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알코올램프, 새집 증후군, 벌에 쏘임
초등학교 과학 실험에서 흔히들 사용하던 알코올램프에 들어 있던 투명한 액체, 새로 지은 건물에서나 새 가구를 들여놓았을 때 겪게 되는 새집 증후군을 일으키는 화학 물질, 벌이나 개미 등의 곤충에 쏘였을 때 통증의 원인이 되는 화학 물질은 일반적으로 전혀 연관이 없는 별개의 물질이나 현상으로 생각하곤 한다.
하지만 이 세 가지 현상은 모두 대중적으로 친숙한 물질인 메탄올1)이 단계별로 산화되어 만들어지는 포름알데히드(메탄알) 그리고 포름산(개미산) 때문에 일어난다. 이 현상들은 화학적으로 아주 밀접하다. 각 물질이 가진 특징과 이 물질들로 인해 일어나는 문제와 대처 방법을 화학적으로 해석해 보자.
화학적으로 알코올이란 탄소와 수소가 결합하여 생기는 탄화수소2)의 탄소에 –OH(하이드록시기)가 붙어서 만들어지는 탄소 화합물 전체를 부르는 용어이다. 물론 탄소가 하나인 경우 Meth-라는 어근을 붙여서 메틸 알코올(메탄올), 탄소가 두 개인 경우는 Eth-를 붙여서 에틸 알코올(에탄올) 그리고 탄소가 세 개일 때는 Prop-를 붙여서 프로필 알코올(프로판올)이라는 이름을 붙인다. –올(-ol)로 끝나는 거의 모든 물질, 예를 들면 충치 없애는 껌의 원료로 알려진 자일리톨, 졸리거나 기분 전환할 때 찾는 청량감 있는 사탕에 주로 들어가는 솔비톨, 그리고 주름 개선용 화장품에 많이 사용하는 레티놀 같은 물질 모두가 알코올류이다.
이런 알코올들은 자연 상태에서나, 사람이 먹었을 때 몸 안에서 산화(oxidation)라는 화학 반응을 통해 다른 화학 물질로 변화한다. 산화란 어떤 화학 물질이 산소 원자랑 결합하거나, 수소를 잃거나, 전자를 잃는 반응을 의미한다. 예를 들어 메탄올은 첫 번째 산화 과정을 통해 수소를 잃고 포름알데히드가 된다. 그리고 산소를 얻는 두 번째 산화 반응을 통해서는 포름산(개미산)으로 변화한다. 따라서 새집 증후군을 일으키는 포름알데히드나 벌레 물린 곳을 벌겋게 부풀어 오르게 하고 아프게 하는 포름산 모두가 메탄올에서 출발한 연결된 화학 물질이라는 것을 알 수 있다.
메탄올(CH3OH)은 한 개의 탄소 원자와 산소 원자, 그리고 네 개의 수소 원자로 이루어진 자연계에서 가장 간단한 알코올이다. 무색을 띠며 자극성 냄새가 나고 휘발성이 있는 유독성 액체 물질이다. 반면 메탄올은 신선한 과일과 채소, 발효 음료 및 다이어트 식품에도 들어있다. 인간과 동물, 식물 등 거의 모든 생물체 내에 자연적으로 존재하므로 혈액, 소변3), 타액 그리고 호기4)에 미량이지만 항상 포함되어 있다. 또한 다양한 박테리아의 혐기성5) 대사 과정에서 자연적으로 생성되므로 대기 중에는 미량의 메탄올 증기가 존재하고 이런 대기 중의 메탄올은 수일에 걸쳐 햇빛의 도움을 받아 산소와 결합하여 이산화탄소와 물로 변하여 없어진다.
