| 15P 인 燐 | Phosphorus | |||
| 분류 | 다원자 비금속 | 상태 | 고체 |
| 원자량 | 30.973761988 | 밀도 | 1.823 g/cm3 |
| 녹는점 | 44.2 °C | 끓는점 | 280.5 °C |
| 용융열 | 0.66 kJ/mol | 증발열 | 51.9 kJ/mol |
| 원자가 | 5 | 이온화에너지 | 1011.8, 1907, 2914.1 kJ/mol |
| 전기음성도 | 2.19 | 전자친화도 | 72 kJ/mol |
| 발견 | Hennig Brand (1669) | ||
| CAS 등록번호 | 7723-14-0 | ||
| 이전 원소 | 규소(Si) | 다음 원소 | 황(S) |
1. 개요
주기율표 제15족에 속하는 질소족 원소. 성냥에 사용된다고 알려져 있지만 정확히는 성냥이 아니고 성냥갑의 마찰면의 주성분이 적린으로 이루어져 있다. 성냥대가리는 붉은 색을 섞은 염소산칼륨이 주성분이다.2. 발견 및 어원
1669년 독일의 헤닝 브란트(Hennig Brand)가 은을 금으로 바꾸는 액체를 만들기 위해 공기를 차단하고 오줌을 약 40양동이 분량(약 5,000L)을 모아 오랜 시간에 걸쳐 강열[1]하면서 발견하였다. 브란트는 이 제조법을 비밀로 하였으나, 그 물질 자체가 발하는 차갑고 사라지지 않는 빛이 사람들의 주의를 끌게 되어 여러 가지로 연구되었다.1680년 영국의 로버트 보일에 의해서 오줌에서 같은 물질이 석출되어 원소로서의 인이 확인되었다. 그때까지 어두운 곳에서 빛을 발하는 것은 모두 phosphorus라고 불렀는데(그리스어로 phos는 빛, phoros는 운반자라는 뜻), 그 후 이것이 인의 명칭이 되었다.
한편 燐이라는 글자는 원래 '도깨비불 린'으로, 시체 주위에 날아다니는 도깨비불을 본뜬 글자다. 실제로 도깨비불은 시체나 뼛속의 인이 공기 중에서 발화하면서 일어나는 것이라고 한다.
3. 특징
인은 많은 동소체가 존재하며 누리끼리한 왁스 형태의 백(황)린, 검고 광택이 있어 흑연과 비슷해 보이는 흑린, 희귀한 자린, 그리고 성냥갑에 묻어있는 형태로 흔히 볼 수 있는 적린 등이 있다. 이것들은 각각의 원자의 배열이나 성질이 다르다. 적린은 백린을 진공 속에서 300℃ 이상 가열하면 얻을 수 있다. 백린은 공기 중에서 자연발화하기 쉬운 반면, 적린은 공기 중에서도 안정되어있기 때문에 성냥 등에 쓰인다. 또 흑린은 금속과 같은 광택을 가지고 있기 때문에 금속 인이라고도 부른다.| | ||
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유기인계 화합물은 맹독성인 경우가 많으므로, 농약이나 살충제 등으로 자주 쓰이며 취급에 주의를 요한다. 대표적인 예가 포스핀 (PH3)으로, 맹독성에 38℃라는 낮은 발화점, 매우 높은 화학 반응성, 폭발성이라는 온갖 위험성을 두루 갖추고 있는 골치 아픈 기체이다.
