아이오딘 (요오드,I)

[freedom]

원자번호 53번 원소인 아이오딘은 ‘요오드’라 부르기도 하며, 과거에는 일본의 한자어 표기 ‘沃素’에서 ‘옥소’라 부르기도 하였다. 이 원소의 인공 방사성 동위원소인 아이오딘-131(¹³¹I)은 핵연료 분열 때 생성되는데, 지난 2011년 3월 11일에 일어난 일본 후쿠시마 원자력 발전소 사고로 많은 사람들에게 공포의 대상이 되었다([방사성아이오딘]편 참조). 자연 상태의 아이오딘은 안정한 동위원소인 ¹²⁷I로만 존재한다. 아이오딘은 고등학교 화학에서도 자주 취급되는데, 아이오딘을 사용하는 산화환원 적정, 이의 종말점을 찾는 아이오딘 녹말 지시약, 그리고 기름의 불포화 정도를 측정하는 아이오딘 값(수) 등이 그 예이다. 아이오딘의 발견, 특성, 생산 및 이용 등에 대해 보다 자세하게 알아보기로 하자.

원자번호 53번, 아이오딘

아이오딘(iodine)¹⁾은 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^oC이고 끓는점은 184.3^oC이다. 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.

원자번호 53번, 아이오딘

아이오딘의 원소 정보.

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.

아이오딘의 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 해12월 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.

데이비(Humphry Davy, 1778~1829). 영국의 화학자. 아이오딘이 원소임을 밝혔다. 아이오딘의 최초 발견의 공로를 프랑스 화학자 쿠르투아에게 돌렸다.

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.

아이오딘 결정체

물리적 성질

아이오딘은 상온에서 고체이며 검보라색 광택이 나는 바늘 모양의 결정이다. 녹는점은 113.7^oC이고 끓는점은 184.3^oC이다. 자극적인 냄새가 나는 보라색 기체로 승화되는데, 25^oC에서 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.

비방사성 아이오딘 화합물인 K127I 약제

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.

아이오딘의 바닥 상태 전자 배치. <출처 : (CC)Pumbaa at Wikipedia.org>

용해도
아이오딘(I₂)의 물에 대한 용해도는 20^oC에서 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 유기용매에는 잘 녹는다. 25^oC에서의 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^oC 사염화탄소(CCl₄)에서의 용해도는 2.603g/100mL이다. 용액의 색은 용매 극성에 따라 크게 다른데, 지방족 탄화수소나 CCl₄에서는 밝은 보라색(최대 흡광 파장, λ_max = 520~540nm), 방향족 탄화수소에서는 분홍 또는 적갈색, 알코올, 에테르, 아민 등과 같은 강한 전자 주게 용매에서는 진한 갈색 (λ_max = 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(S₂O₃^2-) 등의 환원제에 의해 I^-로 환원된다.

I₂ + 2 S₂O₃^2- → 2 I^- + S₄O₆^2-

녹말에 아이오딘 용액을 떨어뜨리면 푸른보라색을 띈다. <출처 : (cc) Biology Big Brother from Eukaryotic Cell, Organism>

이와 같은 성질로, 아이오딘은 산화-환원 적정에 많이 사용되는데, 이를 아이오딘 적정(iodometry)2)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)3)라 하는데, 이는 지방이나 기름의 불포화 정도를 나타내는데 중요하게 사용된다.

아이오딘의 생산

과거에는 다시마에서 아이오딘을 추출하였으나, 지금은 주로 칠레의 질산염 칼리치, 일본의 염정과 미국 일부 지역 유전의 염수 등에서 얻는다. 칼리치에서의 생산과정은 다음과 같다. 질산염을 결정으로 회수하고 남은 여액에는 아이오드산염(IO₃^- 염)과 아이오다이드염(I^-의 염)이 들어있는데, 이의 일부를 아황산수소소듐(NaHSO₃)으로 처리하면 여기에 들어있는 IO₃^-가 I^-로 환원된다. 이렇게 처리한 여액을 적정량의 원래 여액과 반응시키면 I^-가 IO₃^-와 반응하여 I₂가 얻어진다.

