나트륨
1. 개요
라틴어: '''Na'''trium
영어: Sodium.[1]
주기율표 제1족에 속하는 알칼리 금속 원소의 하나로 원소기호 Na, 원자번호 11, 원자량 22.9898, 녹는점 97.90℃, 끓는점 877.50℃, 비중 0.971(20℃)을 갖는다. 보통 소금[2] 때문에 착각하기 쉽지만, 다른 원소와 결합하지 않은 순수한 나트륨은 엄연한 금속이다.
2. 특성
나트륨은 소금 등의 화합물로 존재하여 고대부터 알려진 원소들 중 하나이다. 화합물에서 분리된 금속 나트륨은 물보다 가볍고 칼로도 자를 수 있을 정도로 부드러우며, 광택이 있는 은백색이다. 반응성이 매우 높아서[3] 공기에 노출되면 산화되어 뿌옇게 흐려지고 물에 닿으면 격렬하게 열을 내며 반응하기 때문에[4] 석유에 담근 상태로 보관한다. 물과 반응(화합)하면 수소와 수산화나트륨이 된다.
고등학교 실험실에서 나트륨으로 실험하는 경우가 간혹 있는데, 물이나 산성 용액 같은 곳에 절대 넣어서는 안 된다. 아주 작은 나트륨 조각이라도 물이나 산성 용액에 넣으면 폭발할 위험이 있기 때문이다.
THF나 톨루엔 같은 유기용매에 있는 미량의 수분과 산소 제거에도 쓰인다[6]. 1L 정도의 용매에 벤조페논 소량과 각설탕 크기의 나트륨 조각 3개 정도를 더 작게 잘라 넣고 섞어주면 벤조페논 키틸 라디칼이 생기는데, 이것이 물과 반응하는 것이다. 이 라디칼의 색이 진한 남색, 보라색이기 때문에 라디칼의 존재 유무를 쉽게 알수 있고, 이를 통해 용매가 건조한지 아닌지 판단할 수 있다. 필요할 때마다 이 보라색 용액에서 용매를 증류해서 쓰고, 색이 없어지거나 갈색, 주황색, 찌꺼기가 쌓이는 등 이상하게 변한다면 새 용액(still)을 만들 때가 온 것이다. 나트륨 덩어리가 아직도 들어있다면 헥세인을 많이 넣은 다음 프로판올-메탄올 순으로 슬슬 넣어서 나트륨 덩어리를 천천히 제거해야 한다. 탄화수소의 경우 라디칼이 잘 녹지 않아서 색이 잘 안나올 때가 있는데 tetraglyme을 몇 ml 넣어주면 된다.
나트륨 화합물 중 대표적인 것이 염화나트륨(NaCl)이다. 소금에 함유된 성분 중 거의 대부분이 염화나트륨이며(약 97%), 영양성분표에는 '소금 x그램'이 아니라 '나트륨 x그램'이라고 표기되어 있다. 이는 의학적, 영양학적으로 보아 나트륨이 인체에 영향을 미치는 물질 중 하나이기 때문이다. 또한, 나트륨은 신경전달, 체액의 산성도를 조절하는 작용이 있어서 세포외액의 나트륨 농도가 일정하도록 조절된다. 단, 과잉섭취는 농도를 유지하기 위한 수분저류에 의해 고혈압 등의 원인이 된다. 다이어트의 주적이라고 할 수도 있는데, 나트륨이 칼로리가 높은 것은 아니지만 식욕을 증진시키기 때문이다.[7]
산업 분야에서 나트륨은 고속 증식로의 냉각재로서 활용된다. 고속 증식로는 우라늄 핵분열의 고속중성자를 이용해 우라늄 238을 플루토늄으로 전환하는 것이 목적인 원자로이나, 냉각재를 일반적인 물로 할 경우 중성자 감속재인 물에 의해 고속중성자가 감속되어 열중성자로 되므로, 우라늄 238의 중성자 흡수확률이 낮아져 플루토늄 생산 효율이 낮아지게 된다. 따라서 고속 증식로의 냉각재는 물 대신 나트륨처럼 융점이 낮은 금속을 사용하게 된다. 그래서 동일한 크기의 원자로보다 높은 출력을 기대할 수 있다. 다만 나트륨의 반응성은 예사롭지 않기 때문에 누출되기라도 하면 대략 난감하다. 일본의 고속증식로인 몬주가 문을 닫아야 했던 것도 1995년의 나트륨 유출 사고 때문이다.[8] 이런 안전성 문제는 결국 차세대 원자로로 각광받던 고속 증식로가 대중화되지 못하고 대부분 연구단계에서 포기되는데에 큰 영향을 미쳤다. 현재는 기술적으로 안정이 되어 미국, 한국, 러시아을 포함한 여러 국가에서 기술 탐색의 차원에서 연구를 하고있고, 신형 4세대 원자로로 출시도 되고 있지만 과거처럼 꿈의 원자로로 여겨지지는 않는다.
