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아이오딘
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아이오딘(碘, iodine)은 요오드라 부르기도 하며 할로젠족 원소 중 가장 무거우며, 표준 상태에서 광택이 있는 검보라색 고체이다. 쉽게 승화하여 보라색 기체를 내놓는 특성이 있다. 자연계에서 아이오딘 이온(I⁻), 아이오딘산 이온(IO₃⁻) 및 과아이오딘산 이온(IO₄⁻) 등에서 보듯이 여러 가지 산화 상태로 존재한다. 아이오딘이 할로젠족 원소 중에서는 가장 희귀하나 전체 원소 중에서는 61번째로 지각에 분포되며, 희토류(rare earths) 원소보다 적은 양 존재한다. 아이오딘은 필수 미네랄 영양소로 갑상선 호르몬 합성의 주요 요소이며, 지능 장애를 예방하는 역할을 한다. 아이오딘의 주 생산지는 칠레와 일본으로서 주로 영양제 원료로 사용된다. 아이오딘은 원자번호가 높지만 유기 화합물에 쉽게 부착할 수 있어 독성 없는 조영제로도 쓰일 수 있으며, 인체 흡수 특이성으로 인해 방사성 아이오딘 동위원소는 갑상선암 치료에 사용할 수 있다. 이외에도 아세트산이나 일부 고분자 생산에 촉매로도 사용된다.
개요
아이오딘은 원자번호 53번의 원소로, 원소기호는 I이다. 주기율표에서 플루오린(F), 염소(Cl), 브로민(Br), 아스타틴(At)과 함께 17족(7A족)인 할로겐 족에 속한다. 실온에서는 금속처럼 보이는 검보라색 바늘 모양 고체로 존재하며, 자극성이 큰 보라색 기체로 승화(고체가 액체를 거치지 않고 바로 기체로 되는 것)된다. 녹는점은 113.7℃이고 끓는점은 184.3℃이다. 기체와 용액에서는 이원자 분자(I₂)로 존재한다. 원소 상태로는 물에 잘 녹지 않으나, 아이오딘화 포타슘(KI)과 같은 I-염을 첨가하면 I3-를 생성하여 용해도가 증가한다. 유기 용매에는 잘 녹으며 용액의 색은 용매 극성에 따라 다르다. 주기율표에서 위에 있는 다른 3가지 할로겐 원소(F₂, Cl₂, Br₂)에 비해서는 화학반응성이 작지만, 여러 원소들과 화합물을 잘 형성한다. 화합물에서는 -1의 산화상태가 가장 흔하나, 산소나 다른 할로겐 원소 등 전기음성도가 큰 원소들과는 산화 상태가 +7, +5, +3, +1인 화합물들을 만든다.
아이오딘은 지구의 암석과 수권에 다른 3가지 할로겐 원소(F₂, Cl₂, Br₂)에 비해 월등히 적은 양으로 존재한다. 지각 암석에는 약 0.3~0.6ppm의 비율로 들어 있는데, 존재량 순서로 대략 60번째이며, 보통 라우타라이트(lautarite, Ca(IO₃)₂)나 디이차이트(diezeite, 7Ca(IO₃)₂·8CaCrO₄)처럼 아이오딘산염(iodate) 형태로 들어있다. 바닷물에는 I⁻로 약 0.05ppm 농도로 들어있는데, Br⁻의 농도인 65ppm의 1/1000에 불과하다. 칠레의 질산염 칼리치(calichi, 건조한 기후의 땅 표면이나 표층 부근에 2차적으로 형성된 지층. 칠레 초석 층도 이의 하나임)에는 아이오딘이 대략 0.02~1% 포함되어 있으며, 일본의 염정(鹽井)이나 미국의 유전 염수에도 I⁻ 염의 형태로 농축되어 들어 있다. 또한 여러 해양 식물에도 아이오딘이 들어 있는데, 다시마속(laminaris)의 갈조류는 아이오딘을 건조 무게의 0.45%까지 포함하고 있으며, 여러 해조류와 어패류 등의 해산물에도 아이오딘이 비교적 높은 농도로 들어있다. 아이오딘은 해초 재에서 처음 발견되었으나, 지금은 칠레의 칼리치와 염수 등에서 주로 얻는데, 전세계 연간 생산량은 약 31,000톤이고, 칠레, 일본, 미국이 주된 생산국이다.
