죽음의 재, 방사능진 그리고 세슘(Cs), 아이오딘(I)

[pakomi]

1. 방사능진 [放射能塵, fallout]  :핵폭발에 의하여 생기는 방사능재이다. 폭발 직후에 강하하는 재에는 방사능이 강하고 수명이 짧은 방사성 핵종이 포함되고, 서서히 강하하는 재에는 비교적 방사능이 약하고 수명이 긴 핵종만이 포함되어 있다. 
 
죽음의 재·낙진·방사진이라고도 한다. 1954년 3월 비키니섬에서 미국이 수소폭탄 실험을 했을 때 일본의 어선이 방사성 낙진을 뒤집어 쓴 이래 이처럼 불리게 되었다. 핵분열 생성물이나 발생한 다량의 중성자에 의해 유도 방사능을 받은 진애(塵埃)의 혼합물로 방사성인 스트론튬 80과 90, 세슘 137, 셀레늄 141과 144, 루테늄 103과 106, 로듐 103과 106, 지르코늄 95, 아이오딘 131 등 많은 방사성 핵종이 함유되어 있다. 그 양을 히로시마형 원자폭탄으로 계산하면 약 1kg이고 비키니형 수소폭탄은 1t에 이른다. 폭발 에너지에 따라서 차이도 있지만, 전체의 약 10%는 비교적 입자가 커서 수 시간 내에 폭발점 부근에 국부적으로 강하하고, 1/3은 대류권에 머물러 지구를 2~3주한 후, 수 주일에 걸쳐 지표에 강하한다. 나머지 극미한 입자는 성층권으로 올라가서 천천히 확산되어, 수년에서 10년 가까운 장기간에 걸쳐 서서히 강하한다.

따라서 폭발 직후에 강하하는 재에는 급성 방사선장애를 일으키는 방사능이 강하고 수명이 짧은 방사성 핵종이 포함되지만, 성층권에서 서서히 강하하는 재에는 비교적 방사능이 약하고 수명이 긴 핵종만이 함유된다. 그러나 성층권 강하물 속에도 칼슘과 함께 체내의 골조직(骨組織)에 정착하는 성질을 지닌 스트론튬 90(반감기 28년)이나 칼륨과 같이 근육조직에 정착하여 생식세포에도 영향을 주는 세슘 137(반감기 33년) 등이 함유된다.

원자로 운전에 수반되어 생기는 방사성 폐기물도 죽음의 재와 맞먹는 조직으로 되어 있다. 이 경우에는 핵폭발에 의한 것에는 약간만 함유되어 있는 방사성 금속, 예를 들어 철 55와 59, 아연 65, 텔루륨 182, 코발트 60 등이 비교적 많이 함유된다. 이것으로 환경의 방사능오염이 죽음의 재에 의한 것인지, 원자로의 방사능 누설에 의한 것인지를 판정하는 하나의 방법이 된다.

2. 세슘 : 주기율표 1족 6주기에 속하는 알칼리금속원소로 원소기호는 Cs, 원자량 132.91g/mol, 녹는점 28.24℃, 끓는점 671℃, 밀도는 1.93g/cm3 이다. 은백색을 띠며 반응성이 가장 크고 가장 연하며 따뜻한 곳에서는 액체상태로 존재한다. 금속성이 강한 원소로 화합물은 +1가이고 불꽃반응은 청자색이다.
 
원소기호  Cs 
원자번호  55 
화학계열  알칼리금속 
원자량  132.91g/mol 
전자배열  1s2 2s2 2p6 3S23P63d104S2 4P6 5s2 4d10 5p6 6S1 
상태  고체 
밀도  1.93g/cm3(실온) 
녹는점  28.24℃ 
끓는점  671℃ 
융해열  2.09kJ/mol 
기화열  63.9kJ/mol 
비열용량  32.210J/mol·K(25℃) 
산화상태  1 
전기음성도  0.79(Pauling scale)  
 

1860년 독일의 구스타프 키르히호프와 로버트 분젠이 발광 스펙트럼으로 리튬을 제거한 광천수의 잔류물에서 청색 영역의 미지의 휘선을 나타내는 새 원소를 발견하여, 청색을 나타내는 라틴어 'caesius'를 따서 '세슘'이라고 이름 붙였다. 실제 세슘의 화합물은  1864년 F. 피사니가 엘바섬에서 산출된 폴루사이트에서 산화물로서 얻었다. 금속 홑원소물질로서는 1882년 분젠의 연구실에서 칼 세터베르크가 사이안화세슘과 사이안화바륨의 혼합물을 융해전해(融解電解)하여 얻었다.

