칼륨
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1. 개요
4주기 1족 알칼리 금속이며, 원소 기호는 K이다. 불꽃 산화 반응 스펙트럼 색은 보라색이다.
라틴어 : '''K'''alium
영어 : Potassium
2. 명칭
나트륨과 함께 대학교 들어가면 이름이 바뀌는 원소. 현재 고2~3이 쓰는 화학 교과서는 칼륨/포타슘이 혼용되었던 2009년에 개정된 거라 칼륨으로 적혀있는 경우가 많지만,[3] 보통 대학에 들어가면 가장 먼저 공부하게 되는 일반화학 교과서엔 칼륨 대신 대부분 영문명 기준을 따라 포타슘으로 적혀있다. 또한 교수들의 절대 다수가 미국 대학 출신이기 때문에 포타슘이라고 부른다. 다만 연세가 지긋하신 분들 중 독일 쪽에서 유학하신 분들은 칼륨으로 부르는 경우도 있다. 이에 대해 대한 화학회는 2008년 개정에서는 독일어인 칼륨을 공식 명칭으로 하고 포타슘도 혼용 가능하다고 하였으나 2014년에 '포타슘' 단독 표기로 변경했다. 화학 분야로 한정하면 칼륨이라고 하면 잘못된 표기가 된다. (Na도 소듐 단독 표기로 변경함.) 다만, 화학을 벗어나 물리학, 약학, 생물학, 식품학, 농업[4] 등으로 넘어가면 칼륨이 여전히 맞는 표기이고 널리 쓰인다.
표준국어대사전에는 칼륨, 칼리, 포타슘, 가리(加里)가 제시되어 있으며 모두 표준어이다. 다만 기준은 칼륨이며 칼리, 포타슘은 칼륨과 동의어라고만 되어 있고[5] 가리는 칼리의 음역어로서 제시하고 있다.
potassium의 미국식 영어 발음은 '퍼태시엄 [pəˈtæsiəm]'에 가깝다.
칼륨을 처음 규명한 사람은 영국인인 험프리 데이비 경(Sir Humphry Davy, 1778-1829)으로, 자신이 개발한 전기 분해법을 써서 식물의 타고 남은 재를 정제한 탄산 칼륨염 혼합물에서 칼륨을 발견하였다. 이 혼합물을 가리켜 영어로 포타시(potash[6])라고 하기 때문에, 험프리 데이비는 자국어인 영어에 기반하여 새로운 원소의 이름을 포타슘(potassium)이라고 명명하고 이걸 학회에 보고하였으나, 당시 학계를 지배하던 독일쪽에서 "감히 신성한 원소 이름에 천박한 영어 어휘를 쓰다니!"(…)라고 기각당하여 결국 라틴어 계열 이름인 칼륨(Kalium)으로 개명당해야 했다. Kalium 역시 아랍어로 재를 뜻하는 al-qaliy[7]라는 단어에서 유래되었다.[8]
국가별로 구분해 보면 재미있는데, 유럽권에서는 '''라틴어의 직계 후손이라 할 수 있는 로망스어군 언어를 쓰는 나라들이 영어식 명칭과 비슷하게 쓰고 있다.'''[9] 그리고 '''영국을 제외한 게르만족 국가들은 독일에서부터 아이슬란드[10]까지 죄다 칼륨, 나트륨'''이다. 슬라브권도 대부분 나트리, 칼리라고 쓴다.
의대나 공대, 자과대 등 대부분의 자연계 학과에서는 대부분 소듐, 포타슘이라고 부른다.[11] 그러나 과학 분야가 아닌 일상에서 칼륨을 갑자기 생판 다른 이름인 포타슘으로 바꾸면 혼란이 크므로 국립국어원 기준 표준어는 칼륨으로 되어 있다.
원소 기호는 라틴어명인 칼륨에서 따온 K로 유지.[12]
카자흐스탄이 칼륨의 최대 생산국이라는 말이 있지만 코미디 영화 '보랏'에서 나온 드립으로 사실이 아니다. 실제로는 축에도 못 끼며 오히려 카자흐스탄은 우라늄의 최대 생산국이다(…).
