ¹²⁶Xe(0.089%), ¹²⁸Xe(1.91%), ¹²⁹Xe(26.4%), ¹³⁰Xe(4.07%), ¹³¹Xe(21.29%), ¹³²Xe(26.89%), ¹³⁴Xe(10.4%), ¹³⁶Xe(8.86%)의 9가지이다. 이중 ¹³⁶Xe는 방사성 동위원소로, 반감기는 2.11X1021년이며, 두 번의 β-붕괴를 하고 바륨-136(¹³⁶Ba)이 된다. 나머지는 이론상으로는 스스로 방사성 붕괴를 할 수 있으나, 실제 방사성 붕괴는 관측되지 않았고 안정한 것으로 간주된다. ¹²⁹Xe는 반감기가 1600만년인 ¹²⁹I의 β-붕괴에서 생성된다. 이들 천연 동위원소 중에서 ¹²⁹Xe은 1/2의 핵 스핀 값을 갖는데, 루비듐(Rb) 증기와 원형편광된 빛에 의해 과편극(hyperpolarization)되는 성질이 있어 단백질의 핵자기공명(NMR) 분광 실험에 이용되며 폐 등의 자기공명영상(MRI)에서 조영제로 사용된다.
질량수가 110~147에 이르는 40종 이상의 인공 방사성 동위원소와 핵이성성체들이 조사되었는데, 반감기가 비교적 긴 것들은 ¹²⁷Xe(반감기 36.3일)과 ¹³³Xe(반감기 5.25일)이다. 수명이 긴 준안정한 핵이성체는 ¹³¹mXe(반감기 11.8일), ¹²⁹mXe(반감기 8.88일), ¹³³mXe(반감기 2.19일)이다. ¹³¹mXe, ¹³³Xe, ¹³³mXe, ¹³⁵Xe(반감기 9.14시간)은 우라늄-235(²³⁵U)와 플루토늄-239(²³⁹Pu)의 핵분열에서 직접 또는 2차 산물로 생성되므로 핵폭발 여부를 검출하는 지표물질이 된다. 한편, 핵 연료 분열에서 생성된 ¹³⁵Xe는 열 중성자를 잘 흡수하는 성질이 있어 원자로를 멈추게 하거나 연속 운전에 지장을 주는 '독'으로 작용하기도 한다.
화학적 성질[편집]
제논은 우리가 흔히 접하는 대부분의 반응(연소, 산이나 알칼리와의 반응 등)은 하지 않으나, 강한 산화제에 의해 산화되고 화합물을 생성할 수 있다. 비활성 기체 원소 중에서는 라돈 다음으로 반응성이 크다. 바틀레트가 1962년에 "Xe[PtF₆]"을 합성한 이래 수십 종의 제논 화합물들이 합성되었다(화합물 항 참조). 제논 화합물들은 폭발성이 크며, 산화력이 강해 독성이 강하다.
제논의 생산[편집]
제논은 액체 공기의 분별 증류로 얻는데, 공기 중에 들어 있는 양이 워낙 적어(부피비로 약 1천만 분의 1) 전세계 연간 생산량이 1톤 미만이다. 지구 대기 전체에 들어있는 양은 약 20억 톤으로 추정된다. 2004년의 가격은 미화로 4000~5000$/m³로, Kr의 10배, Ne의 약 50배, He이나 Ar의 약 1000배였다.
제논의 용도[편집]
제논은 기체 방전 램프(gas discharge lamp)를 비롯한 빛을 방출하는 특수 장치에 주로 사용되며, 일부는 의료용이나 기초과학 연구 등에 사용된다.
램프 및 레이저[편집]
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용기 속에 든 기체를 전기방전 시키면 빛이 방출되는데, 이런 빛 방출 장치를 기체 방전관이라 하며 형광등과 네온사인이 흔한 예이다. 기체 방전관에서 나오는 빛의 스펙트럼은 기체의 종류와 압력에 따라 달라지는데, 제논 기체 방전관은 태양 빛과 비슷한 특성의 아주 밝은 빛을 낸다. 주로 텅스텐 전극을 사용한 아크등(arc lamp)으로 제작되어, 사진 플래시, 영사기 및 프로젝터(projector)의 광원, 모의 태양광(solar simulator), 자동차 HID 전조등(high-intensity discharge headlamp), 선탠용 램프, 야간 조명등 등으로 사용된다. 자외선-가시광선-적외선을 아우르는 넓은 파장 범위의 광원이 필요한 분광기 램프와 자외선 살균기 등의 광원으로도 사용되는데, 이때는 방출되는 자외선이 통과하도록 램프 창이나 용기를 석영으로 된 것을 사용해야 한다. 또한 제논은 낮은 열전도도와 화학적 안정성 때문에 고압 소듐 등의 점등 기체로도 사용된다.
