브로민

브로민(Br₂) 액체

브로민 샘플. 브로민은 실온에서 적갈색의 액체로 존재한다. <출처: (CC)Alchemist-hp at Wikipedia.org>

브로민의 바닥 상태 전자배치. <출처: (CC)Pumbaa at Wikipedia.org>

브로민(Bromine) 또는 브롬(Brom)은 할로젠에 속하는 화학 원소로 원소 기호는 Br(Bromium, 브로미움), 원자 번호는 35이다. 독한 냄새가 난다하여 취소(臭素,슈소)라고도 한다. 실온에서 적갈색의 휘발성 액체로, 반응성은 염소와 아이오딘의 중간 정도이다. 부식성이 매우 강하여 액체 상태의 브로민은 신체 조직을 상하게 하며, 증기는 눈과 목을 자극하여 매우 해롭다. 자연에서는 순수한 형태로 발견되지 않고 주로 수용성의 브로민화 염 형태로 존재한다.

지각 속에서는 비교적 희귀한 원소이나, 브로민 화합물 대부분이 물에 잘 녹으므로 해수에 다량 포함되어 있으며, 대부분 염호에서 생산된다. 주 생산국은 미국, 이스라엘, 중국 등이며, 전체 생산량은 지각 속에서 훨씬 더 풍부한 원소인 마그네슘과 비슷하다.

유기 브로민 화합물은 고온에서 쉽게 브로민 원자를 내놓으며, 이는 라디칼의 화학적인 연쇄 반응을 막는 효과가 있다. 이러한 특성을 이용하여 방염에 사용할 수 있다. 하지만 태양광에 노출되기만 해도 같은 반응이 일어날 수 있고 오존층 파괴에 영향을 미칠 수도 있으므로 과거에 유기 브로민 화합물을 사용하던 살충제 등은 대부분이 금지되어 있다. 그러나 현재까지도 브로민 화합물은 사진의 필름 및 다른 유기 화합물의 제조 등에 사용된다.

오랫동안 포유류 내에서 생물학적 역할이 없는 것으로 알려져 있었으나 최근 연구에 따르면 조직 세포의 성장에 필수적이며 일부 항균 효소에서 사용된다. 유기 브로민 화합물은 주로 해조류가 효소를 통해 생성하며, 브로민을 최초로 발견할 때에도 이들을 통해 발견하였다. 또, 브로민 증기는 남성의 불임을 일으킨다는 속설이 있으나 성기능에 미치는 영향은 아직 확실하지 않다.

개요

브로민(Bromine) 은 원자번호 35번의 원소로, 원소기호는 Br이다. 주기율표에서 플루오린(F), 염소(Cl), 아이오딘(I), 아스타틴(At)과 함께 17족(7A족)인 할로겐 족에 속한다. 원소 상태에서는 이원자 분자인 Br₂로 존재하며, 상온에서 액체(녹는점 -7.25℃, 끓는점 58.8℃)로 존재하는 유일한 비금속 원소이다. 상온에서 액체로 존재하는 원소는 금속인 수은(Hg)과 비금속인 브로민 뿐이다. 브로민은 적갈색을 띠며 부식성, 독성, 휘발성이 크고 증기는 강한 자극적인 냄새가 난다. 염소와 아이오딘의 중간 성질을 띠며, 상온에서 기체인 플루오린(F₂)이나 염소(Cl₂)보다는 반응성이 적고 취급하기가 쉬우며, 아이오딘(I₂)보다는 값이 싸다. 대부분의 금속과 잘 반응하며, 비교적 반응성이 없는 백금(Pt)이나 팔라듐(Pd)과도 반응한다. 물에 비교적 잘 녹으며(물 100g 당 3.5g), 여러 유기용매에도 잘 녹는다.

천연 상태에서 브로민은 화합물로만 존재한다. 지각에서는 거의 브로민화물(bromide, Br⁻의 염)로 존재하며, 존재비는 1.6~2.4ppm (1.6~2.4x10⁻⁴%)로 원소 중 대략 61번째로 풍부한 비교적 희귀한 원소이다. 바닷물에는 65ppm(6.5x10⁻³%)의 Br⁻가 들어있는데, 무게 비로는 염소 이온(Cl⁻)의 약 1/300이다. 소금 호수와 염정(鹽井)에는 Br⁻가 보다 높은 농도로 들어있는데, 이스라엘과 요르단의 경계에 있는 사해(dead sea)에는 5000~6000ppm(0.5~0.6%), 미국 염정(鹽井)에는 4000~5000ppm(0.4~0.5%), 중국 지하 염수(鹽水)에는 200~300 ppm(0.02~0.03%)의 Br⁻가 들어 있다. Br₂는 이들에 들어있는 Br-를 염소(Cl₂)로 산화시켜 얻는다. 2010년도 기준 연간 전 세계 Br₂ 생산량은 대략 60만 톤이다.