IO₃^- + 3 HSO₃^- → I^- + 3 SO₄^2- + 3 H⁺
5 I^- + 6 H⁺ + IO₃^- → 3 I₂ + 3 H₂O

칠레의 질산염 칼리치. 아이오딘의 주요 공급원이다. 칼리치란 건조한 기후의 땅 표면이나 표층 부근에 2차적으로 형성된 지층을 말한다.
<출처 : (cc) Toddclark at en.wikipedia>

염수에서의 생산과정은 다음과 같다. 염수를 정제하고, 황산으로 산성화 시킨 후 염소(Cl₂)와 반응시켜 염수에 들어있는 I^-를 I₂로 산화시킨다. 이렇게 얻은 묽은 I₂ 용액에 공기를 불어넣어 I₂를 증발시킨 후, 증발된 기체를 아황산 가스(SO₂) 탑을 통과시켜 HI로 환원시키고, 이를 다시 Cl₂로 산화시키면 I₂가 얻어진다.

I₂ + 2 H₂O + SO₂ → 2 HI + H₂SO₄; 2 HI + Cl₂ → I₂ + 2 HCl

염수에 적정량의 질산은(AgNO₃)을 가해 I^-를 AgI(AgI가 다른 할로겐화 은에 비해 용해도가 월등히 낮다)로 침전시켜 회수하고, 이를 철과 반응시켜 FeI₂를 만든 후 Cl₂로 반응시켜 I₂를 얻는 방법이 사용되기도 하였다. 필요한 경우, 생산된 I₂는 승화로 정제한다. 실험실에서 소량의 I₂용액이 필요한 경우는 산성 용액에서 I^-와 IO₃^-염을 반응시켜 얻을 수 있다.

미국 지질조사국(USGS) 자료에 따르면, 2011년에 미국을 제외한 나라의 I₂ 생산량은 29,000 톤이며, 이중 칠레가 18,000 톤, 일본이 9,800 톤을 생산하였다. 2005년의 미국 생산량이 1,573톤 임을 감안하면 2011년 전세계 생산량은 약 31,000톤으로 추정되는데, 이는 브로민(Br₂) 생산량의 약 5%이다. 전세계 매장량은 약 1500만 톤으로 추정된다. 2011년에 I₂의 평균 가격은 kg당 미화 27 $이었다.

종이 위에 올려놓은 아이오딘 결정이 승화하는 모습 <출처 : (cc) images-of-elements.com>

아이오딘 및 아이오딘 화합물의 용도

염소나 브로민과는 달리, 아이오딘은 특정 용도로 집중적으로 사용되기 보다는 아주 여러 분야에 다양하게 쓰인다. 한 일본 회사의 조사에 따르면, 아이오딘의 최종 용도는 X-선 영상 촬영의 조영제에 24%, 살생제에 17%, 산업 촉매에 16%, 의약품에 11%, 액정 디스플레이(LCD)에 10%, 동물 사료 첨가제에 7%, 안정제에 6%, 식염 첨가제에 4%, 제초제에 2%, 기타 용도에 3%이다.

식품 및 사료 첨가제
아이오딘은 대부분의 생물이 필요로 하는 미량 필수 영양소이고, 갑상선 호르몬의 구성 원소이다. 따라서 아이오딘의 결핍을 막기 위해 식염과 보조 영양제에 널리 첨가된다. 또한 가축 사료에도 보조영양제로 아이오딘 화합물(예로, NH₃⁺CH₂CH₂NH₃⁺·2I^-)을 첨가하기도 한다.

소독제, 의약품, 방사선 진단 및 치료제
아이오딘은 산화력이 있어 살균 작용이 있다. 따라서 아이오딘 용액은 여러 형태의 소독제로 사용되는데, 흔히 사용되는 것으로는 아이오딘 팅크(tincture of iodine, 일명 옥도정기), 루골 아이오딘 용액(Lugol’s iodine, 루골용액), 포비돈 아이오딘(povidone iodine, PVP-I)이 있다. 아이오딘 팅크는 I₂를 알코올에 녹이거나, I₂와 NaI를 물-알코올 혼합물에 녹인 것으로, 상처 소독과 지표수를 식수로 사용하기 위한 살균 소독에 쓰인다. 루골 아이오딘 용액은 아이오딘과 아이오딘화포타슘(KI)을 물에 녹인 I₃^- 수용액으로, 상처 소독, 편도선염의 처치제, 갑상선중독증(thyrotoxicosis) 치료제로 사용된다. 포비돈 아이오딘은 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone)과 I₂의 복합체로 항균 및 항진균 소독제로 널리 사용된다. 이들 외에도 복합아이오딘글리세롤과 그람염색성 루골용액 등, 여러 아이오딘 용액이 의학적으로 사용되고 있다. 한편, 아이오딘화포타슘(KI)은 방사성 ¹³¹I가 갑상선에 들어가는 것을 막고, 들어간 ¹³¹I를 해독시키는데 사용된다.