원소 상태의 아이오딘(I₂)은 피부를 손상시키고 섭취한 경우에 독성을 나타내나, 아이오딘의 이온들은 거의 모든 생물체에게 필요한 미량 필수 원소이다. 사람을 비롯한 고등 동물에게는 갑상선에서 갑상선 호르몬을 합성하는데 필요하므로 아이오딘이 결핍되거나 과잉이면 갑상선이 확대되고 제 기능을 하지 않을 수 있다. 내륙 지방의 사람과 동물에게 여러 아이오딘 결핍 증상이 나타날 수 있는데, 전세계적으로 약 20억 명의 인구가 아이오딘 결핍을 겪고 있는 것으로 파악되고 있다. 따라서 아이오딘이 첨가된 식염(iodized salt)이 널리 판매되고 있으며, 동물 사료에 아이오딘 화합물이 첨가되기도 한다.
아이오딘의 주된 용도는 이러한 식품 첨가제 외에도 여러 형태의 소독제로 사용하는 것인데, 대표적인 아이오딘 소독제로 아이오딘 팅크(tincture of iodine), 루골 아이오딘 용액(Lugol’s iodine), 포비돈 아이오딘(povidone iodine) 등이 있다. 아이오딘은 또한 여러 금속의 정제와 LCD 등에 사용되는 편광 필름 등에도 사용되며, 다양한 무기 및 유기 아이오딘 화합물을 제조하는데도 사용된다. 아이오딘 화합물들은 화학반응 및 분석 시약, 촉매, 의약품, 염료, X-선 촬영 조영제, 사진 필름 광감제, 인공 구름 형성제 등의 아주 다양한 용도로 사용되며, KI는 방사성 아이오딘 ¹³¹I로 오염된 경우 해독제로 사용된다. 방사성 동위원소들도 의학적으로 중요하게 이용된다.
발견과 역사
아이오딘은 1811년에 프랑스 화학자 쿠르투아(Bernard Courtois, 1777~1838)에 의해 우연히 발견되었다. 그는 화약의 핵심성분인 초석(질산포타슘, KNO₃) 제조자의 아들로 태어났으며, 화학과 약학을 공부하고 가업을 이어받았다. 나폴레옹 전쟁(Napoleon Wars, 1803~1813) 시기에 프랑스는 초석이 많이 필요하였고 이를 생산하는 데는 탄산포타슘(K₂CO₃, potash)이 필요하였으며. K₂CO₃는 식물 재에서 주로 얻었는데, 오랜 전쟁으로 식물재의 주된 자원인 버드나무가 거의 고갈되었다. 누군가가 노르망디(Normandy)와 브리타뉴(Brittany) 해안에서 버려지는 풍부한 마른 해초의 재에서도 K₂CO₃를 얻을 수 있다고 제안하였고, 이 제안은 성공적이어서 프랑스는 다시 초석을 만들 수 있었는데, 초석을 만드는 과정에서 생기는 과량의 황 화합물을 황산으로 처리·제거하여야 했다. 그러던 중, 어쩌다 해초의 재 찌꺼기에 과량의 황산을 첨가했더니 보라색 증기가 나오고, 이 증기가 찬 금속에 응축되어 검보라색 바늘모양의 결정으로 되는 것이 발견되었다. 쿠르투아는 무엇인가 새로운 것을 발견할 수 있겠다고 여기고 실험한 결과 인(P), 수소(H₂), 몇 가지 금속 등과 잘 결합하는 새로운 물질을 얻었다. 그는 이 물질을 새로운 원소로 짐작하였으나 전쟁 중에 이를 증명하는 실험을 할 자금이 없어서 친구인 데조름(Charles Bernard Desormes, 1777~1862)과 끌레망(Nicolas Clément, 1779~1841)에게 연구를 계속할 것을 부탁하고 시료를 넘겨 주었으며, 화학자인 게이뤼삭(Joseph Louis Gay-Lussac, 1778~1850)과 물리학자인 암페르(André-Marie Ampére, 1775~1836)에게도 시료의 일부를 보냈다.