사람의 뼈는 인회석과 석회석으로 이루어져 있는데 반응성 높은 백린의 경우 사람의 뼈에 자연스럽게 결합해 강력한 독성을 나타낸다. 산소가 부족하고 물이 존재하는 환경에서 백린은 포스핀을 형성하는데 이 포스핀은 미토콘드리아 내부의 시토크롬 c 산화효소의 합성을 억제하여 세포 사멸을 유도한다. 그렇게 전신의 미토콘드리아가 파괴되고 세포 괴사가 일어나면서 인악(phossy jaw)을 비롯한 끔찍한 질병에 걸리게 된다.생명체의 필수 6대 원소 중 하나이기도 하다. 지금까지 알려진 지구상의 모든 생명체는 탄소, 수소, 질소, 산소, 인, 황을 포함하고 있으며 인간의 경우 체중의 약 1%를 차지하고 있다. 대표적인 성분으로는 유전물질 DNA(디옥시리보핵산)나 몸의 에너지가 되는 ATP(아데노신삼인산), 그리고 뼈를 이루는 인산염(인산칼슘), 세포막인 인지질이다. 그 밖에 비료로도 사용되며 질소나 칼륨과 함께 비료의 3대 요소라 불린다.[2] 특히 DNA는 생명의 근본적인 실체라고 해도 좋은 요소이고 ATP는 해당과정이나 세포호흡이나 생명의 에너지 대사의 핵심적 물질이라 우리가 아는 지구상의 모든 생명에 있어서는 핵심적 역할을 하는 원소이다.
지각 토양에 대체로 인의 함량이 부족해서 리비히의 최소량의 법칙으로 육상 동식물의 성장과 생명현상을 제한하는 가장 부족한 원소가 인인 경우가 많다. 인의 화합물은 물에 잘 녹기 때문에 토양의 인산 성분이 비로 씻겨나가 강이나 바다로 흘러가고 육지로 다시 잘 순환되지 않기 때문이다.[3] 동물은 먹이에서 섭취할 수 있지만 육상식물은 늘 인이 부족한 상황이다.
그래서 비료의 성분으로 널리 쓰이며 농업이나 산업적인 수요가 많다. 질소는 하버법 등으로 공기 중의 질소를 고정해 만들 수 있지만 인은 공업적으로 만들 수가 없고 땅에서 캐는 수밖에 없다. 또 인산염은 물에 잘 녹아서 쉽게 씻겨나가므로 건조한 지역이 아니면 대량의 인이 집적된 광산을 발견하기 어렵다. 그래서 과거 동물의 똥이 퇴적되어 만들어진 구아노같이 인이 집적된 인광석은 경제적 가치가 높고 인광석이 발견되어 순식간에 떼부자가 된 나우루나 모로코 같은 나라도 있고 여러 국제분쟁의 원인이 되고 있다. 과거의 예시로 태평양 전쟁(남아메리카)이 있고 현재도 아프리카 서부 모로코-사하라 아랍 민주 공화국 관계 분쟁의 원인이기도 하다.
사하라 사막은 매우 건조한 지역이라 토양의 인이 씻겨나가지 않아 토양에 비교적 인 성분이 풍부하고 대규모 인광산이 발견되기도 한다. 이 사하라 사막의 모래바람으로 풍부한 인이 포함된 미세먼지가 발생하고 열대 무역풍을 타고 대서양을 건너가 남미 아마존 지역에 비로 내리며 아마존의 열대우림에 인 성분을 공급하기 때문에 아마존의 막대한 식물 식생을 지탱할 수 있는 것이다. 그래서 일부 학자는 사하라 사막이 초원으로 변하면 아마존 밀림의 식생밀도가 낮아질 것이라고 주장한다.
또 수질오염의 원인으로 농경지에서 흘러나온 인과 질소 성분이 강물이나 호수, 바다에 흘러들어 부영양화로 인한 녹조나 적조 발생의 원인이 되기도 한다. 즉 인이 부족해서 강이나 호수의 녹조 생장이 억제되었는데 인이 대량으로 흘러드니 봉인이 풀리며 이상 번식을 하는 것. 그래서 질산염과 인산염의 수중농도가 수질오염의 지표이다.