지금은 생산된 브로민의 약 반이 난연제를 제조하는 데 사용된다. 난연제는 섬유나 플라스틱 제품이 불에 잘 타지 않도록 하는 데 사용되는 물질이다. 그리고 브로민의 약 20%는 CaBr₂등의 브로민화 염 형태로 석유 시추공에 첨가되어 시추의 효율을 높이는데 사용되며, 나머지는 살충∙살균제, 염료, 물 소독제 등의 원료 물질로 사용된다. 브로민화 은(AgBr)은 사진 필름에 감광제로 사용되었으나, 디지털 사진술의 발달로사용되는 양이 크게 줄어들었다. 과거에는 디브로민화 에틸렌이 유연 휘발유 첨가제로 많이 사용되었으나, 이제는 납 오염 문제로 유연 휘발유가 거의 사용되지 않아 이 또한 거의 사용되지 않는다. 또한 브로모메테인(CH3Br)과 같은 휘발성 유기-브로민 화합물이 곡물의 훈증 소독제, 범용 농약 등으로 많이 사용되었으나, 이들이 오존층을 파괴한다는 사실이 발견되어 1987년에 채택된 몬트리올 의정서에서는 이의 생산과 사용을 중단하도록 했다.

원소 상태 브로민(Br₂)은 아주 유독하고 피부에 닿으면 심한 염증을 일으킨다. 또 Br₂증기는 점막을 자극하고 1 ppm 이상의 농도에서는 기관지와 폐를 손상시킬 수 있다. 포유동물에서 브로민의 필수적인 생물학적 역할은 알려지지 않았으나, 일부 해양 생물은 유기-브로민 화합물을 필요로 하고, 이를 Br-에서 생성하는 것으로 보고되었다. Br- 이온은 중추 신경계에 진정 작용을 보여 한때는 진정제로 브로민화 염들이 주로 쓰였다.

특성

순수한 브로민은 이원자 분자 형태(Br₂)로 존재한다. 브로민 분자는 밀도가 높고 약간 투명한 적갈색의 액체로 표준 온도 압력에서 쉽게 증발하여 염소와 비슷한 불쾌한 냄새가 나는 주황색 기체가 된다. 한편, 실온에서 액체 상태로 존재하는 원소는 수은과 브로민이 유일하다.

55GPa(약 54만 기압) 이상의 압력을 가하면 금속성이 되며, 75GPa(약 74만 기압)의 압력을 가하면 면심 사방정계 구조를 갖는다. 100GPa의 압력을 가하면 단원자 분자 형태로 분해되어 체심 사방정계 구조를 가진다.

한편, 브로민의 반응성은 염소와 아이오딘의 중간 정도로, 대부분의 금속 원소와 반응하여 브로민화 염을 만든다. 대부분의 유기 화합물과도 잘 반응하며 이원자 분자 형태에서 라디칼로 분해되기 쉬운 조건에서 특히 잘 반응한다. 표백 작용 또한 뛰어나다. 물에는 소량 용해되며, 이황화 탄소, 사염화 탄소, 아세트산 등의 용매에는 잘 녹는다. -1에서 +7까지의 산화수를 가질 수 있으나 산화 상태가 –1인 것이 가장 흔하며 이는 다른 할로젠 원소들과 마찬가지로 무색이고 물에 잘 용해된다. 또한, 브로민은 대부분의 금속 원소와 아이오딘을 산화시키는 산화제이기도 하다.

앙금 생성 반응을 통해 산출되는 브로민화 은은 연노란색이므로 브로민 이온 (Br^-)을 검출할 때 이러한 앙금이 유용하다.

