카드뮴

칼라민 광석에서 얻은 산화 아연이 불순하다는 것을 파악한 슈트로마이어가 이 산화물로부터 새로운 원소를 처음으로 분리하였고, 그 광석의 라틴어 명으로부터 그 원소를 ‘cadmium’으로 명명하였다. 아연과 같은 족에 있으면서 이와 유사한 화학적 성질을 가지는 카드뮴은 천연에 8가지의 동위원소가 있으며, 공기와도 쉽게 반응하는데, +2의 산화 상태가 흔하다. 1899년에 처음 개발된 니켈-카드뮴 2차 전지는 오랫동안 휴대용 전자 제품에 사용되었다. 카드뮴 합금은 땜납 및 원자로에서 중성자를 조절하는 데 쓰이며, 그 화합물은 적외선, X선, γ선 검출기나, 양자점 반도체 나노 입자의 재료로 이용된다. 한편, 안료, 플라스틱 안정제, TV의 인광체로도 사용되는 등 카드뮴의 용도가 매우 다양하였지만, 현재는 환경 규제로 점차 다른 금속이 대체하고 있다. 이타이이타이 병, 생식 기능 저해, 면역계 손상 등을 일으키는 카드뮴은 생체 내에 축적되면서 독성도 매우 크다.

카드뮴 결정()

목차

일반적으로 섬아연석(sphalerite, ZnS)에 불순물로 들어 있는 카드뮴은 공기 중에서 고온 건식 야금법을 이용하여 산화물로 변환 후, 진공 증류로 아연으로부터 분리한다. 혹은 그리노카이트(greenockite, CdS) 광석을 황산에 녹인 후 황산 카드뮴 전해액을 사용한 전기 분해에서 카드뮴을 회수하기도 한다. 중국, 한국, 그리고 일본이 주 생산국이다.

칼라민(calamine) 광석에서 구워 얻은 산화 아연의 일부가 흰색이 아니라 노란색을 띤다는 사실을 전해 들은 독일의 슈트로마이어(F. Stromeyer)는 1817년에 이를 자세히 분석하고, 그 불순물로부터 새로운 원소를 분리하는 데 성공하였다. 그는 이 새로운 원소를 칼라민 광석의 라틴어 명인 ‘cadmia’와 금속을 나타내는 접미어를 합쳐 ‘Cadmium’이라 명명했으며, 원소 기호는 ‘Cd’이다. 같은 해 독일의 헤르만(K. S. L. Hermann) 역시 카드뮴을 발견하였는데, 그 당시는 칼라민이 탄산 아연(ZnCO₃)만으로 이루어진 광석인 줄 알았는데, 능아연석(smithonite, ZnCO₃)과 이극석(hemimorphite, Zn₄Si₂O₇(OH)₂^.H₂O) 광물의 혼합물임이 나중에 밝혀졌다.

바닷물에도 1x10^-6 μg/L 정도 녹아 있으며, 지각에 1.0x10^-5 % 분포되어 있는 12족에 속하는 카드뮴의 밀도는 8.65 g/cm³, 녹는점은 321.07도, 끓는점은 767도이고, -2, +1, +2의 산화 상태를 가진다. 자연계에는 ¹⁰⁶Cd(1.25 %), ¹⁰⁸Cd(0.8 %), ¹¹⁰Cd(12.5 %), ¹¹¹Cd(12.8 %), ¹¹²Cd(24.1 %), ¹¹³Cd(12.2 %), ¹¹⁴Cd(28.7 %), ¹¹⁶Cd(7.49 %)와 같은 동위원소가 존재하며, 인공적으로 질량수 95~132의 여러 방사성 원소들이 만들어졌다. 공기 중에서 쉽게 빛을 내고 연소되며, 습한 공기 중에서도 빠르게 산화된다. 산에 녹아 수소 기체를 발생시키나 알칼리에는 녹지 않는다.