세슘, Cs

자연계에 널리 분포하나 그 양은 극히 적으며, 대단히 활성이 강하므로 자연계에서는 유리상태로는 존재하지 않으며, 다른 알칼리금속과 함께 산출된다. 클라크수 제42위이다. 세슘광물로는 폴루사이트, 로지사이트 등이나 홍운모, 녹주석, 칼륨의 자원인 카널라이트 등이 있다. 금속세슘은 전성·연성이 풍부한 은백색 금속으로 공기 중에서는 급속히 산화하며, 또 습한 공기 속에서는 자연발화하는 경우도 있다. 물과는 격렬하게 반응하여 수산화세슘을 만드는 동시에 수소를 발생하며 자연발화한다. 금속성이 강한 원소로 화합물은 +1가이며 불꽃반응은 청자색이다. 액체 암모니아에 녹으며, 광유(鑛油) 속에 보존한다.

천연동위원소로 133Cs(100%)가 존재한다.

제조법

크롬산세슘을 규소 또는 알루미늄 분말로 환원시키나(4Cs2CrO4+ 5Si → 2Cr2O3+ 5SiO2+8Cs) 염화세슘을 금속바륨으로 환원시켜 세슘금속을 얻을 수 있다.

세슘의 용도

광전관의 재료로 쓰이며, 세슘 원자의 진동수를 이용하여 원자 시계도 만든다. 핵분열 생성물의 하나인 방사성 동위원소 137Cs은 선원·추적자(tracer) 등으로 이용된다. 90Sr과 함께 죽음의 재의 주성분이며 나트륨에 섞여 인체에 흡수되면 암이나 유전 장애의 원인이 된다.

3. 세슘 137 : 세슘의 방사성동위원소의 하나이다. 반감기는 30.0년이고 β선을 방출하는 붕괴를 한 뒤 안정한 원소인 137 Ba이 된다. 주로 원자력발전소에서 사용한 연료의 재처리 과정에서 나오는 폐수에 포함되어있으며, 반감기가 길어서 방사능오염의 가능성이 높은 물질이다. 
 

반감기 30.0년으로 최대 에너지 1.176 MeV(6.5%), 0.514 MeV(93.5%)의 β선을 수반하여 붕괴하는 핵종(核種)이며 그 대부분 137mBa(m은 준안정인 들뜬 상태를 의미한다)가 된다. 이것은 반감기 2.55분으로 0.6616 MeV의 선을 방출하여 핵이성질체전이(核異性質體轉移)에 의하여 안정한137 Ba가 된다.

137Cs은 원자력발전로(原子力發電爐)에서 사용될 연료의 재처리 때에 나오는 폐액 속에 대량으로 함유되며 또한 수명이 긴 방사성 핵종이므로 수백 년 저장하여도 여전히 90Sr 등과 더불어 방사능오염을 일으킬 가능성이 있는 위험한 핵종이다.

이렇게 대량으로 존재하고 장기간 안전하게 보존해야 하는 137Cs를 선원 또는 열원(熱源)으로 유효하게 이용하는 방법이 있다. 137Cs는 자연계에는 핵폭발실험 결과로서 미소하게나마 존재한다. 인체에 섭취되면 근육에 집적된다.

4. 아이오딘:원소주기율표 5주기 17족에 속하는 할로겐족 원소로 원소기호는 I, 녹는점은 113.7℃, 끓는점은 184.3℃, 밀도는 4.9g/cm3이다. 상온에서 검푸른 빛이 나는 고체상태로 승화하면서 보라색 증기가 나온다. 미역이나 다시마 같은 해조류에 요오드화합물로 존재하며 소독제, 녹말검출 등에 사용된다.
  