그런데 6대 원소 중 다른 원소들은 비교적 다른 행성이나 태양계 외의 외계행성에서도 흔하게 발견되지만 인은 태양계나 지구 외의 외계행성에서는 흔하지 않은 원소이다. 그게 어느정도나면 우리은하에서 니켈보다 적다.인은 탄소와는 달리 일반적 주계열성 별의 원소합성으로 많이 만들어지는 원소가 아니다. 비교적 드문 Type II 초신성에서 주로 합성된다. 그래서 인을 지구만큼 풍부하게 함유한 행성은 발견하기 어렵다. 인은 탄소계 생명 발생에 핵심적 원소이므로 인이 부족한 외계행성에서는 생명 발생이 어렵고 우주 전체에 생명 발생이 흔하지 않은 이유의 하나로 여겨진다. 특히 지구는 유난히 인이 풍부한 편이고 원시 지구에도 인이 0.1% 정도로 탄소보다 흔할 정도로 비교적 풍부하게 있었고 이것은 상당히 특이한 일이다. 이것은 희귀지구설의 근거 중 하나이기도 하다. 질소도 구성비로는 매우 적고 인이나 탄소보다 훨씬 양이 적은 원소이기는 하지만 화합물을 잘 만들지 않기 때문에 행성 표면에서 기체 상태로 대기 중에는 흔하고 다른 행성들도 질소는 대기 중에 지구만큼은 가지고 있어서 특별한 건 아니다. 이것이 인을 이용하는 생명이 지구에서 발생할 수 있는 매우 유리한 조건이다.
또 1995년 옴진리교의 도쿄 지하철 사린 사건에 쓰인 사린(Sarin)도 인이 포함된 화합물이다. 사린은 신경 정보전달에 관여하는 아세틸콜린에스테라아제라는 효소의 활동을 방해해 사람을 죽음에 이르게 만드는 맹독이다. 아주 불안정한 물질이라 소량이면 실험실 정도의 시설에서 생산할 수 있지만 대량 생산하려면 대규모의 설비가 필요하다.
그리고 인산으로서 산화제로도 사용되며 콜라에 많이 들어간다. 인산 때문에 콜라로 녹을 없앨 수도 있다고 한다. 그리고 가공식품의 산도조절제로 많이 쓰인다.
인과 질소가 연속 사슬을 이루면 폴리포스파젠(Polyphosphazene)이라는 고분자가 되며, 성질은 실리콘과 비슷하다.
4. 백린(황린)
결정이 백색 또는 황색을 띠고 있어 황린이라고도 한다. 위험물안전관리법에서는 황린으로 명시되어 있다. 대표적인 '제3류 위험물\'이다. 백린과 황린은 차이점이 없다. 그냥 빛 때문에 백린의 일부가 적린으로 변하면서 색이 누리끼리해진 것이 황린.적린이나 흑린, 자린은 고체상태에서도 인체에는 거의 무해하고[4] 그냥 '불붙이면 타는' 정도라 그래도 덜 위험한 편이다. 제대로 관리하면 문제될 것이 없고 불이 나도 소화기로 끄면 된다. 하지만 백린은 그 위험성이 상상을 초월한다.#
인 원자 4개가 삼각뿔 모양으로 모인 분자 구조를 가지고 있어 산소와 결합하기 쉽기에 공기 중에서 자연 발화가 되는 데다가 발화점이 겨우 30℃ 정도밖에 되지 않는다! 산소를 차단하거나 물을 부어 불을 꺼도 공기와 다시 닿으면 몇 분 후 다시 활활 타오른다. 자연 발화를 막기 위해 보관 시에는 약염기성의 물에 넣어서 보관해야 한다.
또한 성인 기준 치사량이 경구 섭취 시 15~100mg 수준의 상당한 맹독성을 자랑한다. TOXNET 자료 기준으로, 동일 자료에 명시된 반수 치사량은 1mg/kg이다. 치사량이 0.03g이라고도 하는데 해당 서술도 틀린 것이 아닌 것이, 연구논문에 따라 치사량이 상당히 들쭉날쭉하며 임상 사례 중에서는 심지어 1g(치사량 10배)을 경구섭취했는데도 생존한 사례도 있다. 그나마 유효량(Effective Dose)은 15mg 내외로 일정하게 나온다. LD50을 기준으로 경구 섭취 시 청산가리의 5배(!)에 해당하는 독성이다. 청산가리의 LD50이 5mg/kg, 백린(황린)의 LD50이 1mg/kg.
