우리가 몰랐던 원소 이야기

화학 원소는 우리가 사는 모든 것을 구성하는 기본 단위이다. 원소를 이해하는 것은 세상을 이해하는 한 가지 방법이라고 생각한다. 우리가 손에 들고 다니는 핸드폰부터 저 멀리 태양을 이해하는데도 이런 원소를 이해한다면 좀 더 다른 시선으로 세상을 바라 볼 수 있다. 또한 건강도 마찬가지다. 우리 몸에서 일어나는 질병과 치료는 모두 이런 원소의 특징이나 성질을 이용한 것이라고 할 수 있다. 간략한 내용을 적지만 흥미 삼아 글을 읽어보는 것도 좋겠다.

 

 

예전 연금술사들은 다양한 방법으로 금을 만들기 위해서 다양한 실험을 진행했다. 결과적으로 모두 실패했지만 그들의 연구를 토대로 오늘날 화학이 발전했다고 해도 과언은 아니다. 그 당시는 몰랐겠지만 금은 분자가 아닌 하나의 원소다. 요리처럼 여러 물질을 조합하고, 끓인다고 해서 만들어지는 것이 아니란 이야기다. 원소는 모두 우주에서 유래한다. 그 이유는 원소는 섭씨 1000만 도를 넘어야 생성될 수 있기 때문이다. 결코 지구에서는 원소가 만들어지지 않는다. 마그마의 경우는 기껏해야 1000도 정도이므로 지구에는 1000만 도를 넘는 곳이 없다. 고온에서 다이아몬드는 만들어질지는 몰라도 그것을 구성하는 탄소원자는 만들어지지 않는다. 이 사실을 연금술사들이 알았다면 금보다 다이아몬드를 만들기 위해 노력했을텐데...

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원소가 만들어지는 곳

 

지구에서는 자연적인 원소가 만들어지지 않는다. 그 이유는 1000만 도 이상의 온도에서 새로운 원소가 생성되기 때문이다.

그렇다면 원소가 만들어지는 곳은 어디일까?

 

1.빅뱅 직후

(빅뱅 직후 1초 후의 온도는 100억도이니 핵간 충돌을 통해 새로운 원소 생성된다.)

2. 항성 내부

(태양 같은 항성의 내부온도는 1500만 도여서 수소가 결합하여 헬륨이 만들어진다. 그러나 태양 표면은 5500도 온도가 낮아서 새로운 원소가 만들어지지 않는다.)

3. 초신성 폭발

(태양 10배 이상되는 항성의 폭발로 철보다 무거운 원소들이 대부분 여기서 만들어진다고 알려져 있다.)

 

우리가 이용하는 거의 모든 원소들은 우주로부터 온 것이다.

 

결국 모든 원소는 철이 된다.

 

철보다 가벼운 원소는, 예를 들어 수소는 핵융합을 통해 더 무거운 헬륨이 된다. 헬륨은 또 핵융합을 일으켜 탄소, 질소, 산소 같은 무거운 원소가 된다. 이 과정은 아주 오랜시간에 걸쳐 철이 될 때까지 일어난다. 반대로 철보다 무거운 우라늄이라 플로토늄은 핵분열을 하면서 무게를 줄여, 결국 철까지 몸무게를 줄인다.

모든 원소는 에너지가 안정된 철을 목표로 한다.

 

결국 작은 원소는 작아서 불안하고, 큰 원소는 커서 불안하다. 이런 불안은 핵융합, 핵분열을 통해 안정화된다. 그리고 안정화되는 과정에 나오는 에너지는 수소폭탄, 핵폭탄의 원리이다. 

 

인체를 구성하는 원소

 

1. 수소 62.7% -물 분자를 구성

2. 산소 23.8% - 물 분자를 구성

3. 탄소 11.8% - 탄수화물, 지방과 단백질에 풍부하게 존재

4. 질소 1.17% - 아미노산을 구성

5. 인 0.23% - DNA, 뼈와 치아의 재료

6. 칼슘 0.22% - 뼈와 치아의 재료

7. 황 0.04% - 아미노산 메티오닌에 포함. 피부와 머리카락, 손톱의 재료.