우리가 가장 흔하게 메탄올을 접할 수 있었던 적은 초등학교 실험시간에 사용하던 알코올램프 속의 액체이다. 어른이 된 후에는 자동차 앞 유리를 닦는 워셔액의 주성분으로 사용했다. 공업적으로 메탄올은 포름알데히드나 PET병, 안경렌즈 등을 만드는 플라스틱의 원료물질, 그 밖에도 매우 다양한 유기 화합물질의 원료로 사용된다. 기름 성분을 잘 녹이는 성질 때문에 잉크, 염료 등의 용매, 페인트 및 니스 제거제의 성분, 금속이나 반도체의 표면을 세척하기 위한 세정제 그리고 최근에는 연료 전지의 원료로도 사용되고 있다. 매우 쓰임새가 많고 가격이 싼(재료가 탄소 하나, 산소 하나, 수소 네 개인데 비쌀 수가 없다!) 중요한 화학 물질이다.
하지만 메탄올은 눈과 호흡기계에 심한 자극을 줄 수 있고, 태아 또는 생식 능력에 손상을 일으킬 수 있다. 흡입할 경우 신체의 중추신경계, 소화기계 및 시신경을 해칠 수 있으며 아주 미량을 마실 경우에는 가벼운 취기 및 졸음과 현기증이 유발된다. 그러나 메탄올을 소주잔으로 1/3 잔 정도(약 10ml) 먹으면 구역, 구토, 간헐적 설사, 복부 및 사지의 심한 통증과 간, 신장, 심장, 위, 장 및 췌장 손상이 일어날 수 있다. 소주잔으로 반 잔 즉, 15ml 이상을 먹으면 실명과 호흡 곤란 그리고 사람에 따라 편차가 크긴 하지만 60~240ml 정도를 먹는 경우에는 독성으로 사망하게 되는 무서운 알코올이다.
비슷한 작용을 하지만 독성이 훨씬 적은 에탄올에 비하여 kg당 단가가 약 1/3 정도이기 때문에 최근까지도 대부분의 자동차 워셔액으로 메탄올을 사용했다. 다행히 지금은 메탄올을 조금만 흡입해도 눈이나 호흡기 및 신체 장기에 큰 독성을 나타낸다는 사실을 새롭게(?) 보도하고 이슈화한 몇몇 기사의 활약으로 2017년 12월 30일부터 ‘화학물질의 등록 및 평가에 관한 법률’에 의하여 "메탄올 워셔액을 판매, 증여하거나 판매, 증여의 목적으로 수입, 진열, 보관, 저장할 경우 7년 이하의 징역 또는 2억 원 이하의 벌금"에 처해지게 되어 이제 시장에서 퇴출당한 상황이다.
그러나 많은 사람들이 보도가 있기 전까지는 메탄올 워셔액의 유독성에 대해 몰랐고, 따라서 통계에는 나타나지 않겠지만 메탄올 워셔액 사용으로 인한 독성 피해는 무시할 만한 문제가 아니다.
메탄올의 독성을 가장 잘 나타내는 사고는 2016년 6월 17일 인도의 뭄바이에서 일어난 메탄올 밀주 사건이다. 술에 들어가는 탄소 두 개짜리 에탄올에 비해 가격이 싸고 빨리 취할 수 있는 메탄올을 이용하여 밀주를 만들어 유통했다. 이 사실을 모르고 마셨던 많은 사람들이 구토와 복통, 호흡 곤란을 호소하였고 약 90명이 사망하고 수십 명이 실명되거나 중태에 빠졌다.
메탄올의 독성은 메탄올이 간에서 효소에 의해 첫 번째로 산화되어 생기는 포름알데히드 때문이다. 포름알데히드는 세포를 죽이는 독성이 크고 돌연변이 세포를 만들거나 단백질을 변성시킨다. 특히 메탄올이 실명과 크게 관련되어 있는 이유는 눈에 알코올을 산화시키는 효소가 가득하기 때문인데, 앞서 알코올의 예로 든 물질 중 하나인 ‘레티놀’은 안구에서 산화 효소에 의해 ‘레티날’6)로 변하고, 레티날은 시각 작용의 큰 축을 담당한다. 이 작용을 위해 존재하는 알코올 산화 효소가 메탄올과 만나면 포름알데히드를 생성하여 실명까지 이르게 한다.