이러한 독성은 보통 미토콘드리아의 작동을 방해하기에 발휘되는 경우가 많다. 청산가리의 경우도 미토콘드리아가 산소와 결합하지 못하게 방해해서 세포사멸을 유도하기에 강한 독성을 가진다. 백린은 체내 환경에서 포스핀을 쉽게 형성하는데 이 포스핀이 미토콘드리아 내부의 시토크롬 c 산화효소 합성을 억제해서 결과적으로 전신의 세포사멸을 유도한다. 쉽게 말해서 백린이 체내에 흡수되면 급성 시토크롬 c 산화효소 결핍증을 일으킨다. 하술할 인악을 비롯한 괴사성 질환도 바로 백린에서 비롯한 포스핀의 세포독성 때문에 발생한 것이다.
산업혁명 초기에 발명된 성냥은 백린으로 만들어져서 길가 벽돌에다 직- 그어도 불이 붙었고 성냥을 코트 주머니에 넣어뒀다가 코트 태워 먹고 화상 입은 사고가 많았으며, 당시 성냥공장에서 일하던 많은 직원들은 백린의 독성으로 인해 인악(Phossy jaw)이라는 끔찍한 병으로 죽어갔다. 인악은 턱뼈의 인산칼슘이 인과 반응해 턱뼈가 괴사하는 질병이다. 처음엔 치통 정도로 시작했지만 치료를 위해 치아를 뽑다 보면 치아가 박혀 있던 턱뼈 조각까지 같이 뽑혀 나오는 끔찍한 일이 발생하기까지 했다. 또한 이렇게 뽑힌 턱뼈 조각은 백린에 심하게 오염되어 어둠 속에서 빛까지 났다고 한다. 이후 턱뼈의 괴사가 진행되며 턱이 뭉개지고 살까지 곪아 역겨운 냄새를 풍기는 고름이 입 속과 턱 군데군데서 줄줄 흘러나온다. 턱이 박살이 나니 제대로 된 섭식이 불가능해지고 패혈증 등 감염에도 취약해지며, 인이 턱뼈를 넘어 두개골까지 침식하기에 인악에 걸린 사람은 대단히 느리고 고통스럽게 죽게 된다. 이렇게 백린의 무서운 반응성과 독성 때문에 현재 백린성냥의 제조 및 판매, 사용은 산업안전보건법에 의해 금지되어 있다. 성냥팔이 소녀가 이러한 실화를 바탕으로 지어진 동화라는 해석[5]도 있다.
보통 서부영화에서 아무 데나 그으면 불이 붙는 편리한(?) 성냥, 일명 딱성냥이 바로 이것이다. 발화점이 겨우 30℃에 불과해서, 여름철 한낮에 밀폐된 차 안에 두기만 해도 불이 붙을 정도다.[6] 현재 판매되는 딱성냥은 백린을 사용하지 않고 삼황화인(phosphorus sesquisulfide; P4S3)을 사용해 백린 성냥보다는 훨씬 안전하지만, 그래도 마찰에 취약하기 때문에 백린성냥과 마찬가지로 한국에서는 제조, 판매가 금지된 지 오래고 미국에서도 취급하는 업체가 점점 줄고 있다.
이러한 강한 인화성 때문에 간혹 물속에서 용존산소를 뺏어서 탄다는 속설이 있지만, 실제로는 물 안에 넣으면 산소가 차단되어 불이 꺼진다.(물의 엔탈피가 백린이 반응하기에 상대적으로 높은 탓도 있다.) 못 믿겠으면 당장 위에서 보관 시에 무엇에 넣어서 보관한다고 써놓았는지 보자.
다만 물 속에 넣었다 하더라도 충분히 냉각되지 않아 인화점 이상의 온도를 가진 상태에서는 물 속에 넣어서 불꽃이 완전히 꺼졌다 하더라도 물 밖으로 꺼내면 다시 산소와 결합하여 타오를 수가 있다. 또한 덩어리 상태의 백린에 불이 붙었을 때, 강한 압력으로 물을 뿌려버리면 백린 덩어리가 부서지면서 여기저기 튀어서 화재를 확산시키는 경우가 발생하기 때문에 물을 뿌릴 때 안개처럼 흩어지게 뿌려서 백린 덩어리를 적셔야 하는데[7] 이 말이 와전된 것으로 추측된다.