3. 특성
순수한 칼륨은 금속 형태로 되어 있으며 보통 섭취되는 칼륨은 이온상태로 되어 있다. 알칼리 금속답게 금속 칼륨은 '''반응성이 매우 강해서''' 물에 닿으면 연기를 내며 보랏빛, 분홍빛으로 아름답게 불타는 모습을 볼 수 있다. 새끼 손가락 손톱의 3분의 1 정도로만 물에 넣어도 굉음과 함께 엄청난 연기를 내뿜으며 반응한다. 증기로 이루어진 버섯구름을 볼 수 있다. 또한 공기 중의 산소와 반응하기도 하고 드라이 아이스 상태의 이산화탄소와 반응하기도 한다.
그런 고로 칼륨을 보관할 때는 석유나 파라핀 속에 보관한다. 하지만 칼륨은 '''너무나''' 반응성이 좋기 때문에 석유에 보관해도 약 3개월만 지나면 그 속에 녹아있는 산소와 반응해 과산화물을 만든다. 그리고 이 과산화물은 용기 뚜껑을 열 때 마찰로 인해 '''폭발할 위험이 있다'''. 그렇기 때문에 칼륨을 장기 보관 할 때는 아예 아르곤 기체에 쑤셔넣은 다음 용기를 완전 밀봉을 하는데, 유리앰풀에 넣고 앰풀 끝부분을 가열해 녹여서 막는다.
식물체 내에서 수분을 조절하는 역할을 하기 때문에 식물에는 칼륨이 적건 많건 함유되어 있다. 따라서 질소, 인(인산염)과 함께 비료의 3대 요소로 꼽힌다. 칼륨은 체내에서 염분(나트륨)과 상호 작용을 하여 균형을 이루게 되는데, 식물을 그냥 먹으면 짭짤한 것이 땡기는 이유가 바로 칼륨 때문이다.
초식동물이 소금을 매우 좋아하는 이유이기도 하다. 주식이 풀이다보니 칼륨 섭취량은 많은데 나트륨을 섭취할 기회가 없다보니 나트륨 확보에 필사적인데 이를 위해 땀, 소변, 흙도 먹으며 특히 소금만 보면 환장한다. 이를 이용해 고대 로마에서는 염소를 이용한 간지럽히기 고문도 있었다고 한다. 자세한 내용은 이 문서를 참조. 한편 대부분의 식물은 생장하는데 나트륨을 필요로 하지 않고 오히려 칼륨을 필요로 한다.
과거에는 비누나 유리를 만드는데 나무재 잿물에서 추출한 탄산칼륨이나 수산화칼륨을 썼다. 나무재 잿물에 동물의 지방을 반응시켜 만든게 비누의 기원이다. 특히 칼륨비누는 투명한 액상 비누로 샴푸 등에 많이 쓰인다. 유리를 만들 때 첨가하면 녹는 온도가 낮아져 제조가 쉬워지고 유동성이 증가해 복잡한 유리가공 등 다루기가 훨씬 쉬워진다. 굳은 후에도 유리에 탄력성이 있어 충격에도 강해져 강화유리가 된다. 흑색화약의 주성분도 초석이라고 알려진 질산칼륨이다.
산업적으로는 대부분 수산화칼륨, 탄산칼륨, 염화칼륨, 황산칼륨의 형태로 사용하는데 이런 칼륨염을 집합적으로 칼리회(potash 목탄회) 라고 부른다. 질소 인산과 함께 식물의 성장에 꼭 필요한 원소 성분이라 비료료 쓰이는데 그게 칼리비료 (염화칼륨 또는 황산칼륨)로 가장 큰 칼륨염의 소비처이다. 수산화칼륨은 가성가리라고도 불리며 가성소다라 불리는 수산화나트륨과 함께 대표적인 알칼리로 비누 제조 등 화학공업에 많이 쓰인다. 전세계적으로 화학공업에 칼륨염의 수요가 많은데 톤당 200-500달러로 변동이 심하고 요즘은 330달러 정도로 제법 비싸다.
18세기말에만 해도 칼륨염의 수요는 대부분 대규모로 나무를 벌채해 태워서 그 잿물을 정제해 소성해서 칼리회(탄산칼륨, potash)로 만들었다. 그래서 목탄회라고 부르는 것. 막 독립한 미국은 산림이 풍부해 이런 목탄 칼리회의 세계적 생산지이자 주요 수출품이었다. 미국 특허청의 제 1번 특허가 바로 이 칼리회 제조법 개선일 정도로 중요한 산업이었다. 그 특허장에 서명한 사람이 바로 유명한 조지 워싱턴 본인이다.