유기 화학에서는 다른 할로젠 원소들과 마찬가지로 탄화수소의 수소를 대체할 수 있다(치환 반응). 일반적으로 반응하는 탄화수소가 무색이면 치환된 탄화수소 또한 무색을 띠며 치환된 물질은 밀도와 녹는점이 증가한다. 또, 유기 브로민 화합물은 고온이거나 태양광이 있을 때 쉽게 브로민 원자를 내놓아 라디칼의 화학적 연쇄 반응을 막는 효과가 있으므로 방염 물질로 사용하기도 한다. 브로민수는 알켄, 페놀, 아닐린 등의 물질과 반응하면 적갈색의 브로민수가 무색이 되는 탈색 반응을 일으키므로 그러한 물질의 존재 여부를 판단하는 시약으로 사용된다.

순수한 브로민은 독성이 강하며 화상을 입힐 수 있다. 또, 강력한 산화제이기 때문에 대부분의 유기 화합물과 무기 화합물을 산화시킨다. 따라서 브로민을 운송할 때는 강철로 만든 튼튼한 용기에 담아서 조심스럽게 취급해야 한다. 브로민 증기를 흡입하면 눈, 코, 점막 등에 손상을 줄 수 있으며, 만약 노출되었다면 즉시 맑은 공기를 마셔야 한다. 브로민 증기를 많이 들이마실 경우, 눈, 코, 기도, 폐에 손상을 줄 수 있으며, 피부에 얼룩이 생기고 호흡기와 중추 신경계에 악영향을 줄 수 있으므로 주의가 필요하다. 남성의 불임을 일으킨다는 속설이 있으나 성기능에 미치는 영향은 아직 확실하지 않다.

동위 원소

브로민은 ⁷⁹Br(50.69%)과 ⁸¹Br(49.31%) 두 종류의 안정 동위 원소가 존재한다. 이외에 원자량 67에서 98 사이에 23종류의 방사성 동위 원소가 알려져 있으며, 대부분은 방사성 붕괴의 결과물이다. 원자량이 큰 브로민 동위 원소는 중성자 방출을 늦추는 효과가 있어 노심의 제어에 사용된다. 모두 반감기가 비교적 짧은 편이며, 가장 반감기가 긴 것은 ⁷⁷Br로 반감기가 2.376일이다. ⁶⁷Br은 반감기가 알려져 있지 않다. 또, 브로민은 준안정한 이성질핵들이 존재한다. 대표적인 이성질핵인 ^79mBr은 4.86초의 반감기를 거쳐 바닥 상태인 ⁷⁹Br로 붕괴한다.

역사

브로민은 1825년과 1826년, 뢰비히(Carl Jacob Lowig)와 발라르(Antoine Jerome Balard)가 각각 발견하였다.

발라르는 1826년 몽펠리에의 염생습지에서 얻은 해초를 이용하여 브로민 화합물을 발견하였다. 당시 해초는 아이오딘 생산에 사용되었는데 여기에는 브로민도 포함되어 있었다. 발라르는 해초를 염소에 반응시킨 후 어떤 물질을 분리하였으며 이렇게 얻은 원소는 염소와 아이오딘의 중간 성질을 가졌다. 발라르는 이 물질이 일염화 아이오딘(ICl)임을 밝히려고 노력했지만 곧 이것이 새 원소임을 알아내고 라틴어 muria(소금물이라는 뜻)에서 이름을 따 무라이드(muride)라는 이름을 붙였다.

뢰비히는 1825년 그의 고향 바트크로이츠나흐(Bad Kreuznach) 지역에 있는 광천수에서 브로민을 발견하였다. 그는 이 물을 염소와 반응시킨 후, 다이에틸 에터와 브로민을 함께 분리하였다. 여기서 다이에틸 에터를 증발시키자 적갈색의 액체가 남았다. 그러나 그의 연구 결과 출판이 늦어져서 발라르가 먼저 그 결과를 세상에 알렸다.

이후 발라르는 연구 결과를 발표하면서 무라이드 대신 '악취'를 뜻하는 브롬(βρωμος,브로모스)이라는 이름을 사용하였다.

한편, 브로민이 실용적인 용도로 사용되기 시작한 분야는 사진이었다. 1840년에 기존에 쓰던 아이오딘화 은보다 브로민화 은이 사진에 더 적합하다는 것이 알려졌다. 19세기 말에서 20세기 초에는 브로민화 칼륨(KBr)과 브로민화 나트륨(NaBr)이 항경련제와 진정제로 쓰이다가 대부분 다른 물질로 대체되었다. 제1차 세계대전 초기인 1915년 1월에는 독일군이 러시아군에게 브로민화 자일렌이라는 독성가스를 '백십자(Weisskreuz, 바이스크로이츠)'라는 이름으로 대량 사용하였으나, 전투 당시 기온이 낮아 모두 얼어버리는 일이 발생하기도 하였다.