간혹 물속에서도 탄다는 속설에 더해 불붙은 인이 몸에 닿으면 응급처치로 칼로 긁어서 제거해야 한다거나 피부째 도려내버려야 한다는 말이 있는데, 이는 물이 부족한 환경에서 의무병이나 군의관들이 부득이하게 처치한 것을 과장한 말이며, 미국 NIH에서 권고하는 응급처치법은 다량의 흐르는 물로 씻어내거나, 부득이한 경우 일단 몸에 붙은 큰 덩어리를 털어서 떼어낸 다음 물에 적신 천을 환부에 감싸 인이 산소와 접촉하지 못하게 한 뒤, 신속하게 의사의 진료를 받는 것이다.
위에서 언급한 인의 독성 때문에 빨리 떼어내는 게 중요한 게 아니냐는 의문을 가질 수 있는데, 인간의 피부는 의외로 외부 물질에 대한 저항력이 강해 쉽게 피부로 흡수되지 않는다. 오히려 백린을 뗀답시고 칼로 긁거나 째서 만든 환부를 통해 인이 더 쉽게 유입될 수 있으니, 만약 불붙은 백린이 피부에 묻었다면 함부로 칼을 들지 말고 잽싸게 덩어리를 털어낸 다음 물을 들이붓거나 정 안 되면 환부에 침이라도 뱉어서 우선 산소와의 접촉을 차단하자. 단, 산소를 차단한답시고 지용성 연고나 기름을 바르면 오히려 이들 성분이 인을 더 침투하게 하므로, 반드시 물이나 수용성 물질로 환부를 도포해야 한다.
이 강한 인화성은 군에서도 주목받아 네이팜이 퍼지기 전에는 인화성 폭탄이라고 하면 백린+인화성 물질로 만든 백린탄이 주력이었다.
일부 군대 등에서는 소이탄 이외에도 연막차장 목적으로 백린 연막탄이라는 물건을 쓰고 있다. 이건 독성이 있으나 연막제로 사용 시에는 생화학무기 관련 국제 규정에 규제받지 않는 데다, 연막제로서의 성능이 좋아서 강대국 마음대로인 국제법이 제대로 작동하지 않는 게 문제다.
연막제로서의 성질을 보면 연막 생성 시 인을 제외한 나머지 물질인 산소와 물을 공기 중에서 가져와 오산화인(phosphorus pentoxide; P4O10)으로 만들기 때문에 현존하는 화합물 중 가장 작은 부피로 가장 많은 부피의 연막을 생성할 수 있다. 문제는 이 오산화인도 매우 독성이 강하다는 것. 무수 오산화인(고체)은 황산에서 물을 뽑아내서 삼산화황으로 돌려버리는 충공깽의 탈수력을 자랑한다[8]. 그리고 흡수한 물에 스스로 녹아 인산(H3PO4)이 된다. 인산이 염산, 황산, 질산 등의 2티어급 강산보다는 약하지만 웬만한 유기산보다는 산도가 높으므로 흡입 시 구강, 기관지, 폐포의 점막손상이 매우 심할 수 있다.[9]
또한 어찌 됐든 백린이 다량 포함된 물건이니 소이 및 살상 효과도 상당해서 살갗에 닿으면 계속 타들어가며, 공기와 접촉하면 자연발화하는 물질이라 잘 꺼지지도 않는다. 혹시나 몸에 붙었다고 놀라서 문지르기라도 하면 공기와의 접촉면적이 늘어나면서 상황이 악화된다. 백린 노출에 대한 중화제나 제독제는 없으며, 흐르는 물로 피부에 묻은 백린을 제거하는 것이 최선이고, 피부에 남은 백린을 확인하기 위해 황산구리를 사용할 수는 있다.
황산구리의 사용에 대해 이독제독이라는 표현을 쓰며 백린의 반응을 줄인다고 보기엔 KMARK-1이 신경작용제(독)의 반대작용을 하는 독(아트로핀 주사)을 주사해서 증상을 완화하는 것에 적합한 표현이며, 황산구리의 작용에 적용하기엔 무리가 있다. 백린 노출에 대한 황산구리의 사용은, 황산구리의 독성작용이 백린의 독성작용과 반대되는 작용을 해서 막는 것이 아니라 황산구리가 백린과 반응하면서 검은색으로 변색되는 걸 이용해 피부에 남아있는 백린을 확인하기 위함이다. HSDB 자료 중 0.4.5 피부접촉 항목 2조 제염(Decontamination) C항의 1)에서 황산구리의 작용에 대해 설명하는데,해독제나 중화제가 아니라고(However, it is not an antidote or neutralizing agent.) 분명히 명시하고 있다.