1813년 11월 29일에 데조름과 끌레망은 자신들과 쿠르투아의 발견 내용을 발표하였으며, 곧 이어 12월 6일에는 게이뤼삭이 쿠르투아의 새로운 물질은 원소이거나 산소와의 화합물일 것이라고 발표하였다. 게이뤼삭은 이 물질을 증기가 보라색을 띠는 것에서 그리스어로 보라색을 뜻하는 'iodes'를 따서 아이오드(iode) 라 이름지었다. 이 새로운 물질이 원소임을 분명하게 밝힌 사람은 영국의 데이비(Humphry Davy, 1778~1829)이다. 그는 암페르에게서 시료를 제공 받았는데, 이 물질이 염소(Cl₂)와 유사한 성질을 갖는 새로운 원소임을 확인한 결과를 같은 해 12월 10일에 발표하였으며, 원소 이름을 염소(chlorine)에서와 같은 접미어를 사용하여 아이오딘(iodine)으로 하였다. 곧 원소 아이오딘을 처음 발견한 사람이 누군가에 대한 논쟁이 일어났는데, 게이뤼삭과 데이비 둘 다 쿠르투아가 최초 발견자라고 인정하면서 논쟁은 끝이 났다. 원소 아이오딘의 발견은 과학 발견의 우연성, 새로운 발견에 대한 과학자들간의 경쟁과 상호 협력의 중요성, 그리고 발견에 대한 선취권 등의 좋은 예가 된다.
프랑스 의사 루골(Jean Guillaume Auguste Lugol, 1786~1851)은 아이오딘이 포타슘(K)과 결합하면 물에 녹는다는 것을 발견하여, 아이오딘을 소독제로 사용하는 길을 열었다. 스위스 의사 쿠앵데(Jean Francois Coindet, 1774~1834)는 1820년에 KI를 갑상선종(goiter)의 크기를 줄이는데 사용할 수 있음을 발표하였다. 1825년에는 멕시코에서 AgI가 아이오딘 포함 광물로는 처음으로 발견되었으며, 1840년에는 칠레 칼리치에서 아이오딘이 발견되어 이를 아이오딘 생산에 사용하기 시작하였다. 1850년대부터는 유기 아이오딘 화합물들이 유기합성에 사용되었다.
물리적 성질
아이오딘은 상온에서 고체이며 검보라색 광택이 나는 바늘 모양의 결정이다. 녹는점은 113.7℃이고 끓는점은 184.3℃이다. 자극적인 냄새가 나는 보라색 기체로 승화되는데, 25℃에서 승화 증기압은 41Pa(0.31mmHg)이고, 녹는점 직전에서의 증기압은 12.07kPa(90.5 mmHg)이다. 결정은 사방정(orthorhombic) 구조를 하며, 반자기성(diamagnetic)이다. 금속처럼 보이나, 열과 전기를 거의 통하지 않는다. 그러나 높은 압력에서는 금속과 비슷한 전기전도도를 갖는다.
- 동위원소
천연 상태에서 안정한 동위원소인 ¹²⁷I로만 존재한다. 질량수가 108~144인 36종의 방사성 동위원소들이 만들어졌는데, 질량수가 125보다 작은 동위원소는 주로 β+ 붕괴를 하고 텔루륨(Te) 동위원소가 되며, 질량수가 128보다 큰 것들은 주로 β- 붕괴를 하고 제논(Xe) 동위원소가 된다. ¹²⁶I와 ¹²⁸I는 β+와 β- 붕괴 모두를 한다.
방사성 아이오딘 동위원소 중 반감기가 가장 긴 것이 반감기가 1570만년인 ¹²⁹I인데, 우주선의 작용으로 자연적으로 생성되기도 하고, 핵 연료의 분열에서도 생성된다. 핵연료 처리, 핵 실험, 핵 폐기물 오염 등에 대한 긴 기간 동안의 추적자로 이용된다. 다음으로 반감기가 긴 것은 ¹²⁵I(반감기, 59.4일)인데, 이는 전자포획을 하고 텔루륨-125가 되면서 γ-선을 내어 놓는다. 단백질의 방사성 표지, 방사성 근접치료(brachy therapy)에 흔히 사용된다. 반감기가 13.2시간인 ¹²³I은 갑상선의 해부학적 특징과 생리적 기능을 조사하기 위한 핵 영상 추적자로 사용된다.
