아이오딘

‘요오드’라고 부르기도 하는 아이오딘은 할로젠족 원소 중 가장 무거우며, 표준 상태에서 광택이 있는 검보라색 고체로, 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.

금속처럼 보이는 아이오딘 결정()

목차

아이오딘은 1811년 프랑스 화학자 쿠르투아(B. Courtois)에 의해 발견되었는데, 그 당시 프랑스는 나폴레옹 전쟁으로 화약의 원료인 초석(saltpeter, KNO₃)에 대한 수요가 많았다. 이를 생산하기 위해서는 탄산 소듐(Na₂CO₃)이 필요했는데, 프랑스에서는 노르망디(Normandy)와 브르타뉴(Brittany) 연안의 해조류로부터 얻었다. 즉 해조류 연소로부터 나오는 재를 물로 씻어 내 먼저 탄산 소듐을 분리하였고, 남은 폐기물은 황산을 첨가하여 처리하는 가운데 얻었다. 쿠르투아가 남은 폐기물을 처리하는 과정에 과량의 황산을 첨가하자 보라색의 증기가 발생하는 현상을 목격하였고, 차가운 표면에서 이 증기가 결정화되어 검보라색의 고체를 형성한다는 것을 알아냈다. 그는 이 새로운 원소 시료를 친구인 데조름(C. B. Desormes)과 끌레망(N. Clément)에게 제공하여 연구를 계속하게 하였으며, 게이뤼삭(J. L. Gay-Lussac)과 앙페르(A. Ampére)에게도 시료 일부를 보냈다.

보라색 아이오딘(I₂) 증기()

1813년 11월 데조름과 끌레망이 쿠르투아의 발견을 공개하였고, 이해 12월 게이뤼삭도 이 물질이 새로운 원소이거나 산소 화합물일 것이라고 발표하였다. 또한 물리학자 앙페르는 시료 일부를 영국 화학자 데이비(H. Davy)에게 보냈는데 데이비는 이 물질을 연구하고 염소(Cl₂)와 유사한 성질을 갖는다는 결과를 같은 해 12월에 보고하였다.

아이오딘은 지각에 존재하는 안정한 할로젠 원소 중 존재량이 0.44ppm으로 가장 희귀한 원소이다 (비교: 플루오린 544ppm, 염소 126ppm, 브로민 2.5ppm). 따라서 아이오딘이 포함된 광물은 매우 드물게 발견되고 경제적으로 추출하기 위해서는 충분히 농축된 광물이 필요하다. 이러한 광물로는 라우타라이트(lautarite, Ca(IO₃)₂), 디이차이트(dietzeite, 7Ca(IO₃)₂·8CaCrO₄)가 있으며 현재 질산 소듐(NaNO₃)을 생산하기 위해 칠레에서 채굴되는 칼리츠(caliche) 지층에 미량 포함되어 있다. 채굴된 칼리츠로부터 아이오딘산 소듐(NaIO₃) 형태로 추출되고 아황산 수소 소듐(NaHSO₃)으로 처리하여 아이오딘화물로 우선 환원된다.

NaIO₃(aq) + 3NaHSO₃(aq) → NaI(aq) +3NaHSO₄(aq)

그런 다음 용액을 새로 추출한 아이오딘산 염과 균등화 반응(comproportionation)시켜 아이오딘을 얻어 여과할 수 있다.

NaIO₃(aq) + 5NaI(aq) + 3H₂O(l) → 3I₂(s) + 6NaOH(aq)

19세기부터 칼리츠는 아이오딘을 얻는 주요한 원천 중 하나로 해초에서 아이오딘을 얻던 방법을 대체하였으며, 오늘날까지 사용되고 있으나, 경제성이 점차 감소하고 있다. 이에 20세기 후반부터 비슷한 양의 아이오딘을 염수(brine)에서 얻고 있다. 일본 도쿄 동쪽의 미나미 칸토 가스전(Minami Kanto gas field)과 미국 오클라호마 북서부 애너다코 분지 가스전(Anadarko Basin gas field)의 염수에서 아이오딘을 얻고 있는데, 추출하는 과정은 우선 염수를 황산으로 처리하여 산성화하고, 염소로 처리하여 아이오딘을 얻는다. 이 과정에서 얻어진 아이오딘은 매우 양이 적은 용액에 희석된 상태라서 농축시켜야만 한다. 용액 내 공기를 불어 넣어 아이오딘을 휘발시킨 후 흡수탑으로 보내 이산화 황(SO₂)으로 다시 환원시킨다. 농축된 아이오딘화 수소(HI)를 염소와 반응시켜 아이오딘을 침전시킨 후 여과하고 정제 과정을 거쳐 생산한다.