칼륨과의 합금은 "나크#s-4(NaK)"라고 부르는데, 그렇게 만들면 녹는점이 낮아진다. 특히 녹는점은 칼륨 : 나트륨 = 8 : 2 의 비에서 최하(-10도 이하)이다. 다시 말해 액체금속이 된다. 고속 증식로의 냉각재로는 사실 이쪽이 더 많이 이용된다. 왜냐하면 한번 가동을 중지하고 재가동할 때 나트륨은 고체가 되어 다시 녹여야 하는데 비해 나크는 액체이기 때문에 그대로 가동해도 하등 문제가 없기 때문이다. 이외에도 일부 컴퓨터 냉각시스템에도 사용된다고 한다. 다만 반응성은 어디 안 가기 때문에 물이나 공기라도 만나면 폭발의 원인이 된다. 게다가 석유에 넣어 보관하면 석유에 녹은 산소와 반응해 단 몇 시간 만에 노란 초과산화칼륨(KO2)이 생성되는데, 이 초과산화칼륨은 충격을 받으면 폭발한다. 여러모로 유용하지만 매우 위험한 물질이다.[9] 조금 습한 공기 중에 한 방울 떨어뜨리면 바닥에 닿기도 전에 불붙어 사라진다는 얘기도 있다.
그리고 고갈되는 리튬을 대신해 나트륨으로 배터리를 만드는 연구를 하고있다. 2020년 6월에 리튬 이온 전지 수준으로 만드는 데 성공했다.
3. 명칭
포타슘과 더불어 대학교 가면 이름이 바뀌는 원소. 대한화학회에서는 소듐이라고 하지만 국립국어원 표준어는 여전히 나트륨이다. 가끔씩 교수들이 "소듐이 어쩌고 저쩌고" 할 때 순간적으로 못 알아듣는 경우가 있으니 주의가 필요하다. 예전에는 나트륨과 소듐 표기가 복수 표준이었는데 2014년부터 대한화학회에서 소듐 단독 표기로 입장을 바꿨다.
sodium의 발음은 /ˈsəʊdɪəm/(영국) /ˈsoʊdi.əm/(미국)으로 소듐보다는 '소디엄'에 가깝지만 원소 이름의 한글 표기에 적용되는 관용을 적용하여 '소듐'으로 정해졌다. 사실 미국식으로 원소를 표기하면 한국사람은 열에 아홉은 원소기호 2번 헬륨부터 딴세상이다.참고로 헬륨의 미국식 표현은 '힐리엄'이다. 리튬은 '리티엄'. 이러한 이유로 한국사람이 미국으로 유학을 가서 화학 얘기를 꺼내면 미국 애들이 이상하게 쳐다본다.
한국에선 거의 모든 일반인들이 나트륨이라고 알고 나트륨 섭취를 줄이자는 캠페인처럼 보편적으로 쓰고 있고, 소듐이라는 명칭은 공대 및 자연대, 의대, 간호대, 의료보건계열 학과에 진학한 학생들이 1~2학년 일반화학시간에 배우게 된다.[10] 화학자들은 한국어 화학용어집을 개정하면서 초중고 교육과정에서도 이에 맞춰 부탄->뷰테인과 같이 모든 화학 표기법을 영어식으로 바꿨고, 그에 따라 나트륨도 소듐으로 바꿔야 된다고 했다. 그러나 나트륨이나 칼륨은 용어가 워낙 보편적으로 쓰이고 있고, 또한 다른 용어들은 원래 표기와 별 차이없이 영어식으로만 바꾼 것이라 일반인들도 기존의 이름을 떠올릴 수 있는데, 포타슘과 소듐은 이미 알고 있지 않는 한 여기서 칼륨과 나트륨을 떠올릴 수 없으니 용어를 바꾸기도 어렵다. 더구나 소듐, 포타슘으로 가르쳐봐야 결국 원소기호를 외워야 되는 시점에서 K, Na가 등장하므로 교육 과정에서도 결국은 이중으로 외워야 되는건 마찬가지가 된다. 그래서 반발에 부딪혀서 교과서 편수자료 용어집에서 칼륨과 나트륨만 예외적으로 받아들여지지 않았다.[11]
현재도 초중고 교과서에서는 여전히 나트륨으로 표기되고 있고, 중학교 과학 교과서 일부,고등학교 화학 I, II 정도에서만 나트륨(소듐) 정도로 일부 써주고 있다.
4. 여담
여타 알칼리 금속처럼 순수한 나트륨[12]은 칼로 쉽게 잘린다. 물과 만나면 불꽃을 일으킨다는 특성 때문에 추리소설 등에서 종종 트릭으로 이용된다. 물속에서 불이나 폭발이 일어났다는 내용이 나오면 십중팔구 나트륨을 이용한 것. 대놓고 화재 현장에 나트륨을 설치해놓는 경우가 있는데 물로 못 끄게 하기 위함이다. 히가시노 게이고의 소설 탐정 갈릴레오의 '폭발하다' 에피소드에서도 키 아이템으로 나온다.[13]
소설 빙과에서도 10문자 사건의 트릭으로 이용되었다. 작문 원고 사이에 나트륨을 끼워놓고 물을 뿌려서 불타게 한 것이다.