아이오딘-131(¹³¹I, 반감기 8.04일)은 핵 연료 붕괴 생성물의 약 3%를 차지하는데, 비교적 높은 에너지(평균 190 keV, 최대 606 keV)의 β- 입자를 내어놓는다. 이 방사선은 갑상선 기능항진증(hyperthyroidism: 갑상선이 과다 분비되는 갑상선 중독증)과 갑상선 암 등 갑상선 질환의 치료와 진단에 사용된다. 그러나 이에서 나오는 높은 에너지의 β- 선 때문에 아이오딘 동위원소 중 발암성이 가장 크고, 특히 아이오딘이 축적되는 갑상선에 암을 유발할 수 있어 이의 이용에 주의를 요한다. 핵폭탄 투하 또는 심각한 원자로 사고 후의 방사성 오염에 따른 위험의 주된 요인이다. 그러나 반감기가 짧아 몇 개월 후에는 핵분열에서 방출된 ¹³¹I에 대한 위험은 거의 없어진다. 핵분열 사고 시, 비방사성 아이오딘 화합물인 K127I를 복용하여 갑상선을 ¹²⁷I로 포화시키면, 갑상선에 ¹³¹I가 들어가는 것을 줄여 이에 의한 위험을 줄일 수 있다.
화학적 성질
아이오딘은 다른 할로겐 원소들과 마찬가지로 7개의 원자가 전자를 갖고 있어, 자기들끼리 단일 결합을 하는 I₂로 존재하고, 다른 원소들과도 단일 결합 화합물을 잘 만든다. 주기율표에서 같은 족의 위에 있는 다른 3가지 원소(F₂, Cl₂, Br₂)에 비해서는 작지만, 화학 반응성이 비교적 크다. 알칼리 금속과의 MI형태 화합물이 가장 흔하며, 다른 원소들과도 화합물을 형성한다. 화합물에서는 -1의 산화상태가 가장 흔하나, 산소처럼 전기음성도가 큰 원소들과는 산화상태가 +7, +5, +3, +1인 화합물들을 만든다. 다른 할로겐 원소와 IBr, ICl, ICl₃, IF5 등의 할로겐 간 화합물들을 만든다. 수소와는 고온에서 또는 빛을 쪼이면 반응하여 아이오딘화수소(HI)를 만든다. 염산, 황산과는 반응하지 않으나, 질산과는 반응하여 아이오딘산(HIO₃)이 된다. 화합물에서 I와 다른 원자(Y)간의 결합에너지는 다른 할로겐 원소에 비해 작고, 따라서 I-Y는 보다 쉽게 해리된다.
- 용해도
아이오딘(I₂)의 물에 대한 용해도는 20℃에서 0.029g/100mL (I2농도로 0.0011moles/L)로 물에 잘 녹지 않는다. 그러나 KI와 같은 수용성 I⁻ 염을 첨가하면 I₂의 용해도가 증가하는데, 이는 삼아이오딘화 이온(I₃ ⁻)이 생성되기 때문이며, 우리가 보통 말하는 아이오딘 수용액은 대부분 I₃⁻ 용액이다.
