아이오딘
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1. 개요
주기율표 상에서 17족인 할로젠 원소에 속하며 5주기에 해당되는 고체원소이다. '원자가 전자'가 7개이므로 전자 1개를 받아들여 1가 음이온이 되는 것이 대표적인 이온화 경향이지만, 다른 주기의 할로젠 원소보다는 전기음성도가 낮아서[1] 더 높은 전기음성도를 가진 할로겐 원소에게는 전자를 잃어 +(1~7)가의 원자가 전자를 가진 화합물을 형성한다. 즉 보통은 1가 음이온이지만 이 경우에는 양이온이 된다.
1811년, 바닷말을 연구하던 쿠르투아는 바닷말을 태운 재를 녹인 액체에서 염화 포타슘을 분리했다. 남아 있는 액체에 황산을 가하자 자극적인 냄새를 풍기는 보랏빛 증기가 발생했는데, 냉각시키자 응축되어 비금속결정이 되었다. 이것을 발견한 쿠르투아는 연구를 계속했지만 새로운 원소라는 것을 증명하지 못하고, 친구인 클레망과 테조름에게 연구를 의뢰, 그로부터 2년 후 그들에 의해 그것이 새로운 원소 아이오딘이라는 것이 발표되었다. 아이오딘의 결정은 검푸른 검은 광택이 나고 비교적 쉽게 승화하는 편이며 자극적인 냄새가 나는 독특한 분홍빛~보랏빛 연기가 난다.
보통 사용되는 '요오드'(Jod)라는 명칭은 독일식[2]이며, 과학의 대세가 독일이던 시절에 정립되었던 표현이 일본을 거쳐 전래된 한국에서는 이 명칭이 많이 통용된다.[3] 라틴어로는 '요듐'(Iodium)이고 미국식 영어 발음은 '아이어다인'이다. 대한화학회에서 개정한 '아이오딘'은 영국식 발음[4]이다.
과거에는 일본에서 한자로 옮긴 것(沃[5] (ヨウ) 素)을 그대로 읽은 '옥소'라는 명칭을 사용하기도 했다.[6] 그래서 아이오딘 화합물을 옥화칼슘 등으로 부른다.
아이오딘은 자원이 적은 일본에서 대량으로 채취 가능한 원소이며, 몇 년 전에는 일본이 아이오딘 생산량 세계 1위였다. 지금은 2위로, 1위는 칠레이다. 일본의 아이오딘의 대부분은 치바현에서 생산되며, 그래서 치바현은 아이오딘 관련 기업의 최대 거점으로서 수많은 아이오딘 관련 상품을 생산하고 있다.
2. 화학
아이오딘은 물에는 별로 녹지 않지만 아이오딘화칼륨의 수용액에는 잘 녹으며, 거기에 아이오딘을 녹인 것을 아이오딘-아이오딘화 포타슘 수용액(아이오딘액)[7]이라고 한다. 아이오딘-아이오딘화 포타슘 수용액은 평상시 대개 갈색을 띠나 녹말과 반응 시 적자색~청자색으로 색이 변하며, 아이오딘 녹말반응이라 불리는 이 반응으로 녹말의 존재를 확인할 수 있다.
녹말을 구성하는 아밀로오스 및 아밀로펙틴은 스프링 형태의 3차원 구조를 지니는데, 아이오딘-아이오딘화 포타슘 수용액 내의 아이오딘이 스프링 형태의 아밀로오스 및 아밀로펙틴 내부에 들어가 결합하면서 가시광선을 대부분 흡수하기 때문에 발생하는 현상이다. 참고로 종이에도 녹말이 첨가되므로 아이오딘과 반응한다. 이 반응을 이용해 면제 화폐용지에 인쇄된 진짜 화폐와 일반 종이에 인쇄된 위조지폐를 구분해내는 펜을 만든다.
사진의 역사에서 초창기에는 빛에 반응하는 아이오딘화은이 감광재료로 이용되기도 했다. 최초의 사진은 아이오딘화은 건판에 찍었다. 현재는 브로민화은을 쓰는 추세.
또한 아이오딘화은은 입자 크기가 구름속 수증기가 빙결해 눈이 되게 유도하는 씨앗으로 매우 적합한 크기라 제법 비싼 가격에도 불구하고 인공강우를 일으키는 빙결핵으로 널리 쓰인다.