8. 나트륨 0.04% - 근육과 신경 작동

9. 칼륨 0.03% - 근육과 신경 작동

10. 염소 0.02% - 뇌 신경 전달물질

11. 마그네슘 0.01% - 뼈에 함유

 

인체를 구성하는 원소들은 원자번호가 작은 원소, 그리고 우주에 흔한 원소로 구성되어있다.

희토류

최근 희토류는 자원으로서의 그 가치가 급상승 했다. 희토류는 LED나 텔레비전 같은 형광체, 연료전지, 배기가스의 정화장치 같은 첨단 기술 제품에 사용된다. 희토류의 특징은 강력한 자석을 만들 수 있기 때문인데 병원의 MRI 또한 희토류를 사용한다. 또한 전기자동차나 리니어모터카 등에서 사용되므로 강력한 자석의 수요는 앞으로도 계속 증가할 것이다.

희유 금속, 희토류

희토류는 녹는점이 상당히 높고 열전도율이 높기 때문에 희토류 자석은 열에 강하고 장시간 계속해서 사용할 수 있는 장점이 있다. 

희토류 광산 자체는 아시아, 북유럽, 아프리카, 남북 아메리카, 호주 등 세계 각지에서 발견된다. 하지만 그 대부분은 경희토류가 채굴되는 광상이다. 중희토류를 캐낼 수 있는 광상은 현재로서는 중국 남부밖에 갤발되지 않았다. 그래서 중희토류는 중국에 의존할 수밖에 없다.

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원소 이야기

 

1. 헬륨

헬륨은 수소에 이어 두번째로 가벼운 기체로 기구나 비행선을 띄울 때 사용된다. 헬륨은 공기 중에도 포함돼 있지만 너무 희박해서 공기에서 추출하기는 어렵다. 현재사용하는 헬륨의 대부분은 천연가스에서 채취한 것이다. 보통 헬륨은 수소의 가격보다 4배 이상 된다. 그래서 옛날에는 헬륨대신 수소로 기구나 비행선을 띄웠지만 잦은 사고로 수소를 대신하여 헬륨이 차지하게 되었다.

 

2. 네온

네온사인은 네온이 봉입된 유리관의 양끝에 전압을 걸어서 방전시키면 발광하는 성질을 이용한 것이다. 네온이 발광하는 것은 전자궤도와 관련이 있다. 전압을 걸어서 방전 시키면서 높은 에너지가 네온의 원자에 부여돼서 안정된 궤도를 돌던 전자가 바깥 궤도로 밀리고 다시 안정된 궤도로 돌아오면서 남은 에너지가 빛으로 방출된다. 이것이 네온사인의 원리이다.

 

3.아르곤

아르곤은 질소와 산소에 이어 대기 중에 세 번째로 많은 원소이다. 형광등 속에 봉입된 기체는 대부분 아르곤이다. 아르곤을 사용하는 이유는 고온이 돼서 빛을 발하는 필라멘트의 산화증발을 막기 위해서 이다. 18족에 속하는 아르곤이 방전되거나 고온이 돼도 전혀 화학반응을 일으키지 않는 성질을 이용하는 것이다. 또한 아르곤은 꽃가루 알레르기 치료에 사용하는 원소이다. 꽃가루 알레르기가 생기면 코의 점막에 알레르기 반응이 일어나기 때문에 콧물이 나오거나 코가 막힌다. 그러나 점막을 달구면 콧물이나 코 막힘 현상을 일어나지 않는다. 아르곤을 플라스마 상태로 만들어 코의 점막에 불어넣으면 단기간 치료가 끝난다. 

 

4.크립톤과 제논 

네온을 발견할 때 같이 발견된 것이 크립톤(Kr)과 제논(Xe)이다. 클립톤은 '숨겨진 것'이라는 의미의 그리스어에서 온 것이다. 제논은  '낯선 것'이라는 그리스어에서 온 것이다.

