원소로 보는 화학사 Vol.032. ‘원자번호 15번 인(P)을 소개합니다’

지난번 ‘원소로 보는 화학사’에서 소개해드린 원소는 색깔이 화려한 화합물을 만드는 원소이면서 빈센트 반 고흐나 클로드 모네와 같은 화가들의 위대한 작품들에서도 발견할 수 있는 원소인 카드뮴(원자번호 48번)을 소개해드렸습니다. 오늘은 발견되기까지의 과정이 너무나도 흥미로운 원소 ‘인(원자번호 15번)’을 소개해드릴게요.

원자번호 15번 ‘인’을 소개합니다!

원자의 배열에 따라 각각 다른 인은 적린(붉은색 인), 흑린(검은색 인), 자린(보라색 인) 등 다양한 동소체가 존재합니다. 처음 발견된 인은 대부분 옅은 노란색을 띠어서 황린(노란색 인)이라고 했지만, 오늘날에는 거의 무색의 투명한 백린(흰색 인)을 얻습니다.

이렇게 다양한 인 중에서 반응성은 백린이 가장 높고 흑린이 가장 낮습니다. 적린은 공기 중에서도 안정성이 있어 성냥갑의 마찰 면에 사용하기도 하지만, 독성을 지닌 백린은 공기 중에서 불안정하여 자연 발화합니다. 또한, 백린은 독성이 매우 높아 몸에 닿는 것만으로도 사람을 중독시켜 죽음으로 몰 수 있습니다. 백리탄은 말 그대로 백린이라는 물질을 이용해서 만든 폭탄으로, 백리탄을 쏘면 백린이 하늘에서 폭발하며 사방으로 흩뿌려집니다. 그리고 사람 몸에 눌어붙어 몸을 불태웁니다. 백린으로 인해 붙은 불은 일반적인 불과 다르게 문지르거나 바닥에 굴려도 꺼지지 않습니다. 심지어 물속에 들어가도 씻기지 않아 물이 마르면 다시 저절로 불타오릅니다. 그래서 백리탄에 노출되면 사실상 그 부위를 도려내거나 아예 잘라낼 수밖에 없습니다.

사진자료: (CC)NBC, http://www.un.org

백린은 아무리 주의해서 취급해도 장기간 다루면 몸과 뼈에 쌓입니다. 그러면 다양한 증상으로 백린 중독 증상이 나타납니다. 이 병은 이가 어둠 속에서 빛나고 아프며, 아파서 이를 뽑으면 턱뼈까지 부서져 나오는 병입니다. 백린은 1995년 일본 도쿄 지하철 독극물 살포 사건, 2차 세계대전 당시 나치의 유대인 대학살에 사용된 독극물인 사린가스를 만드는 데도 쓰였습니다.

백린을 진공 상태에서 300℃로 가열하면 적린을 얻을 수 있으며 이때 독성은 없습니다. 백린의 표면에 적린의 막이 생기면 담황색으로 보여 황린이라고도 하는데 실제로 황린은 존재하지 않습니다. 자린은 금속과 같은 광택 때문에 금속 인이라고도 합니다. (사실상 금속은 아님) 흑린은 안정적이기에 공기 중에서 발화시키기가 매우 어렵습니다.

‘인’이 발견되기까지의 과정, 그리고 원소명의 유래

사진출처: Wikimedia Commons

인은 연금술 실험을 하다가 발견됐습니다. 1669년 독일의 연금술사 헤닝 브란트(Henning Brandt)가 은을 금으로 바꾸는 실험에서 자신의 소변을 모아 증발시키던 중 빛을 내는 신비한 물질, 인을 발견한 것입니다. 그는 오줌의 수분을 증발시킨 잔류물을 진공상태에서 가열하고, 이때 생성된 증기를 수중에서 응축하여 고체를 얻어냈습니다. 생물시료에서 원소를 발견한 것은 원소의 발견역사 중에서도 매우 드문 일이라고 합니다. 당시 ‘현자의 돌’을 발견했다는 소문이 돌아 폭발적인 관심을 끌었다고 합니다. 원소명은 그리스어 phos(빛)과 phoros(운반하다, 가져오다), 두 단어를 합쳐서 ‘빛을 가져오는 자’라는 뜻의 그리스어 ‘phosphoros’로부터 유래했습니다.

‘인’은 어디에 사용될까요?

인은 생명의 핵심 요소라고 할 수 있습니다. DNA와 아데노신삼인산(ATP)은 인을 함유하는 생체분자로, 놀랍게도 인은 인간을 비롯한 동식물의 생명 유지에 꼭 필요한 물질입니다. 생명체의 유전 정보를 담은 DNA도 인 산화물로 되어 있으며, 근육과 생체 반응의 주 에너지로 쓰이는 아데노신삼인산(ATP)에도, 세포의 형태를 유지시키는 세포막에도 인이 포함되어 있습니다. 몸 안의 산도를 적정 수준으로 맞추는 데오 인이 작용합니다. 그러다 보니 적정량의 인은 생체에 적합해 음식물의 산화제로도 활용됩니다. 대표적인 음식물이 콜라입니다. 그 밖에 성냥의 제조에 사용되는 적린, 반도체 제조에 활용되는 흑린 등도 고체 상태로는 인체에 독성이 거의 없습니다.

한편 비료에서 인은 질소, 포타슘과 함께 식물에 필요한 3원소의 한 축을 담당합니다. 19세기 초 독일의 리비히가 식물에 함유된 무기물을 분류한 결과 이 세 성분이 결핍되면 작물의 생육이 저해된다는 사실을 밝혀낸 바 있습니다. 이 사실에 근거하여 식물이 질소, 포타슘, 인을 흡수하기 쉬운 비료를 만들어 수확량을 크게 증대시킬 수 있었습니다. 이렇게 인은 오늘날 다양한 분야에서 유용하게 쓰이고 있답니다.

오늘은 흰색, 붉은색, 검은색, 보라색 등 다양한 색깔, 다양한 동소체로 존재하는 원소 인을 소개해드렸습니다. 다음 ‘원소로 보는 화학사’에서는 강철 합금과 건전지에 쓰이는 원소 ‘망간(원자번호 25번)’에 담긴 재미있는 화학이야기로 찾아오겠습니다. 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)