원소로 보는 화학사 Vol.031. '원자번호 48번 카드뮴(Cd)을 소개합니다'
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화학이야기

원소로 보는 화학사 Vol.031. ‘원자번호 48번 카드뮴(Cd)을 소개합니다’

2018년 8월 30일

원소로 보는 화학사(카드뮴 Cd 48) : 원자번호 48번 '카드뮴'을 소개합니다. #원소 #카드뮴 #카드뮴의_발견 #프리드리히_슈트로마이어 #이타이이타이병 #카드뮴의_사용 #도료 #양자_점 #전지

지난번 ‘원소로 보는 화학사’에서는 지각에 아홉 번째로 많이 함유된 원소로, 현대 사회에서 정말 무한히 많은 곳에 쓰이고 있는 원소 티타늄(Ti)을 소개해드렸는데요. 오늘은 색깔이 화려한 화합물을 만드는 원소이면서 빈센트 반 고흐나 클로드 모네와 같은 화가들의 위대한 작품들에서도 발견할 수 있는 원소인 카드뮴(Cd)을 소개해 드리겠습니다.


원자번호 48번 ‘카드뮴’을 소개합니다!

카드뮴 바와 입방체, 순수 카드뮴: 연하고 은빛이 도는 청색 금속 카드뮴

사진출처: (CC)Alchemist-hp at Wikipedia.org, Rich Treptow

은백색의 금속인 카드뮴은 칼로 자를 수 있을 만큼 부드럽고, 전기 전도성이 뛰어난 특징이 있습니다. 이런 카드뮴은 공해를 끼친다는 인상이 강한데요. 고대 그리스 주물공장의 금속 찌꺼기에도 카드뮴이 함유되어 있던 것을 보아, 그 당시에도 카드뮴으로 인한 공해로부터 자유롭지 못했을 것으로 추정하고 있습니다.

 

이타이이타이병: 일본 도야마현(富山県)의 진즈(神通)강 하류에서 발생한 카드뮴에 의한 공해병

사진출처: (CC)XingXiong at 2009.igem.org

또한, 일본의 4대 공해병 중 하나인 이타이이타이병을 일으킨 원인도 카드뮴이었습니다. 이 병은 1910년 무렵 일본 진즈가와 유역에서 발생한 병으로, 중금속 중독, 환경오염, 원소에 대한 무지 때문에 일어난 대표적인 인재입니다. 당시 수많은 농가 주민이 원인 모를 고통을 호소하다가 뼈가 굽거나 부서져 죽어 갔습니다. 이때 고통이 너무 심해 “이타이 이타이(‘아파, 아파’라는 뜻의 일본어)”라고 밖에 할 수 없었다고 해서 이 병은 ‘이타이이타이병’이라고 이름 붙여졌습니다. 초기에는 정체불명의 풍토병이라고 여겨졌으나 근처 금속 광업 공장에서 흘려보낸 폐수에 있던 카드뮴 때문이라는 사실이 나중에 밝혀졌습니다.

카드뮴은 우리 몸 안에서 문제를 일으킵니다. 카드뮴에 노출되면 염증을 유발하여 감기와 비슷한 발열, 호흡기 장애, 근육통과 같은 증상이 나타납니다. 이런 증상을 ‘카드뮴 블루’라고 부릅니다. 지나치게 많은 카드뮴에 노출되거나 장기간 노출되면 호흡기나 신장에 심각한 장애가 발생할 수도 있습니다. 일반적으로 인체는 독성을 지닌 물질을 흡수하지 않고 바로 배출합니다. 카드뮴은 인체에 필수적인 아연과 화학적 성질이 비슷하기 때문에 체내에 쉽게 흡수됩니다. 카드뮴이 체내에 유입되면 원래 아연이 담당해야 할 효소를 돕는 작용을 방해하여 신장 장애가 발생합니다. 이는 칼슘 대사에 이상을 일으키고 결국 뼛속의 칼슘을 빼앗게 되어, 골절이 발생하기 쉬운 상태로 약화시킵니다. 효소를 제대로 작동하게 만드는 아연의 자리를 차지해 효소의 활동을 방해하기 때문인데요. 따라서 카드뮴은 1급 발암 물질로 분류돼 국가적으로 산업에서 카드뮴 배출은 법률로 엄격하게 규제되어 관리하고 있습니다.