이영돈의 먹거리 X파일에서 소금을 소듐 클로라이드 라는 용어를 사용했다. 소금의 주성분은 염화나트륨이고 이것을 영어로 풀어 쓰면 Sodium Chloride 라고 하므로 틀린 표현은 아니긴 한데, 대학교 강의에서나 쓸만한 단어지 일상생활이든 관련업계에서든 이딴 식으로 읽는 경우는 없다. 그야말로 명태를 어시장에서 ‘가두스 칼코그라무스’라 읽는 격이다. 이는 의도적으로 비일상적인 용어를 사용하여 뭔가 좀 더 지적인 것처럼 보임으로서 자신의 주장에 설득력을 더하려는 수법이다.
최근에는 제한된 리튬 매장량의 한계를 극복하기 위해 리튬 이온 배터리를 대체하는 소듐 이온 배터리(SIB)의 연구가 활발히 진행되고 있다. 나트륨은 바닷물에 썩어넘치도록 많기 때문이다.
투석을 하고 있거나 직전인 말기 신장병 환자들과 심혈관계 질환자에겐 증오스러운 원소이기도 하다. 하필이면 음식의 맛을 결정하는 원소가 신장과 심혈관계의 적이라니![14]
5. 관련 문서
[1] 프랑스어로는 소디'''옴''' 비슷하게 발음한다. [2] 소금의 화학식은 NaCl(염화나트륨)로 나트륨 이온이 포함된 물질이다.[3] 나트륨은 주기율표상 1족 원소이기 때문에 전자를 잃고 네온과 같은 전자배치를 하려고 한다. 전자는 없어지거나 새로 생길 수 없기 때문에 나트륨이 전자를 잃는다면 전자를 받는 물질이 항상 존재한다. 전자의 이동이 곧 화학반응이므로 나트륨은 반응성이 높은 물질인 것이다.[4] 나트륨은 전자를 잃으면서 물에 전자를 제공하기 때문에 수소 기체와 수산화 이온(OH-)이 발생한다. 이 과정에서 열까지 발생하므로 수소 기체가 폭발하면서 불이 나는 것이다. 이 반응은 1족 원소가 공통적으로 보이는 반응이며 더 높은 주기의 원소일수록 전자를 잃기 쉽기 때문에 더 격렬하게 일어난다.[5] #, #[6] 과거에는 실험실에서 많이 쓰였으니 현재는 그 위험성 때문에 사실상 찾아보기 힘들다.[7] 우주비행사를 대상으로 한 연구에서 똑같은 요리에 나트륨 함량만 조절한 음식을 먹이는 실험을 했는데, 저나트륨 집단은 고나트륨 집단에 비해 수분을 더 많이 섭취했고 덜 배고프다고 했다. #[8] 첫 중단의 원인. 그 후 다시 중단되었다.[9] 화공약품점들도 재고로 갖고 있지 않고 주문하면 제조처에서 직접 배송해 주고, 구입하고자 하더라도 아무한테나 팔지 않는다. 이 말은 나크가 황산보다도 더 위험한 물질이라는 얘기다.[10] 중국과 일본에서도 역시나 나트륨에서 나온 표기법을 사용 중이다. 중국어는 钠{nà}, 일본어는 ナトリウム. 그 말인즉슨 한국뿐 아니라 같은 한자 문화권에 속하는 이웃나라들도 여전히 나트륨에서 기반한 표현을 멀쩡히 잘 쓰고 있는 마당에, 한국 학계만 쓸데없는 아집을 부려 대중들이 멀쩡히 잘 쓰고 있는 말인 나트륨을 굳이 소듐으로 개명할 상당한 근거가 없다는 뜻이다.[11] 사실 대한화학회는 IUPAC에서 명칭을 이렇게 정했다는 것을 근거로 대고 있으나, 정작 IUPAC 명칭에 따라서 화학 용어를 바꿔야된다고 화학자 집단이 나서서 자기네 언어에서 쓰이는 원소 이름조차 잘못되었다며 영어식으로 바꾸려는 시도를 하는 곳은 한국밖에 없고, 다른 나라들은 다들 자기 언어로 굳어진 명칭을 잘만 사용한다. 미국 유학파 화학자들이 화학계를 점령하다보니, 자기들이 유학가서 배운것만 진리라는 생각에 사로잡혀서 이런 무리한 시도가 발생하고 있는 거다.[12] 나트륨은 알칼리 금속이 맞다.[13] 작중 초반의 쇼난 해안 폭발사고에서 수중 폭발의 원인이었고, 후반부에서도 희생자가 될 뻔한 키지마 교수의 차 안에 순간접착제로 붙어 있었지만 유카와 마나부가 가짜로 바꿔치기해 두어서 키지마 교수는 화를 면할 수 있었다.[14] 사실 염화나트륨 특유의 짠 맛은 '''염화 이온'''에서 나온다. 때문에 소금이 염소라는 주장도 있기는 하다. 그래서 염화칼륨을 사용하는 경우도 있다. 그리고 칼륨 역시 신장병의 적이다. 또 염화리튬(LiCl)은 독성 물질이다. 염화루비듐이나 염화세슘은 아주 비싸다. 따라서 대체제가 사실상 없다고 봐야 한다.