2HI(aq) + Cl₂(g) → I₂(g) + 2HCl(aq)

I₂(s) + 2H₂O(l) + SO₂(g) → 2HI(g) + H₂SO₄(l)

2HI(g) + Cl₂(g) → I₂(s) + 2HCl(aq)

염수에서 아이오딘을 얻는 다른 방법으로는 염수에 질산 은(AgNO₃)을 첨가하여 아이오딘화 은(AgI)으로 침전시킨 후 철(Fe)과 반응시켜 금속 은(Ag)과 아이오딘화 철(II) (FeI₂)을 형성시키는 반응이 사용된다. 얻어진 아이오딘화 철(II)을 염소 기체와 반응시켜 최종적으로 아이오딘을 얻는다.

I^-(aq) + AgNO₃(aq) → AgI(s) + NO₃^-(aq)

AgI(s) + Fe(s) → Ag(s) + FeI₂(s)

FeI₂(s) + Cl₂(g) → FeCl₂(s) + I₂(s)

쿠르투아에 의해 원소 상태로 발견되었으며 2년 후 이 원소의 특징을 나타내는 그리스어로 "보라색"이란 뜻의 ‘iodes’에서 유래한 '요오드(iode)'가 게이뤼삭에 의해 명명하였다. 이후 영국의 화학자 데이비는 이 물질이 염소와 유사한 성질을 가지고 있어서 그 영어 원소 이름 ‘chlorine’과 같은 접미어를 사용하여 아이오딘(iodine)이라 명명하였고, 그 원소 기호는 ‘I’ 이다.

주기율표 17족 원소인 아이오딘은 플루오린(F), 염소(Cl), 브로민(Br) 다음의 네 번째 원소로서 불안정한 아스타틴(At)을 제외한 가장 무거운 안정한 할로젠 원소이다. 아이오딘의 전자 배치는 [Kr]4d¹⁰5s²5p⁵ 로 7개의 원자가 전자를 가지고 있어 여덟 전자 규칙을 만족하기 위해서는 전자 하나가 부족하여 산화제로 작용한다. 원소 상태의 아이오딘은 두 개의 아이오딘 원자가 한 쌍의 전자를 공유하여 아이오딘 이원자 분자(I₂)를 형성한다. 아이오딘 음이온은 안정한 할로젠 음이온 중에서 가장 강한 환원제로, 쉽게 산화되어 이원자 분자인 아이오딘이 된다. 아이오딘의 물에 대한 용해도는 낮아 20°C에서 아이오딘 1g이 3450mL의 물에 용해된다. 아이오딘화 포타슘(KI)을 물에 첨가하면 트리아이오딘 음이온(I₃^-)이 형성되어 아이오딘의 물에 대한 용해도를 증가시킬 수도 있다.

KI(aq) + I₂(s) → K⁺(aq) + I₃^-(aq)

아이오딘은 헥세인(C₆H₁₄)이나 사염화 탄소(CCl₄)와 같은 비극성 용매에 잘 녹으며 용액의 색은 용매의 극성에 따라 다르다. 아이오딘 원자의 반경이 안정한 할로젠 원자 중 가장 커서 전자가 쉽게 분극 되기(polarized) 때문에 안정한 할로젠 원소 중 녹는점과 끓는점이 가장 높다. 또한 분자 사이에 반데르발스(van der Waals) 상호 작용이 가장 커서 휘발성이 가장 낮다. 아이오딘 분자는 고체상태에서 1.3 eV의 띠 간격을 갖는 이차원 구조의 반도체이며, 결정 층면으로는 반도체 특성을, 층의 수직 방향으로는 절연체 특성을 보인다.

천연에서 아이오딘은 안정한 동위원소 ¹²⁷I으로만 존재하며 질량수 108~144 사이에 36종의 방사성 동위원소가 만들어졌다. 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 ¹²⁸I은 β⁺와 β^- 붕괴를 모두 할 수 있다.

아이오딘은 비활성 기체를 제외한 거의 모든 원소와 화합물을 생성한다. 아이오딘화 수소는 가장 간단한 이성분 화합물로 산소와 반응하여 물과 아이오딘을 생성하는 무색 기체이다. 상업적으로 아이오딘화 수소는 아이오딘을 황화 수소(H₂S)나 하이드라진(N₂H₄)과 반응시켜 합성한다.

