수은

수은

수은 준위별 전자 수(2, 8, 18, 32, 18, 2)

수은(mercury)은 원소번호 80번인 화학 원소이다. 원소 기호는 Hg이다. 수은은 무겁고 은색의 전이금속으로, 수은은 섭씨 30도 부근에서 액체 상태인 다섯 원소 중 하나이다(나머지 넷은 금속인 세슘, 프랑슘, 갈륨과 비금속인 브로민이다.). 진사에서 주로 얻을 수 있기도 하다. 수은 원자에 고속의 베릴륨 원자를 충돌시키면 양성자가 하나 날아가서 금 원자를 만들 수 있지만 1년동안 동일한 작업을 한다고 해도 단 0.18mg의 금만을 만들 수 있기 때문에 채산이 맞지 않아 사용되지 않는다.

개요

수은은 상온에서 액체인 금속으로 은백색의 금속광택이 나는 무거운 액체이다. 고체로 만들면 주석백색의 금속광택을 띠며, 전성, 연성이 크다. 즉 쉽게 늘어나고 쉽게 펴지는 성질이 있다. 수은은 철·니켈·코발트·마그네슘 등을 제외한 대부분의 금속과 합금을 만들 수 있는데 이를 아말감이라 한다. 염산에는 녹지 않지만, 질산에는 녹아 질산수은이 된다. 공기 중에서는 건조할 경우에는 안정하지만 습한 공기 중에서는 표면이 산화하여 회색 피막이 생긴다. 300℃ 이상에서 산화수은이 되고, 400℃를 넘으면 다시 분해하여 수은이 된다. 또 황과 서로 문지르면 쉽게 황화수은이 된다.

태양계의 수성과 관련 있는 수은은 실온에서 유일하게 액체 상태인 금속이다. 수은의 어는점은 -38.83oC이고 끓는점은 356.73oC로, 금속 중에서는 액체로 존재하는 온도범위가 가장 좁은 것 중의 하나이다. 밀도는 20oC에서 13.543g/cm3로, 물의 13.567배이다. 표면장력2)이 아주 크고, 쏟아지면 작은 방울들로 쉽게 나뉘어 진다. 다른 금속에 비해 열전도도와 전기전도도가 작기는 하나, 비교적 좋은 전도체이다. 건조한 공기 중에서는 비교적 안정하나, 습한 공기에서는 서서히 회색의 산화물이 표면에 생성된다. 대부분의 찬 산과는 반응하지 않으나, 일부 뜨거운 산이나 산화력이 있는 산(예로 황산, 질산, 왕수)과는 반응한다. 은과 마찬가지로, 황화수소(H2S)와 반응하며, 고체 상태의 황과도 반응한다. 금, 은, 주석 등 다른 금속과 합금(아말감, amalgam)을 잘 만드는데, 철과는 합금을 만들지 않아 수은은 흔히 철제 용기에 담아 보관되고 유통된다. 화합물에서의 산화상태는 주로 +1과 +2이다.

수은은 지각에서의 존재비가 대략 68번째인 원소로, 약 0.05ppm(5x10-6%)의 비율로 존재하는데, 이는 은 존재비의 약 절반에 해당하는 양이다. 자연에서 원소 상태로 존재하는 경우는 아주 희귀하며, 보통 화합물 상태로 발견된다. 가장 흔한 수은 광석은 보통 진한 붉은색 분말로 발견되는 진사(辰砂, cinnabar 혹은 vermilion, HgS)인데, 진사는 주사(朱砂) 또는 단사(丹砂)라고도 불린다. 또 다른 수은 광석으로는 리빙스토나이트(livingstonite, HgSb₄S₈), 코데로아이트(corderoite, Hg₃S₂Cl₂) 등이 있다. 원소 상태의 수은은 예부터 진사를 공기 중에서 가열하여 얻었다. 2012년의 전세계 생산량은 약 1600톤인데, 독성 때문에 사용이 제한되고 있어 매년 생산량이 줄고 있다.