I₂ + I⁻ ⇄ I₃⁻ K = 7.1 x 10²
반면에, I₂는 유기 용매에는 잘 녹는다. 25℃에서의 용해도는 에틸 알코올(C₂H₅OH)에서 21.43g/100mL, 다이에틸 에테르(C₂H₅OC₂H₅)에서 25.20g/100mL, 벤젠(C₆H₆)에서 14.09g/100mL, 이황화탄소(CS₂)에서 16.47g/100mL 이며, 35℃ 사염화탄소(CCl₄)에서의 용해도는 2.603g/100mL이다. 용액의 색은 용매 극성에 따라 크게 다른데, 지방족 탄화수소나 CCl₄에서는 밝은 보라색(최대 흡광 파장, λmax = 520~540nm), 방향족 탄화수소에서는 분홍 또는 적갈색, 알코올, 에테르, 아민 등과 같은 강한 전자 주게 용매에서는 진한 갈색 (λmax = 460~480nm)이다. 이는 I₂와 용매 분자 사이의 전하이동(charge-transfer: 전자 주게-받게(electron donor-acceptor)라고도 함) 상호작용에 의한 것으로, I₂는 전자 받게(수용체)로 작용하고 용매는 전자 주게(공여체)로 작용하여 이들 사이에 착화합물이 형성되고 흡수 에너지가 변하기 때문이다. 수용액에서 I₂와 I⁻ 가 I₃⁻ 를 형성하는 것도 이와 같은 전자 주게-받게 상호작용에 의한 것이다.
- 산화-환원 성질
수용액에서 I₃ ⁻/I⁻ (I₂/I⁻) 반쪽 전지의 표준 전위(E o)는 0.536 V로, F₂(E o = 3.05 V), Cl₂(E o = 1.36 V), Br₂(E o = 1.087 V)의 표준전위보다 작다. 즉, 할로겐 원소 중에서 I₂는 산화력이 가장 작고, I⁻이온은 다른 할로겐 원소에 의해 I₂로 산화된다.
I₃⁻ + 2 e⁻ ⇄ 3 I⁻ E o = 0.536 V
2 I⁻ + X₂ → I₂ + 2 X⁻ (X = F, Cl, Br)
I⁻는 공기 중의 산소에 의해 느리게 산화될 수 있는데, 이 반응은 빛이나 열에 의해 촉진된다.
4 I⁻ + O₂(g) + 4 H⁺ → 2 I₂ + 2 H₂O
I⁻ 는 또한 산성 용액에서 산화제에 의해 산화되는데, MnO₄⁻ 와 아이오딘산 이온(IO3 ⁻ )이 흔히 사용되는 산화제이다.
10 I⁻ + 16 H⁺ + 2 MnO₄⁻ → 5 I₂ + 8 H₂O + 2 Mn²⁺
5 I⁻ + 6 H⁺ + IO₃⁻ → 3 I₂ + 3 H₂O
I₂는 티오황산 이온(S₂O₃²⁻) 등의 환원제에 의해 I⁻로 환원된다.
I₂ + 2 S₂O₃ ²⁻ → 2 I⁻ + S₄O₆ ²⁻
이와 같은 성질로, 아이오딘은 산화-환원 적정에 많이 사용되는데, 이를 아이오딘 적정(iodometry)이라 한다. 아이오딘 적정에서 종말점은 흔히 I₂(I₃⁻)의 갈색, 적정 용액에 약간의 CHCl₃나 CCl₄를 넣어 이에 녹은 I₂의 보라색, 또는 전분을 넣어 이와 I₂의 착물 색깔인 푸른색 등으로 검출한다.
I₂는 탄소-탄소 사이에 이중 결합이나 삼중 결합에 첨가된다. 100g의 지방이나 기름에 첨가될 수 있는 아이오딘의 g수를 아이오딘 수(값)라 하는데, 이는 지방이나 기름의 불포화 정도를 나타내는데 중요하게 사용된다.
산업적 용도
아이오딘은 염소나 브로민과 달리 특정 분야에 주로 사용되지 않고 다양한 분야에서 고르게 사용되고 있다. 생산된 아이오딘의 절반 가량이 다양한 유기 아이오딘화물을 합성하는 데 쓰이며 약 15%가 순수한 원소를 생산하는데, 다른 15%는 아이오딘화 포타슘을 생산하는데, 또 다른 15%는 다른 무기 아이오딘화물을 합성하는 데 사용되며, 기타 다양한 용도로 5%가 사용된다. 아이오딘 화합물은 촉매, 동물 사료 보충제, 안정제, 염료, 착색제, 안료, 제약과 위생(아이오딘 팅크(tincture)) 및 사진 현상 등에 주로 사용되고 있으며 기타 용도로 스모그 제거, 인공 강우 및 분석 화학용 시약 등으로 사용된다.