제논과 이의 할로겐화물은 레이저에도 사용된다. 제논 엑시머(eximer, (Xe₂)와 같이 들뜬 상태의 이합체)는 최초로 개발된 엑시머 레이저로 172nm와 176nm의 자외선을 낸다. 제논 할로겐화물 엑시머 레이저(이 경우에는 들뜬 착화합물인 exiplex가 보다 적절한 표현임)도 개발되었는데, (XeBr)*는 282nm, (XeCl)은 308nm, (XeF)는 351nm의 레이저광을 방출한다. 이러한 엑시머 레이저들은 반도체의 고분해 사진식각공정(photo lithography)에 널리 이용된다. )
의학적 이용[편집]
제논은 전신 마취제로 사용되는데, 일산화이질소(N₂O)보다 44%나 더 강한 마취작용이 있어 산소와 혼합시켜 사용함으로써 저산소증(hypoxia)의 위험이 적다. 더욱이 온실 기체가 아니므로, 환경 친화적 마취제이다. 제논은 값이 비싸므로, 제논을 사용하는 마취 기구는 보통 제논을 회수해서 재사용하도록 설계되어 있다. 이외에도 제논의 일부 동위원소들이 의학적으로 유용하게 사용되는데, ¹²⁹Xe는 폐를 비롯한 여러 조직의 과분극화된 MRI를 얻는 조영제로 사용되며, ¹³³Xe는 심장, 폐, 뇌의 방사선 영상 촬영과 혈액 흐름을 측정하는데 사용된다.
기타 이용[편집]
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제논은 물에도 녹지만 소수성 용매와 단백질의 소수성 부분에 더욱 잘 녹는다. 단백질의 핵자기공명(NMR) 스펙트럼을 측정할 때 시료에 제논 기체를 흡수시키면 제논이 녹아 들어간 부분을 구별해 낼 수 있어 단백질 구조 분석에 이용된다. 또 X-선을 잘 흡수하므로, X-선을 이용한 단백질 구조 분석에서 Xe이 결합된 부분을 알아내는데도 사용된다. 제논은 우주선의 이온 엔진의 추진체로도 사용된다.
화합물[편집]
제논의 주된 화합물은 내포화합물, 플루오린 화합물, 그리고 산화물이다. 내포 화합물은 어떤 화합물이 만든 3차원 골격구조의 빈 공간에 다른 원자나 분자가 화학결합에 의하지 않고 물리적으로 갇혀 만들어진 물질을 말하는 것으로 엄밀한 의미에서는 화합물이 아니다. 바틀레트가 최초의 비활성 기체 화합물인 XePtX₆를 합성하기 전까지는 내포화합물(clathrate)만 알려져 있었다.
내포화합물[편집]
제논은 아르곤(Ar)이나 크립톤(Kr)처럼 퀴놀(quinol, 1,4-C₆H₄(OH)₂)이나 물(H₂O)과 내포화합물을 만든다. 이들 화합물의 조성은 각각 Xe{C₆H₄(OH)₂)}₃과 Xe₈(H₂O)₄₆이다. 제논의 이러한 내포 화합물 형성 특성은 핵 반응로에서 생성된 방사성 Xe를 저장하고 취급하는데 이용된다
플루오린 및 염소 화합물[편집]
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제논의 플루오린 화합물은 XeF₂, XeF₄, XeF₆가 알려져 있는데, 이들은 다른 제논 화합물 합성의 출발물질로 사용된다. XeF₂는 F₂와 Xe 기체 혼합물을 가열하거나, 자외선을 쪼이거나, 전기방전을 하면 생성된다. 실온에서 흰색 고체이며, 녹는점은 128.6℃이다. SbF₅와 반응하여 XeF+와 SbF₆ -를 생성한다. 또한 여러 금속 배위 착화합물의 배위자(ligand)가 될 수 있는데, 예로 HF 용매에서 Mg(AsF₆)₂와 다음과 같이 반응한다.
- Mg(AsF₆)₂ + 4 XeF₂ → [Mg(XeF₂)₄](AsF₆)₂
또한 XeF₂는 플루오린화 시약, 산화제, 규소(Si)의 식각제 등으로 사용된다.