존재

브로민은 자연에서 이원자 분자 형태(Br₂)나 유기 브로민 화합물로는 거의 존재하지 않고 지각의 암석 속에 브로민화 염 형태로 널리 존재한다. 바다로 흘러드는 물이 이러한 화합물을 끊임없이 운반하기 때문에 해수 속에는 약 65ppm 정도의 브로민이 용해되어 있다. 지각 속에는 약 0.4ppm 정도의 농도로 들어 있으며, 62번째로 많은 원소이다. 토양에는 지역에 따라 5~40ppm까지 다양하지만 일부 화산 지역에서는 500ppm가량 함유되어 있기도 하다. 대기 중에는 극미량 들어있다.

주 생산 지역은 미국의 아칸소주, 중국의 산둥성, 이스라엘과 요르단에 걸쳐 있는 사해 등이다.

생산

브로민은 Br⁻가 비교적 많이 들어있는 소금 호수 물이나 지하 염수에서 생산된다. 예로, 사해에는 5000~6000ppm(0.5~0.6%), 미국 염정(鹽井)에는 4000~5000ppm(0.4~0.5%), 중국 지하 염수(鹽水)에는 200~300ppm(0.02~0.03%)의 Br-가 포함되어 있어 이들이 주로 이용된다. 바닷물에도 65ppm(0.0065%)의 Br⁻ 가 들어있으나, 여기서 경제적으로 Br₂을 생산하기에는 농도가 너무 낮다. 그러나 바닷물에서 얻은 간수 또는 암염에서 식염을 추출하고 남은 모액은 Br₂ 생산에 사용되기도 한다. 이들 Br⁻ 수용액에 염소(Cl₂)를 가하여 Br⁻를 Br₂로 산화시킨 후 공기를 불어넣어 Br₂를 회수하고 이를 응축시켜 Br₂를 얻는다.

소량의 Br₂를 실험실에서 직접 만들고자 할 때는, 브로민화소듐(NaBr) 같은 브로민화 염을 산성 용액에서 과망가니즈산 염(MnO₄ ⁻ 염) 또는 브로민산 염(BrO₃⁻ 염) 등으로 산화시켜 얻는다.

6 Br⁻ + 2 MnO₄⁻ + 8 H⁺ → 3 Br₂ + 2 MnO₂+ 4H₂O

5 Br⁻ + BrO₃ ⁻ + 6 H⁺ → 3 Br₂ + 3 H₂O

미국 지질조사국 자료에 따르면, 2010년에 미국을 제외한 나라의 Br₂ 생산량은 38만 톤으로, 중국 14만 톤, 이스라엘 13만 톤, 요르단 8만 톤, 일본 2만 톤 등이다. 미국이 2007년에 22.6만 톤을 생산한 것을 감안하면, 2010년의 전세계 브로민 생산량은 대략 60만 톤(2007년은 55.6만 톤)으로 추정되는데, 이 양은 Cl₂ 생산량의 1% 정도이다. 브로민의 생산량과 가격은 꾸준히 올라가고 있는데, 2009년에는 톤당 1,800$ 이었으나, 2011년에는 4,700$까지 상승하기도 하였다. 사해 염수와 바닷물에 각각 10억 톤과 100조 톤의 브로민이 들어있는 것으로 추정되므로, 전 세계 브로민 자원은 거의 무한하다고 보아도 무방하다.