국내에서 빨간약으로 알려진 포비돈 요오드와 옥도정기로 불리던 요오드 팅크의 주재료이다. 아이오딘은 강력한 산화력이 있어서 광범위한 세균이나 바이러스를 살균할 수 있다. 또 할로겐 램프의 재료이기도 하다. 아이오딘과 텅스텐이 낮은 온도에서는 결합하고 높은온도에서는 분해되기 때문에, 필라멘트가 더 높은 온도에서도 견딜 수 있다.
아이오딘화 칼륨은 과산화수소가 물과 산소로 분해하는걸 도와주는 촉매 역할을 한다. 촉매 반응을 시연하는데 적합한 물질이어서 과학 실험에서 자주 사용한다.
아이오딘 기체는 분광 관측에서 시선속도의 정밀한 측정을 위한 가스셀에 쓰인다. 천체의 빛이 아이오딘 기체를 통과한 뒤 분광기로 들어가도록 해서, 분광 데이터에 아이오딘 흡수선이 함께 나타나도록 한 뒤 아이오딘 흡수선을 눈금삼아 시선속도를 정밀하게 측정한다.[8] 이 방식이 개발된 덕분에 외계행성의 발견이 비로소 가능해졌다.
3. 생체 이용
아이오딘은 인체에 필요한 미량원소 중 가장 원자번호가 높은 원소[9]이다. 또한 신체내의 물질대사를 촉진하는 티록신의 합성에도 이용된다. 티록신은 포도당의 분해를 촉진하고 체온을 높이며, 유아의 신경세포 분화와 성숙에 관여하며 성장에도 관여하는 등 중요한 호르몬이다. 알프스, 히말라야 등의 내륙 산간지방에서는 아이오딘의 섭취가 부족해서 성장이 저해되거나 크레틴 병에 걸리며, 티록신이 분비되지 않으니 티록신의 분비를 촉진하는 호르몬이 계속해서 분비되어 갑상선을 자극하므로 갑상선에 심한 부종이 나타기도 한다. 반대로 갑상선을 자극하는 자가면역 항체로 인해서 티록신이 과량분비되면 안구의 돌출[10], 체중감소 등을 주요 증세로 하는 바제도병(그레이브스 병)이 발생한다.[11] 바제도병을 치료하기 위해 방사능 아이오딘을 내복하게 하며, 심한 경우에는 갑상선의 일부를 절제하는데, 젊은 여성들에게는 불임의 위험이 있어 방사능 요법을 적용하지 않는다.
해산물을 먹을 기회가 많지 않은 내륙지방 사람들은 아이오딘 부족이 오기 쉬운데, 이러면 아이들의 두뇌발달과 지능발달을 저해한다. 이를 '크레틴 병'(cretinism)이라고 부른다. 임산부의 아이오딘 섭취가 부족할 경우 태아에게 선천적으로 발병하는 경우가 많다고 한다. 전세계 인구의 예방가능한 지적 장애 발생의 가장 큰 원인이 바로 아이오딘 부족 때문이라고 한다. 그렇지만 생체에 필요량은 극미량에 불과하므로, 바다가 없는 내륙지방이나 해산물, 특히 해조류를 잘 먹지 않는 유럽권에서는 이런 지적 장애를 예방하기 위해 시중에서 판매하는 식용 소금에 아이오딘을 의무적으로 미량 섞어서 팔고 있다.[12] 아프리카 등지에서도 이런 지능발달장애를 예방하기 위해 아이오딘 함유 소금을 보급하고 있다. 그래도 세계 인구의 1/3은 아이오딘 부족으로 영향을 받고 있다.
하지만 대기업에서 소금을 생산하는 선진국에 비해 가내수공업, 영세업자들이 소금을 생산하는 개발도상국에서는 민감한 문제가 되기에 강제할 수도 없는 것이 문제. 영세업자가 소금에 아이오딘을 첨가할 수 있는 기술이 있을리가 있나. 이런 곳에서는 바로 대기업이나 국영기업이 소금산업을 장악하려 한다는 음모론이 떠돈다. 특히 인도는 국부이자 성인으로 추앙받는 '''간디'''의 뜻에 어긋났기 때문에 더욱 민감하다. 간디가 수행한 독립 운동 중 상징성이 큰 부분이 바로 영국의 소금세 제정에 반대하며 직접 바다까지 걸어가서 소금을 스스로 만든 운동이기 때문이다. 결국 아이오딘 무첨가 소금에 대한 금지가 해제되고 말았다.