만약 잘못하여 메탄올은 섭취한 경우라면 어떻게 해야 할까? 독성이 큰 물질이니 그냥 포기해야 할까? 다행히도 메탄올은 간에서 분해되는데 시간이 걸리는 편이므로 최대한 빨리 큰 병원으로 가서 위세척을 통해 흡수되지 않은 메탄올을 빼내야 한다. 동시에 에탄올을 일정 농도 이상으로 주입하면, 알코올 분해 효소는 메탄올보다 에탄올을 더 좋아하기 때문에 메탄올의 화학 반응을 충분히 늦추어서 피해를 최소화 할 수 있다.
메탄올은 쓰임도 많고, 꼭 필요한 물질이지만 가지고 있는 독성을 무시할 수 없다. 문제는 이런 메탄올이 알코올램프의 연료로 아주 쉽게 구할 수 있는 물질이라는 것이다. 심지어 초등학교 고학년인 아이가 일정 규모 이상의 과학용품점에 가서 특별한 제제 없이 구입하는 것이 가능하다. 이 상황은 자칫 큰 사고로 이어질 수도 있다. 필자는 두 아이의 엄마로서 아이들에게 알코올램프로 실험할 때는 실험 과정이나 결과가 궁금하더라도 알코올램프 근처에 아주 가까이 다가가서 관찰하는 것만은 하지 말라고 말리고 있다. 일선 학교에서도 이런 주의사항이 제대로 전달되기를 바란다.
학창시절 과학실 한쪽에서 투명한 액체에 담긴 생물 표본들을 볼 수 있었다. 생물의 표본이 담겨 있는 투명한 액체가 바로 포르말린인데 포름알데히드가 물에 약 35~38% 정도 녹아 있는 수용액이다. 졸업하고 몇십 년 만에 찾아간 학교 과학실에서 변하지 않고 남아 있는 그 표본의 비밀은 엄청난 방부 효과를 자랑하는 포르말린 수용액이다.
포름알데히드는 메탄올이 산화되어7) 만들어진다. 탄소 원자와 산소 원자가 하나씩, 그리고 수소 원자 두 개, 총 네 개의 원자로 이루어진 매우 작고 반응성이 큰 화학 물질(HCHO)이다. 분자 간에 서로를 잡아당기는 힘이 약해서 –19℃보다 높은 온도에서는 무색의 기체로 존재하며 자극적인 냄새를 가진 극인화성, 가연성 화학 물질이다. 메탄알 또는 폼 알데하이드라고도 부른다.
포름알데히드는 새집 증후군의 원인 물질로 널리 알려져 있으나 사실은 일상생활에서도 아주 쉽게 만들어지는 물질이다. 예를 들어 많은 가정에서 조리용이나 난방용으로 사용하는 도시가스(천연가스)는 주성분이 탄소 원자 하나와 수소 원자 네 개가 결합한 메테인(메탄, CH4)이고 이 물질이 공기 중에서 산소와 만나 햇빛에 의해 반응하게 될 때도 포름알데히드가 생성된다.
대부분의 화석 연료는 탄소가 포함되어 있는데, 이런 연료가 산소가 부족한 상태에서 불완전 연소할 때도 생기고 담배 연기 또는 자동차 배기가스에도 들어 있다. 필자도 아침에 일어나 졸린 상태에서 식사 준비를 위해 가스레인지를 켰을 때 빨간 불꽃(불완전 연소의 특징)이 보이면 ‘아~ 오늘 아침에도 내 뇌세포 몇 개가 포름알데히드 때문에 죽었겠구나!!’ 하고 생각하면서 화들짝 창문을 열고 후회한다.
