아이오딘

아이오딘 결정체

아이오딘 준위별 전자 수(2, 8, 18, 18, 7).

아이오딘(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.

참고자료

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

같이 보기

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