아이오딘 화합물을 조영제로 사용한 뇌혈관 조영검사 영상. <출처 : (cc) Glitzy queen00 at en.wikipedia>

포비돈-아이오딘을 면봉에 묻혀 상처에 바르는 모습. 머큐로크롬의 시판 금지 후 ‘빨간약’의 지위를 이어받았다.

아이오딘은 원자 번호가 커서 많은 수의 전자를 갖고 있고, 전자 밀도가 높다. 이런 특성으로 인해 X-선을 잘 흡수하므로 방사선 진단 의학에서 X-선 영상이 더욱 선명하게 나오게 하는 조영제로 아이오딘을 포함하는 유기 화합물들을 활용하는데, 혈관 조영검사(angiography), CT 촬영, X-선 영상 촬영 등에 이용된다. 또한 방사성 동위원소 ¹²³I와 ¹²⁵I는 갑상선 영상 촬영과 이의 기능 검사에서 추적자로 사용되고, ¹³¹I는 갑상선 암을 비롯한 갑상선 질환의 치료에 사용된다.

촉매 및 유기화학 반응 시약
아이오딘 화합물은 여러 산업에서 중요하게 이용된다. 예로, HI는 메탄올에 CO를 첨가시켜 아세트산(CH₃COOH)을 생산할 때 금속 카르보닐 촉매와 함께 공촉매(co-catalyst)로 사용되는데, 전세계적으로 생산되는 연간 약 650만 톤의 아세트산 중에서 약 75%가 이 방법으로 생산된다.

CH₃OH + CO → CH₃COOH

이외에도 여러 아이오다이드(I^-) 염들이 다양한 반응의 촉매로 사용되는데, TiI₄와 AlI₃는 C-O및 N-O 결합을 자르는 촉매로, 그리고 타이어 고무의 원료인 부타다이엔(butadiene) 생산의 촉매로 사용된다. 또한, 여러 유기 아이오딘 화합물들이 다양한 유기 반응에 사용되는데, 뷔르츠(Wurtz) 교차 반응, 윌리암슨 에테르 합성(Williamson ether synthesis), 아민(amine)의 호프만(Hoffmann) 알킬화 반응, 여러 금속 촉매 교차-짝지음 반응 등에 사용된다. 데스-마틴 페리오디난(Dess-Martin periodinane)은 1차 및 2차 알코올의 산화반응에 유용하게 사용된다.

기타 이용
액정 디스플레이(LCD)의 편광 필름은 보통 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol)에 I₂를 흡착시킨 것으로 만드는데, 이에 따른 아이오딘의 수요가 최근에 크게 늘어났다. 또한 아이오딘은 반아르켈-드보어법에 의한 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf)의 정제에도 사용된다. 아이오딘화은(AgI)은 사진 필름의 감광제, 인공 구름 형성제로 사용되며, 아이오딘화 텅스텐은 백열 전구의 필라멘트를 안정화시키는 데 사용되고 할로겐 램프에도 사용된다. 에리트로신(erythrosine, 적색 3호)은 적색 식품 첨가 색소로 요긴하게 사용된다.

아이오딘 화합물

아이오딘은 비활성 기체를 제외한 거의 모든 원소와 화합물을 형성한다. 앞서 언급된 화합물 이외에도 다양한 무기 및 유기 아이오딘 화합물들이 있다.

무기화합물
아이오딘화수소(HI)는 I₂를 H₂와 직접 반응시키거나, I₂와 인(P)의 반응에서 생기는 PI₃를 가수분해시켜 만들 수 있다. 상업적으로는 I₂를 히드라진(NH₂NH₂)이나 황화수소(H₂S)로 환원시켜 얻는다.

2 I₂ + NH₂NH₂ → 4 HI + N₂; I₂ + H₂S → 2 HI + S

HI는 무색의 기체로 O₂와 반응하여 물과 I₂가 된다. 물에 녹으면 아이오드화수소산이 되는데, 염산보다 100배나 강한 산이다. NaI나 KI의 합성에 사용되며, 알코올(ROH)과 반응시키면 아이오딘화알킬(RI)을 생성한다. 항정신성 의약품인 메타암페타민(methamphetamine, 속칭 필로폰)의 제조에 사용될 수 있어 국제적 감시 대상이 되는 화합물의 하나이다.