진사와 수은은 고대 동서양 모두에서 연금술과 불로장생 약을 얻는 것과 관련되어 많은 관심을 끌었으며, 수은과 여러 수은 화합물들이 의약품으로 사용되었다. 수은은 중세부터는 금과 은의 광석에서 이들 귀금속들을 추출하기 위해 아말감을 만드는데 사용되었으며, 근세에 와서는 온도계, 압력계, 전기 스위치, 치아 충진용 아말감 등에 다양하게 사용되었다. 특히 소금물을 전기분해시켜 염소(Cl₂)와 가성소다(NaOH)를 얻는 전기화학 반응의 전극으로 사용되었으며, 증기는 수은등과 일부 네온사인에 사용되고, 형광등에도 사용된다. 여러 수은 화합물들이 화학반응에서 시약이나 촉매로 중요하게 사용되며, 수은전지가 각종 전자 제품에 널리 사용되기도 했다. 미국 환경보호국(EPA)은 수은이 약 3000여 가지의 용도로 사용된다고 추정하고 있다.

수은과 대부분의 수은 화합물들은 독성이 매우 크다. 수은은 피부와 점막으로 흡수될 수 있고, 수은 증기는 호흡을 통해 체내로 들어가는데 수은 중독을 일으킬 수 있다. 가장 독성이 큰 수은 화합물로는 다이메틸수은((CH₃)₂Hg)과 메틸수은(CH3HgX: X는 보통 Cl)이다. 이들 유기수은 화합물들은 수은이나 수은 화합물에서 여러 경로로 만들어지며, 조개와 물고기 등에 농축되고, 먹이 사슬을 통해 인체 내로 들어와 중추신경 장애와 태아 독성 등을 나타낸다. 이러한 수은 중독은 1956년에 일본의 미나마타(Minamata, 水俣)시에서 처음 발견되었으며, 이런 연유로 ‘미나마타병’으로 명명되었다. 이런 폐해 때문에 수은이 환경으로 배출되는 것을 근원적으로 규제하려는 국제간 노력이 기울어지고 있으며, 이런 노력의 일환으로 2013년 10월에는 유엔환경계획(UN Environment Program, UNEP)에 의해 수은 배출을 방지하는 '미나마타 협약'(Minamata Convention)이 채택하였다.

역사와 원소 이름

진사(HgS)를 붉은색 안료로 사용해서 그린 3만년 전의 구석기 시대 그림이 스페인과 프랑스 동굴 벽화에서 발견된 것으로 보아 인류는 수은을 아주 오래 전부터 사용해온 것으로 여겨진다. 고대 그리스에서는 수은이 들어간 물질을 연고로 사용하였으며, 이집트와 로마에서는 화장품으로 사용하였다. 고대 중국, 인도, 이집트, 그리스, 로마 문헌에서도 수은과 진사가 언급되고 있으며, 고대 그리스 철학자 태오프라스토스(Theophrastus, 372BC~287BC)는 진사가 은광에서 발견된다는 사실과 진사를 태워 수은을 만드는 방법을 기술하였다. 아리스토텔레스(Aristotle, 384BC~322BC)와 플리니(Pliny the Elder, 23~79)도 수은을 얻는 방법과 수은의 독성을 알고 있었다.

고대 중국에서는 진사로 만든 약이 도사의 비술인 불로장생 약으로 여겨지기도 하였다. 진시황제(259BC~210BC)는 이런 약을 먹어 수은 중독으로 인해 수명이 단축된 것으로 여겨지며, 진시황릉에는 수은으로 강과 바다를 나타낸 중국 지도의 모형이 있었다고 전해지고 있다. 또한 중국의 전한서(前漢書)에 따르면, 기원전 133년에 어떤 연금술사가 한 무제를 방문하여 진사로 황금을 만드는 법을 보여주겠다고 하였으며, 이렇게 만든 황금 그릇으로 액체를 마시면 영생할 수 있다고 하였다고 한다. 중국 진나라의 도교 연금술사 갈홍(葛洪, 283BC~343BC)은 진사를 가열하면 은색 수은이 된다는 것을 기록하였다. 진사는 붉은색 안료로, 그리고 수은과 금, 은의 합금은 도금재료로 사용되기도 하였다. 아랍 연금술사들은 수은을 모든 금속들을 만들기 위한 첫 번째 물질로 여기고, 수은에 첨가하는 황의 양과 성질을 바꿈으로써 다른 금속들을 만들 수 있다고 믿었다. 이에 따라 값싼 금속을 금으로 변환시키는 열쇠가 수은이라 여기고 이를 실현하기 위해 많은 노력을 하였다.