하지만 칼리회 생산에는 대량의 나무가 소모되어 이로 인한 대규모 산림벌채와 훼손이 문제가 되었다. 그래서 19세기에 독일에서는 칼륨염이 다량 함유된 암염광산이 발견되어 목탄회 칼륨염 생산은 퇴조하고 암염광산 채굴로 주로 생산했다. 독일은 칼륨염 생산을 거의 독점하다시피해서 1차대전 무렵에 전략물자로 수출을 통제하기도 했다. 그래서 미국은 독일산 칼륨염 산업을 대체하기 위해 유타주 등에서 대규모 암염광산을 개발했다. 하지만 광산의 깊이가 깊어 천연가스 폭발사고가 잦고 인건비가 비싸지자 현대에는 간수를 이용한 채굴로 전환한다. 간수법은 칼륨염 암염광맥에 석유시추 하듯이 파이프를 깊이 박아 우물을 파고 물을 주입해 칼륨염을 함유한 소금층을 녹이고 염이 녹은 소금물 간수(brine)를 뽑아올려 연못같은 염전에서 자연 증발시켜 칼륨염을 생산한다. 그런 간수 연못은 조류나 미생물의 번식을 억제하기 위해 황산구리 등을 첨가해 짙은청색 연못처럼 보인다. 구글 위성지도에서도 볼수 있다.
인체에도 0.2% 약 140 그램 정도 포함되어 있고 극히 일부는 방사선 칼륨이라 대표적인 인체내에 있는 방사선원소이다. 그외 바나나에도 칼륨이 풍부하고 게토레이 등의 스포츠음료에도 들어있다.
칼륨이 많이 함유된 식품으로는 다시마(100g 당 1,242mg), 시금치(100g 당 558mg), 아보카도(100g 당 485mg), 돼지감자(100g 당 429mg), 바나나(100g 당 358mg), 고구마(100g 당 337mg), 수박, 토마토, 감자 등이 대표적이다. 식물에는 칼륨이 적건 많건 거의 대부분 함유되어 있기 때문에 육식만으로 식사를 하지 않는 한 딱히 결핍이 일어나지는 않는다. 맥주 효모에도 많이 함유되어 있다.
다만 칼륨이 든 채소류는 시금치처럼 섭취를 위해 물에 데치고 헹구게 되면 칼륨이 많이 빠져 나간다. 식이조절을 위해 야채를 매우 많이 먹는 상황이거나 신장이 약하다면 데쳐서 헹궈먹는 것이 좋다.
KFC에서 닭고기 밑간을 할 때 칼륨, 소금, MSG를 1:1:2 비율로 넣는다는 말이 있었으나 , 식품 영양 성분 데이터 베이스에는 칼륨이 없다고 나와있다.
KFC 공식문서를 보면 Original Recipe® Chicken에는 Potassium이 없고, Original Recipe® Bites에만 Potassium이 포함되어 있는 것을 알 수 있다.
다만, 칼륨을 너무 많이 섭취하면 심장 마비가 올 수 있다고 한다. 심장 박동은 Na-K 펌프에 의해 신호가 조절되는데, 과량의 칼륨은 이 펌프에 작동 이상을 초래하기 때문이다. 심장 박동을 위한 안정된 활동 전위를 생성하기 위해서는 세포가 충분히 분극 상태를 유지해야 한다. 세포 외부와 내부의 칼륨 농도 차이가 충분히 크다면 막전위는 낮은 상태를 유지하지만, 만약 혈중 칼륨 농도가 지나치게 높아질 경우 막전위가 자연스럽게 탈분극된다. 이렇게 되면 세포가 과민해져서 조그마한 자극에도 빠르게 반응하며, 이는 심장에 이상을 초래하게 되는 주된 원인이 된다.
실제로도 사형 방법 중 하나인 약물주사형에 쓰는 약물이 염화칼륨이다. 안락사 전문의인 잭 케보키언은 이를 이용해 1998년 호흡마비제인 숙시닐콜린과 염화칼륨을 섞어 주입하는 타나트론이라는 안락사 기계를 개발하기도 했다. 현재도 염화칼륨은 심장 관련 수술에서도 심정지액으로 쓰이기도 하며, 동물의 안락사 주사약물에도 사용 되기도 한다.