원소기호  I 
원자번호  53 
화학계열  할로겐 
원자량  126.90447g/mol 
전자배열  1S2 2S2 2P63S23p54S23d104p64d105S25p5 
상태  고체 
밀도  4.933g/cm3(Br2, 액체, 상온, 101.325KPa) 
녹는점  113.7℃ 
끓는점  184.3℃ 
융해열  15.521KJ/mol(I2) 
기화열  41.57KJ/mol(I2) 
비열용량  55.44J/mol·K(I2, 25℃) 
산화상태  7,5,3,1,-1 
전기음성도  2.66(Pauling scale) 

1811년 프랑스의 베르나드 쿠르투아(Bernard Courtois)가 화약을 만들기 위해 질산칼륨의 원료인 탄산칼륨을 해초를 태운 재에서 생산하던 중 과량의 황산을 해초재에 가하자 보라색의 증기가 응결하면서 검보라색의 결정이 생성되는 것을 발견하였다. 그후 프랑스의 죠셉루이 게이뤼삭이 연구를계속하여 새로운 원소임을 발표하고, 그 증기가 보랏빛을 띤다고 하여 보라색을 뜻하는 그리스어 'iodes'를 따서 아이오딘(iodine)이라 이름을 붙였다.

아이오딘, 요오드

아이오딘은 상온에서 고체이며 검보라색의 광택이 나는 비늘 모양의 결정이다. 상온에서 승화하면서 보라색의 증기가 나오며 자극적인 냄새가 나며 극성이 작아 유기용매에 잘 녹고 물에는 잘 녹지 않는다. 녹는 용매에 따라 용액의 색이 달라지는데 사염화탄소·클로로폼 등에서는 용액의 색이 보라색으로, 알코올과 에테르에서는 갈색으로, 벤젠과 진한 염산 등에서는 적색이 된다. 화학적 반응성은 염소·브로민보다 작다. 수소와 고온에서 반응하여 요오드화수소를 만들고 대부분의 금속과도 반응하여 요오드화물을 만들지만, 염산·황산과는 반응하지 않는다.

천연으로 유리된 원소상태로 존재하지 않으며 이원자 (I2)상태로 존재한다. 해수에 이온상태로 녹아 있으며 미역이나 다시마 같은 해조류에 요오드화합물로 존재한다. 생체에 필수적인 원소로 포유동물의 갑상샘 호르몬인 티록신의 구성 성분이다. 체내 요오드 총량 중 75% 가량이 갑상선에 들어 있다. 체내에 요오드의 양이 부족하면 갑상선기능저하증이 나타날 수 있고 요오드 보충제 등을 과다섭취하면 갑상선기능항진증이 나타날 수 있다.

천연동위원소로는  127I(100%)와 129I가 극소량 존재한다. 방사성 동위원소들 중 131I은 그 반감기는 8.05일로, 임상(臨床)에 응용되어 미량으로 갑상선 기능의 진단에, 다량으로 갑상선기능항진증의 치료에 사용된다.

제조법

공업적으로 아이오딘을 생산하는 방법은 칠레초석으로부터 질산칼륨을 정제하는 과정에서 얻어진 아이오딘염으로부터 아이오딘을 얻는 방법과 바다물을 황산으로 처리한 후 염소로 아이오딘이온을 산화시켜 아이오딘을 생산하는 방법이 있다.

실험실에서는 아이오딘화칼륨이나 아이오딘화나트륨을 묽은 염산 하에서 이산화망가니즈와 반응시키면 아이오딘을 얻을 수 있다.

2 KI + MnO2 + 3 H2SO4 ==> I2 + 2 KHSO4 + MnSO4 +2 H2O

아이오딘의 용도

아이오딘화합물의 제조나 요오드팅크·요오드포름 등의 소독약품 제조, 분석 화학에서 아이오딘 적정 표준 시약 등으로 쓰인다.  아이오딘을 아이오딘화칼륨 수용액에 녹이면 갈색의 용액이 만들어지는데, 여기에 녹말을 넣으면 아이오딘과 녹말이 반응해 용액의 색깔이 보라색으로 변한다. 이러한 성질 때문에 녹말을 검출하는 데 쓰인다.

요오드 참고자료: http://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%95%84%EC%9D%B4%EC%98%A4%EB%94%98

[출처] 방사능진 [放射能塵, fallout ] | 네이버 백과사전