기원전 6세기경에는 수은을 금과 은 광석에서 이들 귀금속을 추출하는데 사용하였다. 즉, 이들 광석을 수은으로 처리하면 금과 은은 수은과 아말감을 만들어 수은에 녹게 되고 이 아말감을 가열하여 수은을 증발시키면 금과 은만이 남게 된다. 수은은 과학혁명기(16~18세기)에도 중요한 역할을 하였는데, 온도계와 기압계를 만드는데 사용되어 온도와 압력을 정확하게 측정할 수 있게 되었다. 또 수은은 여러 원소들의 발견·분리에도 기여하였는데, 산소는 산화수은(HgO)을 가열할 때 나오는 기체로 발견되었으며, 원소 상태의 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 스트론튬(Sr)은 이들의 산화물을 수은을 음극으로 사용한 전기분해로 처음 얻어졌다.

아리스토텔레스는 수은을 물(액체)을 뜻하는 그리스어 'hydor'와 은을 뜻하는 'argyros'를 복합시켜 '액체 은(수은)'을 뜻하는 'hydrargyros'라 불렀다. 로마인들은 이 말을 약간 변형시켜 'hydrargyrum'로 불렀으며, 원소 기호 Hg는 이에서 따왔다. 연금술사들은 수은이 ‘빠르게 흐르는 은’이라는 생각에서 가장 빨리 움직이는 행성인 수성의 이름을 따서 머큐리(mercury)라 하였는데, 머큐리란 이름은 로마 신화에서 빨리 움직이는 신의 전령의 이름을 따서 지은 것이다. 수은은 영어로 'quicksilver'라고도 부르는데, 이것 역시 빠르게 움직이는(quick) 은(silver)이라는 뜻이다. 중국에서는 수은을 홍(汞)으로 적으며, '홍(汞)'이 들어간 물질 명은 대체로 수은 화합물의 이름이다. 예로 염화수은(II)(HgCl₂)는 승화되는 수은이란 뜻으로 승홍(昇汞)으로, 그리고 염화수은(I)(Hg₂Cl₂)는 단 맛의 수은이란 뜻으로 감홍(甘汞)으로 불렀다.

물리화학적 성질

12족에 속하며, 지각에는 무게비로 5 × 10⁻⁶ % 분포되어 있는 수은의 밀도는 13.543 g/cm³, 녹는점은 -38.83 °C, 끓는점은 356.73 °C이며, +1 또는 +2의 산화 상태를 가질 수 있다. 자연계에 존재하는 수은의 동위원소로는 ¹⁹⁶Hg(0.15%), ¹⁹⁸Hg(10.04%), ¹⁹⁹Hg(16.94%), ²⁰⁰Hg(23.14%), ²⁰¹Hg(13.17%), ²⁰²Hg(29.74%), ²⁰⁴Hg(6.82%)가 있으며, 질량수가 171~210인 33가지 인공 방사성 동위원소도 발견되었다. +1가 상태의 Hg₂²⁺은 이합체로 존재하며 반자성(diamagnetic)을 가진다. 수은은 묽은 황산과는 반응하지 않으나, 뜨거운 진한 황산 그리고 할로젠과는 반응한다.

수은의 산화물

수은 화합물은 주로 +2의 산화 상태로 존재하며, 350 °C 이상에서 수은은 산소와 반응하여 산화 수은(HgO)이 되고, 이 화합물은 400 °C 이상에서는 원래 상태로 되돌아가며, HgX(X=S, Se, Te)와 같은 화합물도 쉽게 얻어진다.