‘카드뮴’이 발견되기까지의 과정, 그리고 원소명의 유래

Friedrich Stromeyer 프리드리히 슈트로마이어 1776 ~ 1835 독일의 의사·식물학자·화학자·약학자

독일 약국감독장관이었던 슈트로마이어는 약국을 시찰하던 중 카드뮴의 존재를 알게 되었습니다. 당시에는 탄산아연을 태워서 산화아연을 제조했습니다. 원래 흰색이어야 할 산화아연이 노란색이 된 것을 보고 그는 아직 발견되지 않은 원소가 분명 섞여 있으리라 판단했습니다. 그리고 그의 예상대로 아직 발견되지 않은 원소를 분리하는 데 성공했습니다. 그리고 그 원소명은 calamine(산화아연 혹은 탄산아연)의 옛 이름인 그리스어 kadmeia에서 유래해 카드뮴(cadmium)이라고 명명했습니다.

‘카드뮴’은 어디에 사용될까요?

도료

도료

카드뮴이 가장 많이 쓰이는 곳은 페인트, 물감 등의 도료입니다. 카드뮴과 산소족 화합물을 이용해 만든 도료는 코발트, 크로뮴 등의 화합물로 만든 도료보다 색이 선명하고 다양하며 변색이 되지 않습니다. 1840년대부터 예술가들은 카드뮴 염료를 사용하기 시작했습니다. 이러한 빛에 바래지 않는 염료는 빈센트 반고흐나 클로드 모네와 같은 화가들의 위대한 작품들에서 발견할 수 있습니다. 물론 카드뮴으로 만든 도료 역시 체내에 들어가면 중독을 일으킬 수 있으므로 주의해야 합니다. 일부 예술가들은 아직도 카드뮴을 기반으로 하는 염료를 사용하고 있지만, 카드뮴의 독성에 대한 염려 때문에 카드뮴 염료를 대체할 합성염료가 개발되었습니다.

양자 점

양자 점 (quantum dot) 단세포생물 안에서 빛나는 양자 점

사진출처: National Institute of Standards and Technology

카드뮴은 인체에 매우 해로운 중금속이지만 첨단 산업에 널리 쓰이고 있습니다. 황, 셀레늄, 텔루륨과 같은 16족 산소족 원소와 결합해 나노입자를 형성하며, 자외선을 쬐면 크기에 따라 다양하고 선명한 색이 나타납니다. 이처럼 크기를 나노미터로 줄였을 때 전기적, 광학적 성질이 변하는 반도체 나노입자를 ‘양자 점(quantum dot)’이라고 합니다. 양자 점은 고해상도 디스플레이 제작에 활용되며, 독성 유출 방지 처리를 거쳐 바이오이미징(bioimaging, 생체 현상을 촬영해 영상화하는 기술), 바이오센서(biosensor, 생물학적 요소를 적용해 분석 물질의 유무를 탐지하는 기술) 등에 쓰입니다.

그 밖의 카드뮴 사용

1930년대에 자동차 차체나 비행기 동체에 아연도금의 수요가 커지면서 아연의 수요가 증가할 때까지는 카드뮴의 생산이 그리 많지 않았습니다. 아연과 마찬가지로 항공 산업에서 전기도금한 판을 제작할 때 카드뮴도 때로는 도금에 사용됩니다. 1970년대에는 황화카드뮴이 오늘날의 황화아연과 같이 플라스틱에 사용되었습니다. 그러나 카드뮴의 독성에 대한 염려 때문에 그 수요는 계속 줄어들었습니다. 유럽연합에서는 1990년대 들어와 플라스틱, 그리고 보석과 화장품에까지 카드뮴 사용을 금지했고 2011년에는 카드뮴 사용을 전면 금지했습니다. 그런데 1980년대 이후 카드뮴 판이 음극을 이루고 있는 니켈카드뮴 2차전지(NiCad)의 사용이 늘어나면서 카드뮴의 수요가 다시 증가했습니다. 최근에는 또 다른 전지인 수소화금속니켈(NiMH) 전지가 더 많이 사용되고 있습니다. 이 전지는 값이 싸고 독성이 있는 카드뮴을 포함하고 있지 않습니다.


한 눈에 보는 ‘카드뮴’ 설명

오늘은 색깔이 화려한 화합물을 만드는 원소로, 빈센트 반 고흐나 클로드 모네와 같은 화가들의 위대한 작품들에서도 발견할 수 있는 원소 카드뮴(Cd)을 소개해드렸습니다. 다음 ‘원소로 보는 화학사’에서는 동물(사람)의 분비물(소변)에서 처음 발견된 원소 ‘인(P)’에 소개해 드릴게요! 많이 기대해주세요~

 

 

<내용 출처> 누구나 쉽게 배우는 원소 (그림으로 배우는 118종 원소 이야기) / 원소의 세계사 (주기율표에 숨겨진 기상천외하고 유쾌한 비밀들) /원소가 뭐길래 (일상 속 흥미진진한 화학 이야기) / Big Questions 118 원소 (사진으로 공감하는 원소의 모든 것)

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