아이오딘의 산화물 중 가장 안정한 것은 I₂O₅로, 아이오딘산(HIO₃)의 탈수로 얻을 수 있는데 물에 아주 잘 녹아 다시 HIO₃가 된다. 이외의 산화물로는 약간 안정한 I₄O₉와 I₂O₄, 불안정한 IO, IO₂, IO₃ 들이 있다. 아이오딘-산소 음이온들 중에서 가장 잘 알려진 것은 아이오딘산 이온(IO₃^-)과 과아이오딘산 이온(IO₄^-)이며, 하이포아이오딘산 이온(HO^-)은 안정하지 않다. IO₃^-와 IO₄^-, 그리고 이들의 염들은 강한 산화제이며, 따라서 유기 반응에서 산화제로 사용된다.

금속 아이오딘화물 중 가장 흔히 사용되는 것들은 KI, NaI. AgI 등인데, 염의 종류에 따라 합성 방법이 조금씩 다르다. 예로, KI와 NaI는 각각 KOH와 NaOH를 I₂와 반응시켜 만들고, AgI는 KI나 NaI 용액에 AgNO₃를 가해 침전으로 얻는다.

유기 아이오딘 화합물
탄소-아이오딘 결합을 갖는 유기 아이오딘 화합물들이 화학 반응 시약, 의약품, 염료 등으로 널리 사용된다. C-I 결합은 NaI을 아세톤 용매에서 RX (X=Cl 또는 Br)와 반응시키거나, 알켄(alkene)에 I₂를 첨가시켜 얻는다. 아이오딘화아릴(aryl iodide, ArI)은 흔히 아민을 디아조화(diazotization)시킨 후 KI를 반응시켜 얻는다.

NaI + RX → RI + NaX
RHC=CH₂ + I₂ → RHIC-CH₂I

RI나 ArI는 그리냐르 시약을 만들어 여러 알킬 또는 아릴화 반응에 매우 유용하게 사용된다. 그러나 아이오딘 화합물이 대응하는 염소나 브로민 화합물에 비해 가격이 비싸고, 또 아이오도알칸 (iodoalkane, RI)은 생체 분자를 알킬화시켜 암을 유발하거나 독성을 보이는 단점이 있다.

티록신(thyroxine, T4)과 트리아이오도티로닌(triiodothyronine, T3)의 분자 모형. 보라색이 아이오딘 원자이다.

생물학적 역할과 독성

아이오딘은 생물의 미량 필수 원소 중 하나로, 사람을 비롯한 고등 동물의 갑상선 호르몬인 티록신(thyroxine, T4)과 트리아이오도티로닌(triiodothyronine, T3)의 구성 원소이다. T3는 생체 내 기초 대사율을 조정하고 단백질 합성을 촉진하며 중추신경계의 발달에 관여하고, T4는 대체로 T3의 전구물질로 작용한다. 인체에는 약 200 ppb (성인의 경우 약 15mg)의 아이오딘이 들어있는데, 이 중 약 70%은 갑상선과 갑상선 호르몬에, 나머지 30%는 다른 조직에 있다. 갑상선은 혈액에서 아이오딘을 흡수하고 축적하며, 갑상선 호르몬을 합성하여 혈액으로 방출한다.

아이오딘이 부족하면 티록신 생산이 불충분하고, 생체는 이의 적응 반응으로 갑상선이 계속 확대되어 결국 갑상선이 확대된 갑상선종(goiter)이 나타나며, 심한 경우에는 뇌 손상도 일어난다. 임신부에 아이오딘이 결핍되면 유산, 사산, 기형아 출산 등의 비율이 높아지고, 태아에게는 출생 후 정신 박약, 장님, 언어 장애 등의 증상이 나타나는 크레틴병(cretinism)을 야기할 수 있다. 아이오딘 결핍증은 KI를 섭취하면 쉽게 치유된다. 반면에 아이오딘을 과량으로 섭취한 경우도 결핍에서와 유사한 갑상선종과 갑상선기능저하증(hypothyroidism)이 나타난다.