수은의 할로젠화물

+2 및 +1 산화 상태의 수은 할로젠 화합물(HgX₂ 및 Hg₂X₂(X=F, Cl, Br, I))이 쉽게 얻어지며, 칼로멜(calomel)로 알려진 염화 제1수은(Hg₂Cl₂)은 Cl-Hg-Hg-Cl의 결합을 가지며, 염소와 반응하여 염화 제2수은(HgCl₂)을 내놓으면서 더 이상 산화하지 않는다. 하지만 염화 제2수은은 염화 이온과 반응하여 정사면체 구조의 배위 화합물 사염화 수은(HgCl₄²⁻)을 생성한다.

산업적 용도

금이나 은 광석을 수은 처리하여 얻은 각각의 금속 아말감은 잘 용융되므로, 이를 열처리하여 수은을 증발시켜 순수한 금이나 은을 얻는데 주로 쓰였다. 예전부터 온도계, 기압계, 혈압계, 진공 펌프와 같은 과학 장치와 수은등, 수은 전지, 치아 충진용 아말감, 살충제, 페인트, 야금 등에 수은이 사용되었다. 특히 수은 증기에 전류를 통과시켜 발생하는 자외선이 등 내부에 바른 형광체(phosphor)에 닿아 가시 광선이 나오는 형광등이 한동안 널리 쓰였다.

온도에 따라 부피가 변하는 수은의 성질을 이용하여 수은 주위에 전선을 두어 전기 회로가 연결되거나 끊기는 전기 스위치로 쓰인다. 떨어뜨리는 수은 전극을 이용한 폴라로그래피(polarography)는 전기 화학 분석과 반응에 유용하게 사용된다. 소금물의 전기 분해 시 수은 환원전극은 소듐 이온을 환원시켜 소듐 아말감을 형성하는데, 이를 물로 씻어 순수한 수산화 소듐을 얻을 수 있었다. 그러나 지금은 수은의 독성으로 인해 격막법 공정(diaphragm process)으로 대체되고 있다.

머큐로크롬(mercurochrome)은 예전부터 상처 소독제로 사용되었으며, 염화 제1수은은 이뇨제로, 염화 제2수은과 벤조산 수은(Hg(C₆H₅CO₂)₂)은 매독 치료제로 각각 쓰일 정도로 수은 화합물은 다양하게 의약품으로 활용되었다. 아울러 염화 제2수은은 PVC 제조에 있어서 단량체 염화비닐 합성의 주요 촉매이다.

수은과 그 화합물은 피부와 점막에 직접 흡수되기도 하며, 증기 상태로 호흡을 통해 체내에 들어가 독성을 일으킨다. 수은-탄소의 결합을 갖는 할로젠화알킬 수은(RHgX) 혹은 다이알킬 수은(HgR₂)과 같은 유기 수은 화합물은 매우 유해하다. 특히 수은을 포함하는 폐기물을 태울 때, 혹은 강이나 호수 등에서 무기 수은 화합물이 혐기성 미생물에 의해 메틸화하여 생성되는 염화메틸 수은(CH₃HgCl)은 생물에 축적되는 환경 독성 물질이다. 이러한 화합물이 들어 있는 어패류를 음식으로 섭취하면 장에서 흡수되어 단백질에 있는 아미노산인 시스테인(cysteine)의 싸이올(-SH)기와 쉽게 결합함으로써 체내의 다른 부위로 전달되어 중추신경계에 영향을 준다. 일본에서 미나마타 병(minamata disease)이 발견되면서 수은에 의한 환경 오염과 중독에 의한 우려로 수은의 생산과 사용이 점차 줄고 있다.

참고자료

• 〈수은〉, 《위키백과》
• 〈수은〉, 《화학백과》
• 〈수은〉, 《화학원소》

같이 보기

• 수은전지
• 질산수은
• 황화수은

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