같은 족의 아연이 산소와 반응하여 +2 상태의 산화 아연(ZnO)이 되는 것처럼, 카드뮴도 산화 카드뮴(CdO)으로 쉽게 바뀐다. 특히 산화 카드뮴은 입자의 크기와 결합에 따라 황록색, 갈색, 붉은색, 검정색으로 변하기에 안료로 주로 쓰인다. 산화 아연보다 염기성이 강하고, 산에는 쉽게 녹지만, 알칼리 용액에서는 수산화 카드뮴(Cd(OH)₂) 침전이 일어난다.

카드뮴과 할로젠 원소 혹은 수소산의 반응으로 CdX₂(X=F, Cl, Br, I) 구조의 카드뮴 할로젠화물을 얻지만, 다이플루오린화 카드뮴(CdF₂)은 물, 아세톤, 에탄올에 잘 녹지 않는다. 카드뮴을 이염화 카드뮴(CdCl₂)과 염화 알루미늄(AlCl₃) 혼합물에 녹이면 Hg₂²⁺와 유사한 +1 산화 상태의 Cd₂²⁺가 얻어진다.

19세기 말 스웨덴의 융너(W. Jungner)에 의해 처음 개발된 니켈 카드뮴 전지가 미국에서 1946년 최초로 생산된 이래 그 사용이 점차 확대되기 시작했으며, 1990년에는 대부분 휴대용 전자 제품에 사용되었다. 지금은 리튬 이온 전지로 대체되었지만,니켈 카드뮴 전지는 아직도 산업용 전력 저장에 쓰이고 있다.

He-Cd 레이저는 형광 현미경과 지폐 인쇄에 사용되며, 다른 금속과의 합금 우드 메탈(Wood’s metal, 50 % Bi / 26.7 % Pb / 13.3 % Sn / 10 % Cd)은 저융점 땜납 및 자동 살수 장치용으로, 웨스팅하우스 가압수형 원자로(Westinghouse water pressurized reactor, 80 % Ag / 15 % In / 5 % Cd) 합금은 원자로에서 중성자를 조절하는데 각각 쓰인다.¹⁾

텔루륨화 수은 카드뮴(HgCdTe)은 적외선 검출기로, 텔루륨화 아연 카드뮴(ZnCdTe)은 X선과 γ선 검출기로 각각 사용된다. 결정의 크기와 모양에 따라 전자적 성질이 크게 달라지는 양자점(quantum dot) 반도체 나노 입자의 재료로 셀레늄화 카드뮴(CdSe)과 텔루륨화 카드뮴(CdTe)이 쓰이는데, 이들은 자외선을 받으면 그 크기에 따라 여러 빛을 내 놓아 형광 현미경에서 생물 조직 시료의 영상을 만드는 데에도 이용된다.

CdSe 양자점(출처: )

카드뮴 화합물 중 황화 카드뮴(CdS)은 노란색 안료로, 셀레늄화 카드뮴(CdSe))은 붉은색 안료로 각각 사용된다. 황화 카드뮴은 플라스틱 안정제로, 산화 카드뮴은 티브이의 인광체와 반도체에 쓰였으나, 이들 물질은 환경 규제 강화로 인해 다른 금속으로 점차 대체되고 있다.

카드뮴의 인체 내 기능은 알려져 있지 않지만 신장에 잘 흡수되기에 생체 내에 축적되면서 단백질과 당을 체외로 배출시켜 여러 질병을 일으킨다. 일부 규조류에서는 탄산 이온(CO₃^2-)을 탄산수소 이온(HCO₃^-)으로 바꾸는데 관여하는 탄산무수화(carbonic anhydrase) 효소에 일반적으로 들어있는 아연 대신에 카드뮴으로 대체된 것이 발견된다. 카드뮴이 싸이올 기(-SH)를 포함하고 있는 단백질이나 효소에 결합함으로써 각종 질병이 발병한다. 일본에서 발생한 뼈가 물러져 조금만 움직여도 골절이 일어나는 이타이이타이 병, 설사, 심한 구토, 생식 기능의 저하와 불임, 간장 및 신장 장애, 중추 신경계와 면역 계의 손상, 정신 질환, 고혈압, 암 등이 카드뮴과 관련이 있다.

1. Retrieved on 2017-12-22.