용도

보로민의 주된 용도는 시대에 따라 크게 변하였다. 1960년대 이전에는 생산된 Br₂의 거의 대부분이 디브로민화 에틸렌(ethylene dibromide: CH₂BrCH₂Br) 생산에 사용되었고, 일부는 사진 필름의 감광제인 AgBr 제조에 사용되었다. 1920년대에 가솔린 내연기관 연료에 사에틸 납(tetraethyl lead, Pb(C₂H₅)₄)을 첨가하면 노킹(엔진 내의 비정상 연소로 망치 두드리는 것과 같은 소리가 나는 것) 현상이 크게 줄어드는 것이 발견되었는데, 사에틸 납의 분해에서 생성된 납이 엔진 내부에 축적되는 것을 방지하기 위해 휘발유에 디브로민화 에틸렌을 첨가하였다. 그러나 유연 휘발유 사용에 따른 납의 환경 오염 때문에 이의 사용이 규제되면서 자연히 디브로민화 에틸렌의 생산과 사용도 급격하게 줄게 되었다. 대신에 브로모메테인(bromomethane, CH₃Br, 끓는점 3℃: methyl bromide로도 불림)에서 탁월한 살선충(지렁이 등의 선충을 죽이는 것) 성질과 제초∙살균∙살충 성질 등 범용 농약으로의 좋은 특성이 발견되고, 이외 여러 유기-브로민 화합물들에서도 비슷한 좋은 농약 특성이 발견되어 이들을 농약으로 많이 사용하게 되었다. CH₃Br은 또한 불을 끄는 소화제, 유기 합성에서의 메틸화 시약, 용매 등으로도 널리 사용되었다. 그러나 CH₃Br을 비롯한 휘발성 유기-브로민 화합물들이 프레온 등의 플루오린 화합물들과 마찬가지로, 오존층을 파괴시킨다는 사실이발견됨으로써 1987년에 채택된 몬트리올의정서에서 생산 및 사용 금지 대상 화합물이 되었고 따라서 1990년대부터 이의 사용이 급격히 줄게 되었다.

지금은 Br₂의 약 50%가 난연제 제조에 사용된다. 난연제는 섬유 및 플라스틱 제품이 불에 잘 타지 않도록 함으로써 화재를 예방하고 화재에 따른 피해를 줄이는 물질이다. 고온에서 유기-브로민 화합물들은 쉽게 분해되어 Br 원자를 생성하는데, 이 Br 원자가 연소에 필요한 자유라디칼(free radical) 연쇄 반응을 종결시키는 역할을 하는 것이 유기-브로민 화합물들이 난연제가 되는 이유이다. 유기-브로민 화합물들은 빛에 의해서도 Br 원자를 생성하는데, 이것이 오존층 파괴의 원인이 되기도 한다. 난연 제품은 난연제 용액으로 처리하여 얻거나 중합 과정에서 브로민 화합물을 첨가하여 얻는다. 한때는 트리스(2,3-디브로모프로필) 포스페이트(tris(2,3-dibromopropyl)phosphate; (Br₂C₃H₅O)₃PO)가 이 목적으로 많이 사용되었으나, 이의 발암성이 알려지면서 이제는 거의 사용되지 않고 다른 브로민 화합물들이 사용된다. 플라스틱 제품에 많이 첨가되는 난연제는 테트라브로모비스페놀 A(tetrabromobisphenol A)인데, 주로 인쇄 회로 기판(printed circuit board: PCB)에 사용되는 에폭시 수지에 첨가되며, TV 등의 틀에 사용되는 ABS(acrylonitrile butadiene styrene) 수지에도 첨가된다.

브로민의 약 20%는 CaBr₂, NaBr, ZnBr₂ 형태로 석유 시추액에 첨가된다. 이들 화합물의 수용액은 밀도가 높아 시추의 효율을 높인다. 또한 일부 수소가 브로민으로 치환된 식물성 기름은 감귤 향 음료에 유화제로 사용되는데, 미국과 영국은 1970년 중반에 이의 사용을 제한하였으나 일부 제품에서는 여전히 사용된다. 한편 여러 가지 브로민 유기 화합물들이 농약, 염료, 물 소독제 등으로 사용된다. 이중 특히 트랄로메스린(tralomethrin)이 물, 농토, 농작물 등의 살충 및 소독제로 많이 사용되나, 독성 때문에 유해물질 감시 대상이 되어 있다. 수영장이나 온천장 물을 살균하는데, 염소 대신 브로민이 사용되기도 한다. KBr을 비롯한 브로민화 염들은 진정제로 오랫동안 사용되어 왔으며, 일부 나라에서는 지금도 사용한다.

참고자료

• 〈브로민〉, 《나무위키》
• 〈브로민〉, 《위키백과》
• 〈브로민〉, 《화학백과》
• 〈브로민(브롬, Br)〉, 《화학원소》

같이 보기

• 주기율표
• 할로젠 원소
• 염소
• 아이오딘
• 염호
• 해수

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