한국이나 일본에서는 이미 해조류를 일상적으로 먹는 데다가 천일염에도 풍부하기 때문에, 굳이 아이오딘 첨가 소금을 먹지 않아도 된다. 김이나 미역 등 해조류나 어패류는 아이오딘이 매우 풍부한 대표적 음식으로 해조류를 자주 먹는 한국인들은 아이오딘 부족을 걱정할 필요없다. 한국과 미국에서 팔리는 종합비타민제는 아이오딘 함량이 다른데 이런 식생활 차이 때문이다. 방사능 물질에 노출되지도 않았는데 아이오딘을 과잉섭취하면 다른 병에 걸릴 수 있으므로 적당량 섭취하는 것이 좋다. 특히 갑상선 기능에 영향을 주는데, 갑상선에 문제가 있다면 병원에서 해조류 섭취량을 줄이라고 권장을 해줄 정도니 과다섭취 하지 않도록 주의할 필요가 있다.
4. 방사능 동위원소
아이오딘은 37종의 동위원소를 가지며, 그중 아이오딘-127만이 안정하다. 아이오딘의 동위원소는 세슘의 동위원소와 함께 우리 나라 식품 안전의 방사능 지표 물질로 취급된다. 아이오딘의 동위원소 중 하나인 아이오딘-131은 반감기가 8일이며 위험한 방사능 물질이다. 364keV의 감마선과 최대에너지가 약 0.66MeV의 베타선을 방출하며, 아이오딘의 동위원소 중 가장 강력한 방사성 물질이다.
방사능 유출 사고가 나서 아이오딘-131이 인체로 들어오면 목에 있는 갑상선에 주로 모이게 되고, 이후 붕괴하며 내보낸 방사선에 갑상선이 집중 피폭되면서 갑상선 암을 일으킨다. 반감기가 짧은만큼 단위시간당 방사선량도 크다. 방사선 유출사고로 인한 대표적인 피해가 바로 갑상선 암과 백혈병의 발생 증가이다.
이걸 막기 위해 체르노빌 원자력 발전소에서 복구작업에 동원된 인부들에게는 아이오딘이 함유된 보드카가 지급된 적이 있다. 무해한 아이오딘이 먼저 갑상선에 들어가 자리를 채우면, 아이오딘-131이 들어갈 자리가 없어서 체내에 축적되지 않기 때문. 현재로서는 방사능 피해를 막을 수 있는 가장 확실한 요법이지만, 아이오딘 이외의 다른 방사능 물질에는 무용지물이라는 단점이 있다. 하지만 아이오딘은 체내에 축적되는 가장 대표적인 방사능 물질이기 때문에 실제로는 꽤나 효과적인 처치.[13]
후쿠시마 원자력 발전소 사고로 방사능 물질이 누출되자, 일본 정부에서 피난한 인근 주민들에게 배포한 약도 아이오딘 계열. 3월 16일 오전 1시 기준으로 복용지시는 내려지지 않은 상태이다. 한국에서도 아이오딘에 대한 관심이 늘고 있다. 한국도 아이오딘 계열 약을 보유하고 있지만, 비상용이기 때문에 시중에서 구할 수는 없다. 김, 굴, 미역, 다시마 같은 아이오딘이 많이 들어간 해조류의 소비가 늘어나고 있다고 한다.
학계에서도 화제가 되는 물질로, 고정화[14]가 잘 안되기로 둘째가라면 서러워하는 물질이다. 세슘 등의 양이온 류의 방사능물질 고체화는 이미 연구가 많이 진행되었지만 이쪽은 여전히 여러모로 어려운 부분이 존재해 현존하는 기술들에 한계점이 명확하다.
5. 승화?