다시마, 미역 등 갈조류에는 아이오딘이 많이 들어있다. <사진 : 박수현>

아이오딘은 1일 70μg이면 필요한 호르몬을 합성하는데 충분하다. 미국에서의 1일 섭취 권장량은 12개월 미만의 영아는 110~130μg, 성인은 150μg, 임산부는 220μg, 젖을 먹이는 엄마는 290μg 이며, 섭취 상한은 1,100μg (1.1mg)이다. 아이오딘은 해초와 어패류에 풍부하게 들어 있는데, 100g당 함유량은 다시마 136,500μg, 마른 미역 11,600μg, 고등어 86.9μg 등이다. 우리나라에서 임산부가 미역국을 먹는 효과 중의 하나는 아이에게 충분한 아이오딘을 공급하는 것인데, 너무 많이 먹으면 과량 섭취가 될 수도 있다. 전세계적으로 약 20억 명의 인구가 아이오딘 결핍을 겪고 있으며, 전체 가구의 약 2/3가 아이오딘이 강화된 식염을 사용하는 것으로 추정된다. 그러나 해산물을 많이 먹는 우리나라 사람에게는 아이오딘 강화 식염이 오히려 아이오딘 과다 섭취를 초래할 위험이 있으며, 중·장년에게는 아이오딘 과잉이 결핍보다 위험성이 크다고 여겨지고 있다.

아이오딘(I₂)은 산화력이 있으며 독성이 있고, 성인 치사량은 30mg/kg이다. 또 피부에 직접 닿으면 피부를 손상시킬 수 있으며, 아이오딘 팅크나 루골 용액도 장기간 사용하면 피부 손상을 초래할 수 있다.

1. 수치로 보는 아이오딘
   아이오딘의 표준원자량은 126.90447g/mol이고, 원자의 바닥 상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p⁵ ([Kr]4d¹⁰5s²5p⁵)이며, 화합물에서 주된 산화 수는 -1이나, +7, +5, +3, +1 상태의 화합물들도 있다. 지각 암석에 0.3~0.6ppm, 바닷물에 0.05ppm 농도로 들어있다. 2011년 전세계 I₂ 생산량은 약 31,000 톤으로 추정되며, 칠레에서 18,000톤, 일본에서 9,800톤이 생산되었다. 1기압에서 녹는점은 113.7^oC이고, 끓는점은 184.3^oC이며, 실온에서의 밀도는 4.94g/cm³이다. 25^oC에서 승화증기압은 0.31mmHg(41pa)이고, 증발열은 41.57kJ/mol이며, 해리 엔탈피는 151.1kJ/mol(비교: Cl₂는 242.6kJ/mol, Br₂는 192.7kJ/mol)이다. 아이오딘 단결정의 1기압, 실온에서의 전기전도도는 bc층 면에 수직인 방향으로는 5x10^-12 Ω^-1∙cm^-1이고, bc층에서는 1.2x10^-8 Ω^-1∙cm^-1이다. 350kbar에서의 값은 대략 10⁴ Ω^-1∙cm^-1로 금속성 전기전도도를 갖는다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 1008.4, 1845.9, 3180kJ/mol 이며, 폴링의 전기 음성도는 2.66이다. 천연 상태에서 안정한 동위원소인 ¹²⁷I로만 있다.

2. 아이오딘 적정법(iodometry)
   I₂가 생성되거나 없어지는 것으로 종말점을 검출하는 산화-환원 적정법이다. 보통 Cu(II), 염소산, 과산화수소, 용존 산소, [Fe(CN)₆]^3- 등의 산화제 농도를 구하는데 사용되나, 아황산염, 황화물 등의 환원제 농도를 구하는 데도 사용된다.

3. 아이오딘 값(iodine value), 아이오딘 수(iodine number)
   어떤 화학물질 100g에 첨가되는 아이오딘의 g수이다. 아이오딘 적정법으로 구하는데, 불포화 지방산의 불포화 정도를 결정하는데 사용된다. 비누나 식품 제조에 사용되는 기름은 그 값이 비교적 낮고, 페인트 등에 사용되는 기름은 높다.

글 박준우 / 이화여대 명예교수(화학)

서울대학교 화학과를 졸업하고 템플대학교에서 박사학위를 받았다. 오랫동안 이화여대에서 화학을 연구하고 가르쳤다. 저서로 [인간과 사회와 함께한 과학기술 발전의 발자취]와 [아나스타스가 들려주는 녹색화학 이야기] 등이 있고, 역서로 [젊은 과학도에 드리는 조언] 등이 있다.

자료발취 : 네이버캐스트