이렇게 작은 분자인 포름알데히드가 대체 왜 위험물의 대명사가 되었을까? 포름알데히드는 작은 분자들 사이에서 결합을 촉진하는 능력이 뛰어나기 때문에 다양한 플라스틱 수지를 만드는 원료로 사용된다. 그러나 이 반응성으로 인해 인체 내에 있는 DNA나 단백질 및 지질(지방질) 사이에서 비특이적인 중합 반응8)을 일으켜 돌연변이 세포를 만들어낸다. 국제암연구소(IARC)에서 1군 발암 물질9)로 규정되었으며 높은 농도의 포름알데히드에 지속적으로 노출되면 비인두암과 백혈병이 발병할 수 있다. 2000년도에 시신 처리 방부제로 사용하던 포름알데히드 223ℓ를 아무런 처리 없이 하수구를 통해 한강으로 배출한 사건이 있었고 돌연변이 세포를 만드는 포름알데히드의 특징을 모티브로 만든 영화가 ‘괴물’이다.
그럼 대체 이렇게 위험한 물질인 포름알데히드를 왜 사용하는 걸까? 포름알데히드는 질소 화합물과 반응하여 안정한 요소10) 비료를 만들 때, 플라스틱 필름을 제조할 때의 원료 물질이고 살균과 소독 특성을 이용하여 살충제, 살균제, 제초제로 널리 사용되며 방부제로써의 성능이 뛰어나다. 금속 제품의 부식 방지용 도료 및 절연제로 쓰이기도 하는 등 다양한 용도로 널리 사용된다.
분식집에서 쉽게 마주치는 하얀 플라스틱 그릇, 물에 적신 후에 짠 상태로 사용하면 얼룩이 묻은 자리를 말끔히 지워주는 매직 블록은 포름알데히드가 원료인 고분자로 만들어졌다. 이미 고분자로 만들어진 후에는 그 속에 포함된 포름알데히드의 양은 거의 없다고 봐도 되지만 혹시 반응 못 하고 남아있을지도 모르는 미량의 포름알데히드는 사용 전에 물건을 공기 중에 잠시 두었다가 꼼꼼하게 세척하는 과정을 거치면 거의 제거 된다.
앞에서 살펴 본 대로 자연계에서 늘 생성되는 포름알데히드는 실제로 매우 저농도이고 가볍기 때문에 공기 중으로 빨리 확산되어서 큰 문제가 되지 않는다. 하지만 우리가 포름알데히드를 가장 높은 농도로 오랜 시간 접촉하게 되는 상황은 바로 새집이나 새 가구를 들여놓는 경우이다. 새집 증후군을 일으키는 물질의 주범인 포름알데히드는 다양한 용도로 사용되기 때문에 다른 물질에 비해 상대적인 농도가 높고, 1군 발암 물질로 독성도 심각하다.
아주 다행스러운 사실은 새집 증후군을 일으키는 주범인 포름알데히드를 비롯한 대부분의 화학 물질이 휘발성이 큰 물질이라는 사실이다. 휘발성이 강한 물질의 화학적 특성을 이용하여 새집 증후군을 일으키는 물질 대부분을 없앨 수 있는 좋은 해결책이 있는데 그것이 바로 집을 굽는 방법(Bake Out)이다. 일반적인 Bake Out의 단계는 다음과 같다.
물론 이사 전이나 입주하기 전에 해야 하고 만약 새 가구를 들여놓는 상황이라면 집에 사람이 없는 시간을 골라서 여러 번 시행하는 것이 좋다. 새집 증후군의 원인 물질을 효과적으로 없애기 위해서는 난방기 가동시간을 5~6시간보다 늘여서 10시간 정도 고온 환경을 유지하고 1시간 넘게 환기하는 과정을 5차례 이상 반복하는 것이 좋다. 그렇게 하기 어려운 상황에서는 약 3일 이상 고온 환경을 유지하고 하루 정도 완전히 창문을 열어 환기하는 것이 좋다.