참고로 저염 소금에 나트륨 대신 들어가는 것이 칼륨이다. 즉, 염화나트륨의 절반 정도를 염화칼륨으로 대체한 것이 저염 소금이다. 혈압을 조절해야 하는 고혈압 환자들이 염화나트륨 대신 염화칼륨을 먹는다. 단, 신장이 좋지 않은 사람에게는 치명적일 수 있다.
칼륨은 고릴라 글래스 등의 강화 유리를 만들 때 쓰이기도 한다. 유리를 칼륨염에 넣고 가열하여 유리 내의 나트륨과 이온 치환 반응을 시켜서 응력을 올려 유리의 강도와 경도를 높이는 원리이다.
칼륨은 24 종의 동위원소가 알려져 있으며, 3종이 자연적으로 산출된다. 이 중 유일한 자연 방사성 동위원소인 40 K 이 0.012%를 차지하므로 아주 희귀하지는 않은 편이다. 반감기는 엄청나게 길어서 12억 5천만년쯤 된다. 이러한 특성을 이용해 연대측정법에 사용하기도 한다. 40 K 가 분해하면서 생기는 원소가 아르곤-40( 40 Ar )이기 때문에 아르곤은 다른 비활성 기체에 비하면 상당히 흔한 원소이다.
칼륨-40은 방사선을 방출하므로 칼륨이 많이 함유된 바나나가 방사선 검출기에서 걸리기도 한다고 한다. 링크 화학적 성질은 당연히 보통 칼륨과 같으므로 사람 몸 속에도 들어있다. 사실 인체에서 가장 많은 방사성 물질이 방사성 칼륨이다. 저염 소금의 절반은 염화칼륨이므로 방사선이 조금씩 나온다. 저염 소금으로 필름을 며칠 간에 걸쳐 감광시키는 실험도 있다.
4. 관련 문서
[1] 앞 부분 'カリ'만 따서 '가리'라고도 불렀는데(예:청산가리), 노인들 중 일부는 이 '가리'에 익숙해서 '가리'라고 하지 않고 '칼륨'이라고 하면 못 알아들을 수도 있다. 그리고 농촌에서 비료성분을 읽을 때 '가리'라는 단어를 더 많이 쓴다.[2] 하지만 표준국어대사전에선 칼리의 음역어로서 加里를 제시하고 있다.[3] 단, 물리에서는 2009 개정 교육과정에서 나트륨이 소듐으로 용어가 변경되었다.[4] 비료. 이쪽은 아예 "가리"라고 부른다.[5] 다시 말하지만 비표준어라는 뜻은 아니다.[6] pot + ash 정제과정에 냄비(pot)를 이용했는데 냄비밑에 쌓인 재(ash)여서 potash라고 불렀다[7] 알칼리의 어원이기도 하다.[8] 참고로 데이비경은 칼륨과 거의 동시에 나트륨도 같이 분리하는데 성공했는데, 탄산수소화 나트륨(즉, 소다)에서 분리했다고 해서 소듐(sodium)이라 명명했으나, 이 역시 독일쪽에서 태클을 걸어 라틴어 계열인 나트륨(natrium)이라고 명명되었다. 그런데 정작 소다는 원래 미역을 뜻하는 아랍어 어휘(سُوَيْدَاء)에서 유래했다(...).[9] 프랑스어로 뽀따시옴, 이탈리아어와 스페인어로는 뽀따시오 비슷하게 발음한다. 참고로 프랑스어에서는 원소명에 붙는 -um발음을 앙이 아닌 옴으로 소리낸다.[10] 원소 명칭은 순화가 불가능하다고 생각했는지 Kalín, Natrín처럼 쓴다.[11] 농대의 경우, 이쪽은 예전 이름을 따라 칼륨을 칼리라고 부르는 경우가 있다. 칼리가 사용되는 가장 익숙한 단어가 바로 청산가리. 칼리의 일본식 발음에서 왔다.[12] 그런 사례는 주기율표에 매우 많다. 나열하자면 소듐, 철(원소), 구리(원소), 은, 주석(원소), 안티모니, 텅스텐, 금(원소), 수은, 납 등이 있다.