한편 야전이라 물이 부족하다면 큰 덩어리를 털어서 떼어낸 다음 환부를 젖은 진흙, 또는 물에 적신 천으로 잘 덮어 공기와의 접촉을 차단해야 하며 이조차도 불가능하다면, 소량만 묻었을 경우 총검으로 피부에 붙은 백린을 긁어내는 것으로 응급처치를 하기도 하지만, 이는 백린과 공기의 접촉을 차단할 방법이 정말 없는 최악의 경우에나 시행하는 방법으로 생각해야 한다. 총검으로 긁어내는 응급 대처법은 국방부 진중문고 중 베트남에서 실전을 겪은 장성의 저서에 적힌 내용이다. 제목은 전장의 생존술, 저자 강창구(2016년 당시 육군 소장)로 추정된다.
그나마 피부에 묻었을 경우엔 이러한 방법이라도 쓸 수 있지만, 만약 가루를 흡입하거나 하면 답이 없다. 이런 무기를 이스라엘은 2009년에 민간인 거주 구역에 마구 퍼부어대서 국제적으로 엄청나게 욕을 먹었다.
군 복무 중에 흰색이나 연녹색 탄에 붉은색 글자로 WP라고 쓰인 채 보관된 탄두가 보이면 백린 연막탄이니(White phosphorus) 취급주의. 섭씨 44.1~44.2도에서부터 녹는다고 하며, 일부 이 기온을 찍는 지역들에선 녹아 흐를수 있기 때문에 여름철 가장 더운 시기, 특히나 40도를 잘만 찍는 대구분지 지역들과 거기에 근접하는 모든 영남권 지역들의 경우 세워서 보관하는 것이 좋으며, 혹시나 이 탄두가 눕혀져 있다면 안전에 조심하면서 최대한 빨리 똑바로 세워놓자. 실제로 백린탄 계열은 그 특유의 위험성 때문에 대부분이 일반 탄약고가 아닌 자연 환기장치가 마련된 이글루형 탄약고에 보관되고 있다. 포병들도 탄약고에 직접 들어가 보지 않는 이상 야전교범의 사진으로만 접하다 전역하는 경우가 태반.
[1] 強熱, 수백 도 이상으로 강하게 가열[2] 대표적으로 인광석이 인산염을 이루는 비료이며 이것 때문에 나우루는 흥망성쇠를 겪게 되었다.[3] 해저로 들어가버리면 인을 포함한 바위가 융기되어야 순환이 된다. 이 과정은 지질학적인 시간이 소요되는 과정이다 보니 생태계 내 원소 순환을 그리는 다이어그램에서는 그냥 심해로 들어가고 끝나는 식으로 그리는 경우도 꽤 잦다.[4] 사람의 뼈에도 인회석의 형태로 평범하게 인이 함유되어 있다.[5] 소녀가 성냥을 켤 때마다 봤던 환상이 동화적 표현이 아니라 백린의 독성에 의한 환각이라는 해석[6] 인화점은 대략 20℃[7] 연무형 노즐이라고 한다. 유류 화재에 물을 뿌릴 경우 사용되는 노즐이기도 하다.[8] 황산도 탄수화물로 이루어진 설탕이나 종이에 떨어뜨리면 탄수화물의 분자구조를 박살내고 강제로 H와 O를 뽑아 물을 합성해 스스로 이온화하면서 C만 남겨 시꺼먼 숯을 만들어버릴 정도로 자체 탈수력이 대단히 강한 물질이다. 하지만 오산화인은 그 황산보다도 탈수력이 더 강하다는 것.[9] 인산이 콜라에도 들어있어서 별거 아닌 걸로 생각될 수 있지만, 산업현장에서는 보통 금속 표면의 이물질을 제거하는 용도(피클링)로 사용된다. 강산은 아니라도 충분히 독하다는 얘기.