이때 반드시 기억해야 할 것은 고온 상태를 유지한 후에 창문을 열어야 할 때, 그 역할을 맡은 사람은 반드시 들어가기 전 숨을 크게 들이쉬고 들어가서 빛의 속도로 모든 창문을 순식간에 열고 나와야 한다. 새집 증후군을 피하기 위해서 집을 굽는 것인데 들어가서 천천히 창문을 열고 구석구석 살피고 나온다면 애써 방출시킨 새집 증후군 유발 물질을 내가 고스란히 다 마시게 되는 결과를 맞을 테니.
이렇게 집을 굽는 방법 외에도 공기 정화에 효과가 있는 것으로 확실하게 증명된 여러 식물을 실내에서 키우거나 공기 청정기 등을 사용하는 부가적인 방법이 있다. 하지만 단시간에 가장 확실한 효과를 나타내는 것은 집을 굽는 방법이다. 광고에 자주 등장하는 새집 증후군 원인 물질을 확실하게 분해한다는 화학 물질을 집에 뿌리는 방법은 화학을 전공자의 시각에서는 가장 나중에 선택할 방법이다. 화학 물질은 그 자체로 나쁜 것이 아니라 옳지 않은 장소와 시간에 과량으로 존재하는 경우가 문제이다.11) 포름알데히드라는 화학 물질을 분해하기 위하여 다른 화학 물질을 집에 뿌리는 건 또 다른 증후군을 일으키는 원인이 될 수도 있다.
메탄올이 한 번 산화되면 포름알데히드가 되고 또 한 번 산화되면 최종적으로 탄소 원자 하나와 산소 원자 두 개, 수소 원자 두 개가 결합한 포름산(HCOOH)이 된다. 체계적으로 화학 물질의 이름을 붙이는 IUPAC 명으로는 탄소가 하나라는 특징을 이용하여 메탄산(Metanoic acid)이라고 하지만 처음에 이 물질이 개미에서 분리되었으므로 라틴어로 개미를 뜻하는 formica를 어원으로 하여 포름산(Formic acid) 또는 개미산이라고 부른다.
메탄올과 포름알데히드가 그랬듯이 특유의 자극적인 냄새가 나고 1기압의 상온 상태에서 무색 액체인 화학 물질이다. 2%의 저농도에서도 가려움증을 유발하고, 농도가 10% 이상인 경우 부식성을 띠어서 피부나 눈에 닿으면 위험하다. 포름알데히드처럼 독성이 강하지는 않지만 신경 조직에 해를 입힐 가능성이 있다. 따라서 일정 농도를 넘지 않는 범위 내에서 가축 사료의 방부제로 널리 첨가된다.
사실 포름산은 그동안 메탄올이나 포름알데히드에 비하여 그다지 주목받는 화학 물질은 아니었다. 산업적으로 아주 쓰임새가 많거나 독성이 치명적으로 강하지 않아서 꼭 피해야 할 물질로 분류되지 않았기 때문이다. 하지만 최근에는 상황이 매우 달라지고 있다. 포름산의 구조는 다음과 같은데, 분자식으로 나타내면 HCO2H가 된다.
분자식과 구조식을 보고 어떤 화학 물질을 떠올릴 수 있다면 이제 화학적으로 트인 사람이라고 자부해도 좋다. 포름산은 특정 촉매를 사용할 경우 아주 효과적으로 수소(H2)와 이산화탄소(CO2)로 변한다. 전혀 과학을 모르는 사람이라도 ‘연료 전지’라는 단어는 뉴스에서 한두 번 접해 봤을 것이다. 연료 전지는 수소와 산소(O2)를 이용하여 물을 만드는 과정에서 전기를 얻는 전지이고, 생성물이 단지 물이기 때문에 환경오염이나 지구 온난화(기후 변화) 등의 이상 현상을 전혀 일으키지 않는 유용한 차세대 에너지원으로 꼽힌다.