한국 교과서는 물론 해외의 교과서들 대다수가 아이오딘이 승화하는 물질이라고 적어놓은 경우가 많다. 그런데 아이오딘은 상온이나 낮은 온도에서는 승화하지만 급격히 온도를 높이면 '''액화'''한다.
액체 상태의 아이오딘을 볼 수 있다.
아이오딘이 액화하는 이유
6. 여담
[1] 그렇지만 전자를 잃기 쉬운 약한녀석을 만나면 100% 돌변해서 강약약강을 실천한다. 예를 들어 아이오딘보다 전기음성도가 낮은 나트륨과 만나면 나트륨은 순식간에 전자를 잃어 나트륨 표면에 양전하로 충전되어 반발로 인한 쿨롱 폭발이 일어날 수 있다. 관련영상[2] 정확히는 유럽 대륙식이다. 현대 독일어에서는 J가 아닌 I를 써서 Iod가 일반적. 아주 옛날 책들을 보면 원소 기호는 J였다.[3] 해당 표기는 일본어 장음부호의 영향도 있지만, 국립국어원에서도 원칙을 그대로 적용할 경우 영어 yacht와 혼동될 수 있다고 보아 오랫동안 예외로 인정했었다.[4] 대한민국에서는 공교육과 사교육을 막론하고 영어 교육이 미국식 영어 위주로 이루어져서 (colour 대신 color라고 가르치는 등) 잘 못 느낄 수도 있겠지만, 국립국어원에서 정한 영어의 한글 표기법은 영국식 영어 발음을 따른다. 이는 통용 표기도 마찬가지. 당장 -er, -or 등으로 끝나는 영어 단어를 한글로 적는다고 생각해보자. 대부분 '어'로 적지 '어르'나 '얼'로 적지는 않을 것이다. 미국과는 달리 영국에서는 종성 r을 따로 발음하지 않기 때문.[5] 원래 기름질, 물댈 옥 자이다. 옥저의 옥도 이 옥 자를 쓴다.[6] 일본에서는 沃자가 상용한자에 포함되지 않아 가타카나로 ヨウ素라고 한다.[7] 흔히 말하는 포비돈[8] 초기에는 플루오린화 수소를 썼으나 온갖 단점이 있어서 얼마 안 가 아이오딘으로 대체되었다. 플루오린화 수소를 쓰면 선명한 흡수선을 만들기 위해 1m짜리 유리관을 써야 하는데다(아이오딘은 10cm면 충분함), 유리를 녹이는 성질 때문에 사용 전에 채웠다가 사용 후 빼내야 하고, 흡수선의 수가 적어 사용할 수 있는 파장대가 제한적일 뿐 아니라 무엇보다 안전사고의 위험이 매우 높기 때문이다.[9] 포타슘과 동일한 작용을 하는 세슘이 아이오딘보다 원자번호가 높기는 하지만, 무기염류로 분류되지는 않는다. [10] 안구의 뒤쪽에 있는 섬유모세포들이 갑상선자극호르몬(TSH) 수용체(TSH-Receptor)를 발현하기 때문에, 갑상선처럼 자극을 받고 림프구들이 모이면서 안구 뒤쪽의 섬유조직이 물리적으로 팽창, 안구가 돌출되게 된다.[11] 성우인 미야무라 유코가 앓는 병인데, 여자들에게 더 많다고 한다.[12] 내륙 지방은 대체로 암염에서 소금을 구하는데, 여기에는 당연히 아이오딘이 없다.[13] 단, 이러한 아이오딘-131을 이용하여 역관광을 선사할 수 있다. 방사성요오드-아이오딘- 치료법이라고 하는 건데, 갑상선암 환자의 수술 후에 일정량의 아이오딘-131을 투여하면 같은 이유로 갑상선에 모이고, 암세포는 주변 세포보다 활성화되어 있다는 특성상 방사성 아이오딘이 더 집중되므로, 이런 기작을 이용하여 남은 갑상선암세포를 제거하여 암으로 인한 다른 장애가 발생하지 않게 할 수 있다.[14] 고체화, 방사능 물질이 물에 녹아있다던가 기체로 떠돌면 처리하기가 곤란하므로 고체에 고정시켜 처리가 쉽게 만드는 기술[15] 파릇파릇 갓스물은 '아이오딘', 30대 아재와 20대 중반 형님은 '요오드'.