크립톤은 아르곤과 마찬가지로 백열전구에서 사용된다. 아르곤보다 필라멘트가 더 오래 지속되지만 비싸기 때문에 고급 샹들리에만 사용된다.

제논은 더욱 희귀하여 더 비싸고 특수한 용도로 사용된다. 진공의 우주 공간에서 이동하기 위해서 무거운 것을 고속으로 뒤로 쏘면서 그 반작용으로 앞으로 나가는데 기체 중에 무거운 원소인 제논을 이용하여 엔진추진제로 사용된다.

 

5.라돈과 온천

18족원소 중에 가장 무거운 원소는 라돈이다. 라돈은 2족의 알칼리 토금속에서 속하는 원소로 방사성 물질이다. 이것이 알파선을 방사해서 붕괴하면서 라돈이 만들어진다. 라돈온천은 일본에서 유명하다. 라돈 또한 방사선 물질이지만 약해서 치료효과가 있다고 하지만 아직 확실하진 않다.

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독성을 지닌 원소

 

독성이 있는 원소의 특징은 두 가지가 있다.

-주기율표에서 인체가 자주 사용하는 원소의 바로 아래에 있는 원소는 독성이 있는 경우가 많다.

-전이원소는 가로 방향으로 원소의 성질이 거의 같다. 건강에 유익한지 유해한지에 관해서도 예외가 아니다.

 

아연은 건강을 위해 적극적으로 섭취해야 할 원소가 된 것에 반해 카드뮴과 수은은 인체에 독이다. 카드뮴과 수은은 주기율표에서 아연의 바로 아래에 위치하므로, 가장 바깥쪽 궤도가 정말 많이 닮았다. 즉, 이 세 개의 원소는 화학적인 성질도 닮았다. 카드뮴과 수은은 화학적인 성질이 아연과 닮았기 때문에 아연의 흡수하는 경로를 따라서 인체에 흡수되기 때문에 위험하다.

 

1. 아연(Zn)

모든 생물은 효소 작용으로 생명을 이어간다. 인체의 100종 이상의 효소가 아연에 의해 활성화된다. 아연이 결핍되면 미각이나 정자형성에도 영향을 미친다. 또한 적혈구 형성에서 관여해서 아연이 부족할 경우 빈혈이 일어나기도 한다. 같은 이유로 백혈구도 적어지므로 면역력의 저하로 이어진다.

 

2. 카드뮴(Cd)

일본에서 일어난 공해병 중 '이타이이타이병'의 원인으로써, 가미오카 광산에서 흘러나온 카드뮴이 벼에 축적된것이 원인이 되었다. 사실, 가미카오 광산은 아연을 채취하는 광산이다. 아연광석에는 1%의 카드뮴이 불순물로 함유되었고 이것이 흘러나온 것이다. 카드뮴이 축적된 쌀을 먹은 사람들이 '이타이이타이병'에 걸렸다. '이타이이타이병'은 전신의 뼈에서 칼슘이 빠져나가 뼈가 텅 비게 되고, 재채기나 기침만해도 골절이 일어나 큰 고통을 주는 병이다. 

 

3. 수은(Hg)

수은은 '미나마타병'의 원인이다. 수은에 메틸기가 결합해서 메틸수은이 되면 인체에 쉽게 흡수 될 수 있다. 메틸수은은 시스틴이라는 아미노산에 결합하여 뇌로 들어가 중추신경을 마비시킨다. 시스틴과 결합은 사실 아연이 결합하는 부분이기도 한데 아연을 대신에서 수은이 결합하여 질병을 일으킨 것이다.

 

※수은과 카드뮴의 피해를 줄이기 위해서는 아연의 섭취를 높여야 한다. 몸속에 아연이 부족하면 그 빈자리에 수은이나 카드뮴을 받아들이기 쉬워지므로 아연을 풍부하게 섭취하면 수은이나 카드뮴이 흡수를 예방할 수 있다.