2H2 + O2 → 2H2O (연료 전지에서 일어나는 화학 반응)
연료 전지의 장점은 많은 연구를 통해 입증되었다. 그러나 대기 중에 풍부한 산소와 다르게 수소는 너무 가볍고 폭발성이 커서 안정적으로 다루는 데 여러 어려움이 있다. 따라서 포름산을 이용하여 이산화탄소와 수소로 전환되고 다시 이산화탄소와 수소가 포름산으로 전환되는 화학 반응을 통하여 미래에 대규모 수소 저장 시스템을 구현할 가능성이 한층 더 커지고 있는 상황이다.
어린아이들을 키우는 부모로서 아이들의 낙서를 지우거나 고무로 된 실내화를 씻을 때 사용하는 매직 블록이나, 깨지지 않고 가벼운 플라스틱 식기가 없는 일상은 상상이 되지 않는다. 반면에 새집 증후군으로 인하여 가족들이 혹시라도 고생하는 일이 절대 생기지 않기를 바라기도 한다. 그렇다면 포름알데히드를 필요한 화학 물질이라고 생각해야 할까? 아니면 없애야 하는 화학 물질이라고 생각해야 할까? 답은 포름산에서 찾아야 할 듯하다.
예전에는 그다지 주목받지 못하던 물질도 기술의 발달로 인해 대단한 화학 물질로 새롭게 주목받는 경우가 있다. 이처럼 모든 화학 물질은 결국 사람이 어떻게 사용하느냐에 따라 그 운명이 결정된다고 할 수 있다. 위험한 물질이라도 충분히 안전한 보호 장구와 환경을 갖춘 상황에서 사용하면 정말 중요하고 필수적인 화학물질이 될 수 있지만 별다른 생각 없이 그냥 사용할 경우 자동차의 메탄올 워셔액처럼 생각지도 못한 피해를 줄 수 있다. 결국, 아는 것이 힘이다.
메틸 알코올, Methyl Alcohol이 더 정확한 화학명이다.
[생활 속 화학이야기] 3회 "코팅 프라이팬의 비밀" 참고.
평균 농도 0.73 mg/L(0.3~2.61 mg/L 범위)
내쉬는 숨, 평균적으로 0.06~0.32 µg/L농도가 검출
산소가 부족한 상태
레티놀이 산화되어 생기는 알데히드
이 경우에는 산화 중에서 수소가 빠진 반응이다.
작은 분자들을 합하여 큰 덩어리를 만드는 반응
확실하게 사람에게 암을 일으킨다고 밝혀진 물질
소변에 들어 있는 질소 화합물
[생활 속 화학이야기] 5회 "온실효과와 지구 온난화" 참고.
발행일 : 2018. 05. 09.
저자 김민경 화학자, 한양대학교 창의융합교육원 / 화학과 부교수
한양대학교 공업화학과를 졸업하고 동대학에서 석박사학위를 받았으며, 워싱턴 주립대학교에서 화학환경공학 박사후 과정을 밟았다. 2009년 한양대학교에서 강의를 시작한 이후 매년 한 번도 빠지지 않고 학생들이 뽑은 Best Teacher로 선정되었다. 2014년에는 한양대학교 저명강의교수상을, 2016년에는 ‘생활 속의 화학’ 강의가 교육부 KMOOC 강의에 선정되었다. 산업 현장 근로자들을 위한 온라인강의 <안전 365! 화학안전강의>를 진행 중이다. 옮긴 책으로는 《실버버그의 일반화학》 (2판, 3판), Burdge의 《일반화학》(4판), 《일반화학의 기초》(1판), McMurry 《일반화학》(7판), 《핵심일반화학》(7판), Bauer의 《화학의 기초》(4판), Brown의 《유기화학입문》(6판)이 있다.
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[ë¤ì´ë² ì§ì백과] 무서운 메탄올과 그 산화물들 - 알코올램프, 새집 증후군, 벌에 쏘임 (생활 속 화학이야기)