- C₆H₅-OCH₃ + XeF₂ → F-C₆H₄-OCH₃ (플루오린화 시약)
- CH₂=CH-CH=CH₂ + XeF₂ → FCH₂-CH(F)-CH=CH₂ (+ FCH₂-CH=CH-CH₂F) (산화제)
- 2 XeF₂ + Si → 2 Xe + SiF₄ (규소의 식각제)
XeF₄는 F₂와 Xe 기체 혼합물을 니켈 용기에서 400℃로 가열해서 얻는데, 승화점이 115.7℃인 흰색 고체이다. 낮은 온도에서 물에 의해 가수분해되어 Xe, O₂, HF, XeO₃등을 생성한다. 백금(Pt)과 반응하여 PtF₄를 생성하고 Xe가 되며, CsF, BiF₅와 반응하여 각각 CsXeF₅, XeF₃BiF₆를 만든다. 또한, XeF₄는 실리콘 고무(silicone rubber)에 미량 들어있는 금속을 분석하기 위한 실리콘 고무 분해제로 사용되는데, 이는 XeF₄와 실리콘과의 반응 생성물이 모두 기체여서 실리콘은 분해되어 날아가고 금속만 잔류물로 남기 때문이다.
XeF₆는 XeF₂를 고온에서 NiF₂ 촉매와 함께 가열하면 생성된다. 가수분해되어 XeOF₄와 XeO₂F₂를 거쳐 최종적으로 XeO₃가 되며, 루이스 산으로 F⁻과 결합한다.
Xe의 다른 할로겐 화합물은 XeCl₂만 알려져 있는데, Xe와 Cl₂ 기체 혼합물을 마이크로파 방전시켜 만들 수 있다. 그러나, 이것이 진정한 화합물인지 아니면 제논과 염소 분자가 다른 2차적 결합으로 연결된 초분자인지 분명하지는 않다.
산화물과 옥소할로겐화물(oxohalides)[편집]
제논의 산화물은 Xe과 산소(O₂)와의 직접 반응으로는 만들어지지 않으며, 플루오린화물의 가수분해로 얻는데 XeO₂, XeO₃, XeO₄의 3가지가 알려져 있다. XeO₂는 XeF₄를 가수분해시키면 주황색 고체로 얻어지는데, 반감기가 약 2분인 불안정한 물질로 XeO₃와 Xe로 변환된다. XeO₃는 XeF₆를 가수분해시키면 생성되는데, Xe와 O₂로 느리게 분해한다. 이의 수용액은 약한 산성이며, 아주 강력한 산화력을 갖고 있어 유기산을 탄산가스와 물로 완전히 분해시킨다. 알칼리에 녹이면 제논산 이온 (HXeO₄⁻)을 생성하는데, 이는 쉽게 과제논산 염 (XeO₆ ⁴⁻의 염)과 Xe로 변환된다. 과제논산 바륨(Ba₂XeO₆)은 황산과 반응하여 XeO₄를 생성한다.
- Ba₂XeO₆ + 2 H₂SO₄ → 2 BaSO₄ + 2 H₂O + XeO₄
XeO₄는 녹는점(-35.9℃)보다 낮은 온도에서는 노란색 결정성 고체로 안정하나, 이보다 높은 온도에서는 Xe와 O₂로 분해하면서 아주 쉽게 폭발할 수 있다. 물에 녹아 과제논산(H₂XeO₆)이 되고, 알칼리에서는 과제논산 염을 만든다. XeF₆와 반응하면 XeO₂F₄와 XeO₃F₂가 생성됨이 분광학적으로 확인되었는데, 이들 화합물에서 Xe의 산화수는 +8이다.
XeO₄ + XeF₆ → XeOF₄ + XeO₃F₂ (또는 XeO₂F₄ + XeO₂F₂)
이들 외에도 Xe-탄소 결합을 갖는 화합물(예로 [C₆F₅]₂Xe), 제논 수소화물(예로, HXeH, HXeOH, HXeC≡CH) 등이 합성되었다. 또한 특이하게도, 제논은 반응성이 아주 적은 금(Au)과도 Xe-Au 결합을 갖는 AuXe₄(Sb₂F₁₁)₂를 만드는데, 이는 Xe와 Au가 모두 비활성이어서 이들이 서로 반응하지 않으리라는 일반적인 예상을 완전히 뒤엎는 결과로 볼 수 있다. 이는 자연 과학에서 확고한 실험적 사실에 바탕을 두지 않고는 어떠한 결론도 내릴 수 없음을 확인시켜주는 대표적 사례로 볼 수 있다.
현재로는 앞서 언급된 일부 화합물들의 응용을 제외하고는 제논화합물들이 실용적으로 이용된 예는 없다. 제논 기체는 대체로 무해하나, 제논 화합물들은 산화력이 크고 독성이 강하다.
참고자료[편집]
- 〈제논(크세논, Xe)〉, 《화학원소》
- 〈제논〉, 《화학백과》
- 〈제논(원소)〉, 《사이트명》
- 〈제논〉, 《두산백과》
같이 보기[편집]