2I₂(s) + N₂H₄(g) → 4HI(g) + N₂(g)

I₂(s) + H₂S(g) → 2HI(g) + S(s)

아이오딘화 소소를 물에 잘 녹아 강산인 아이오딘화 수소산을 형성한다. 일반적으로 상업적으로 사용되는 진한 아이오딘화 수소산은 48~57 wt%의 아이오딘화 수소를 함유하고 있다. 1, 2, 3족 원소 및 +2와 +3 산화 상태의 란타넘족(lanthanide) 혹은 악티늄족(actinide) 원소와 대부분 이온 결합 화합물을 형성하고 비금속 원소와 공유 결합 분자를 형성하는 경향이 있다. 금속 아이오딘화물 중 가장 흔하게 사용되는 것들로는 아이오딘화 소듐(NaI), 아이오딘화 포타슘, 아이오딘화 은 등이 있는데, 특히 아이오딘화 은은 공유결합 특성이 강해 불용성으로 물에 대한 용해도가 매우 낮다. 이를 이용한 침전 반응이 종종 I^- 정성 분석(qualitative analysis)에 이용된다.

AgNO₃(aq) +I^-(aq) → AgI(s) + NO₃^-(aq)

아이오딘도 다른 할로젠 원소처럼 화학양론(stoichiometry)적으로 XY, XY₃, XY₅, 및 XY₇(여기서 X는 Y보다 무거운 원소) 등 다양한 할로젠 이성분 화합물을 형성하며, 사이안화 아이오딘(ICN), 티오사이안화 아이오딘(ISCN) 및 아자이드화 아이오딘(IN₃)과 같은 일부 유사할로젠화물(pseudohalide)도 알려져 있다.

아이오딘 산화물은 아이오딘과 산소 사이의 큰 전기음성도(electronegativity) 차이 때문에 산소와 아이오딘 사이에 결합이 강해 모든 할로젠 산화물 중 가장 안정하다. 흰색의 습윤성의 오산화 다이아이오딘(I₂O₅)은 무수 아이오딘 산(HIO₃)을 탈수시켜 쉽게 합성할 수 있고 물에 녹이면 다시 아이오딘 산이 된다. 이외에도 약간 안정한 구산화 테트라아이오딘(I₄O₉)과 사산화 다이아이오딘(I₂O₄), 불안정한 일산화 아이오딘(IO), 이산화 아이오딘(IO₂), 삼산화 아이오딘(IO₃) 등이 알려져 있다. 아이오딘은 하이포아아이오딘 산(HIO), 아아이오딘 산(HIO₂), 아이오딘 산(HIO₃) 및 과아이오딘 산(HIO₄) 등 4 가지 산소산(oxyacid)을 형성한다. 하이포아아이오딘 산 이온(IO^-)은 안정하지 않아 형성된 즉시 아이오딘 산 이온과 아이오딘 음이온으로 불균등화 반응(disproportionation)이 일어난다.

3IO^-(aq) ⇌ 2I^-(aq) + IO₃^-(aq), K =10²⁰

아이오딘 산 이온과 과아이오딘 산 이온 및 그 염들은 강한 산화제이며 유기 반응에 산화제로 이용된다. 이외에도 다양한 유기 아이오딘화물들이 유기 합성 분야에 널리 사용되고 있다.

아이오딘은 염소나 브로민과 달리 특정 분야에 주로 사용되지 않고 다양한 분야에서 고르게 사용되고 있다. 생산된 아이오딘의 절반가량이 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.

아이오딘은 필수 미량 영양소 중 하나로, 인간을 비롯한 고등 동물의 갑상선 호르몬인 티록신(thyroxine, T₄)과 트리아이오도티로닌(triiodothyronine, T₃)을 구성하는 원소이다. 여기서 T₄와 T₃는 각각 이름 뒤에 아이오딘 원자의 수를 나타낸 것이다. T₄는 주로 T₃의 전구 물질로 작용하며, T₃는 생체 내 기초 대사율을 조절하고 단백질 합성을 촉진하며 중추신경계 발달에 관여한다. 인체 내 아이오딘의 약 70% 이상이 갑상선과 갑상선 호르몬에 존재하며, 갑상선은 혈액 내 아이오딘을 흡수하여 축적하고, 갑상선 호르몬을 합성하여 혈액으로 방출한다. 생체 내 아이오딘이 결핍되면 티록신 생성이 어려워져 갑상선이 부어 오르는 갑상선종(goiter)이 발생한다. 임산부에게 아이오딘이 결핍되면 유산이나 기형아 출산 비율이 높아지며, 태아는 출생 이후에도 지적 장애, 실명, 언어 장애 등의 증상이 나타나는 크레틴병(cretinism)을 일으킬 수 있다. 아이오딘 결핍증은 아이오딘화 포타슘을 섭취하면 간단히 치유될 수 있다. 반면 아이오딘을 과잉 섭취하는 경우에는 갑상선종과 갑상선기능저하증(hypothyroidism)이 나타난다.

Retrieved on 2018-09-28