아이오딘은 산화력이 있어 살균 작용을 할 수 있기 때문에 여러 형태의 소독제로 사용된다. 아이오딘이 포함된 소독제로는 흔히 '옥도정기'라고 불리는 아이오딘 팅크, 루골 아이오딘(Lugol’s iodine) 용액 등이 있다. 아이딘 팅크는 아이오딘을 알코올에 녹이거나, 아이오딘과 아이오딘화 소듐을 알코올∙물 혼합용액에 녹인 것으로 상처 소독에 주로 사용된다. 루골 아이오딘 용액은 아이오딘과 아이오딘화 포타슘을 물에 녹여 트라이아이오딘 음이온 수용액을 형성시킨 것으로 상처 소독, 편도선염 치료제, 갑상선 중독증(thyrotoxicosis) 치료제로 사용된다.
아이오딘과 아이오딘 화합물은 분석 시약으로 널리 사용되는데, 네슬러 시약(Nessler's reagent, K₂HgI₄)은 암모니아(NH₃)에 특이하게 반응하며, 테트라아이오딘화 수은 구리(I) (Cu₂HgI₄)는 알칼로이드(alkaloid)를 검출하기 위한 침전 시약으로 사용된다. 아이오딘 음이온과 아이오딘산 음이온은 양이온 침전 적정 분석, 전분 검출을 위한 아이오딘 시계 반응(iodine clock reaction) 등에도 사용된다.
아이오딘 방사성 동위원소도 다양한 분야에서 사용되는데 반감기가 1570만 년으로 가장 긴 동위원소인 ¹²⁹I은 핵연료 처리, 노천 핵실험, 핵폐기물에 의한 지하수 오염 등에 대한 장시간 추적자(tracer)로 이용된다. 반감기 59일의 방사성 ¹²⁵I은 전립선 암, 안구의 포도막 흑색종 및 뇌종양과 같은 질병을 치료하기 위한 생물학적 검사, 핵 의학 영상 및 방사선 요법에 사용된다. 반감기 13시간의 방사성 ¹²³I 은 단일 광자 단층촬영(single photon emission computed tomography(SPECT))이나 X선 컴퓨터 단층촬영(X-ray computed tomography (X-Ray CT))을 포함하는 핵 의학 영상기술의 추적자로 쓰인다. 8일의 반감기를 가지고 있는 ¹³¹I은 β- 붕괴하여 들뜬 상태의 ¹³¹Xe이 되는데, 이후 감마선을 방출하여 바닥 상태로 전환된다. ¹³¹I은 일반적인 핵분열 생성물로 방사능 낙진에 높은 수준(high level)으로 존재한다. 오염된 음식으로 인해 신체로 흡수되면 갑상선에 축적되고, 붕괴 과정으로 갑상선에 손상을 일으키며, 갑상선암이나 염증 등을 유발할 수 있다. ¹³¹I에 의한 부작용을 예방하는 방법으로 안정한 ¹²⁷I으로 이루어진 아이오딘화 포타슘을 섭취하여 ¹³¹I의 흡수를 막을 수 있다. 또한 의약적 목적으로 조절된 양의 방사성 ¹³¹I을 섭취하여 방사선 요법에 의한 갑상선암 치료나 핵 의학 영상을 위한 방사성 추적자로도 사용될 수 있다.
아이오딘화 수소는 메탄올에 일산화 탄소를 첨가해 아세트산(CH₃COOH)을 생산하는 과정에서 금속 카보닐 촉매와 함께 보조 촉매(co-catalyst)로 사용되며, 이외에도 여러 가지 아이오딘화물이 고분자의 전구 물질 중 하나인 뷰타다이엔(CH₂=CH-CH-CH₂) 생산과 같은 다양한 반응에서 촉매로 사용된다. 이외에도 다양한 유기 아이오딘화물들이 아민(amine)의 호프만 제거 반응(Hofmann elimination reaction), 윌리엄슨 에터 합성(Williamson ether synthesis), 뷔르츠 짝지음 반응(Wurtz coupling reaction), 그리냐르 시약 (Grignard reagents) 합성 등 유기 합성분야에서 널리 사용되고 있다.
참고자료
같이 보기
