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원자번호 48의 원소 카드뮴은 아주 독성이 큰 금속으로, 사람에게 이타이이타이병을 일으킨다. 이 병은 일본에서 처음 발견되었는데, 이 병에 걸리면 뼈가 물러져 조금만 움직여도 골절이 일어나서 환자가 ‘아프다, 아프다(일본말로 이타이, 이타이)’라고 신음했기 때문에 붙여진 이름이다. 카드뮴은 흡연, 음식물, 오염된 물 등을 통해 인체로 들어오게 되는데, 골절 외에도 아주 다양한 신체 조직의 손상과 질환을 유발하는 것으로 알려져 있다. 카드뮴은 아연 생산의 부산물로 주로 얻는데, 강철의 부식 방지를 위한 도금, 니켈-카드뮴 2차 전지, 다양한 색의 안료, 플라스틱 안정제, 브라운관 TV의 인광체 등의 재료로 오랫동안 요긴하게 사용되어 왔다. 새로운 기술과 대체품의 개발, 그리고 환경 오염 규제로 소비제품에서의 카드뮴 수요는 점차 줄어들고 있지만, 전력 저장 목적의 산업용 니켈-카드뮴 전지의 중요성은 더해지고 있다. 카드뮴과 이의 화합물의 특성과 용도, 그리고 이것이 환경과 인체 건강에 미치는 영향들을 보다 자세하게 알아보기로 하자.
원자번호 48번, 카드뮴 카드뮴(cadmium) |
원자번호 48번, 카드뮴. <출처: NACCON> |
카드뮴의 원소 정보. |
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카드뮴의 발견, 역사, 명명
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카드뮴 바와 입방체. <출처: (CC)Alchemist-hp at Wikipedia.org>
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화학적 성질
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카드뮴의 생산
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크기가 다른 셀렌화카드뮴(CdSe) 나노입자(양자점) 용액에 자외선를 비추면 크기에 따라 다양한 색의 형광이 나오는 사진. 스펙트럼의 폭이 좁다.
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생물학적 역할과 독성
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수치로 보는 카드뮴
카드뮴의 표준원자량은 112.411g/mol이다. 원자의 전자배치는 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s2 ([Kr]4d105s2)이며, 화합물에서의 주된 산화 수는 +2이다. 지각에서의 존재비는 약 0.1~0.5ppm이고, 아연 광석에 대략 0.2~0.4%의 비율로 포함되어 있다. 주로 아연 제련의 부산물로 얻으며, 2011년 연간 생산량은 21,500톤으로 추정된다. 녹는점은 321.07oC 이고, 끓는점은 767oC이며, 실온에서 밀도는 8.65g/cm3이다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 867.8, 1631, 3616kJ/mol이며, 폴링의 전기음성도는 1.69이다. 22oC에서 전기비저항은 72.7nΩ∙m이고, 열전도율은 96.9W∙m-1∙K-1이다. 자연 상태의 동위원소는 106Cd(1.25%), 108Cd(0.8%), 110Cd(12.5%), 111Cd(12.8%), 112Cd(24.1%), 113Cd(12.2%), 114Cd(28.7%), 116Cd(7.49%)의 8가지이다. 110Cd, 111Cd, 112Cd를 제외한 나머지 5 가지 동위원소들은 방사성 붕괴를 하나, 반감기가 우주의 나이보다도 월등히 길어 실질적으로는 안정하다.
국제순수∙응용화학연합(IUPAC)의 전이금속에 대한 정의
‘원자나 여기서 생긴 이온이 부분적으로 채워진 d 궤도를 갖는 원소’를 전이금속이라 한다. 카드뮴을 비롯한 12족 원소들은 원자나 여기서 생긴 이온이 모두 꽉 채워진 d 궤도를 갖고 있으므로, 이 정의의 전이금속 원소에는 맞지 않는다.
양자점(quantum dot)
결정의 크기와 모양에 따라 전자적 성질이 크게 달라지는 반도체 나노입자로, 1980년대 초반에 처음 발견되었다. 트랜지스터, 태양전지, LED, 다이오드 레이저, 자기공명 영상제 등에 사용하는 것이 연구되고 있으며, 양자 컴퓨터에도 이용이 기대된다. 나노과학 기술의 중요한 연구 분야의 하나이다.
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