Lead(Pb), 82-납

 

원자번호 82번의 원소인 납(lead)은 고대부터 인류가 알고 사용해온 7가지 금속 원소인 금, 은, 구리, 납, 주석, 철, 수은 중의 하나이다. 납의 라틴어 이름은 ‘plumbum’이며, 원소 기호 Pb는 이에서 따왔고, 배관(plumbing), 배관공(plumber) 등의 영어 단어들도 이에서 파생되었다. 한자어로는 납을 ‘연(鉛)’으로 부르는데, 예로 ‘무연(無鉛) 가솔린’은 ‘납이 들어있지 않은 가솔린’을 뜻한다. 그러나 흑연(黑鉛), 연필(鉛筆) 등 사실상 납과는 직접 관련이 없는 것에도 ‘연’이 들어간 경우가 있어 주의가 필요하다. 납은 무르고 녹는점이 낮아 가공하기 쉬우며, 밀도가 크고 잘 부식되지 않는 금속이다. 로마 제국에서는 많은 양의 납이 수도관과 배관, 생활 도구, 안료 등에 사용되었는데, 이에 따른 로마인들의 납 중독이 로마 제국 쇠퇴의 한 요인으로 여겨지기도 한다. 지금도 전세계에서 연간 약 1000만 톤이나 되는 많은 양의 납이 사용되는데, 이중 약 반은 재생 납이 차지한다. 납축전지에 가장 많이 사용되고, 유리, 땜납, X-선 장치와 원자로의 방사선 차단제, 고압 전선 피복제, 탄환 등으로도 쓰인다. 그러나 납의 환경 독성 때문에, 전통적인 납의 용도였던 수도관, 페인트 안료, 가솔린 첨가제 등으로의 사용은 제한을 받고 있다. 납과 납 화합물의 역사, 물리·화학적 특성, 생산과 용도, 독성 등에 대해 알아보기로 하자.

 

 

원자번호 82번, 납 납(lead)1)은 원자번호 82번의 원소로, 원소기호는 Pb이다. 주기율표에서는 탄소(C), 규소(Si), 저마늄(Ge), 주석(Sn)과 함께 14족(4A 족)에 속하는 탄소족 원소의 하나이다. 갓 자른 납은 청백색의 금속성 광택을 내나, 습한 공기에 노출되면 표면이 흐려져 둔탁한 회색이 된다. 아주 무르고 연성과 전성이 커서 가공하기가 쉽다. 미량의 다른 금속과 합금을 만들면 단단해지는 등, 여러 성질들이 크게 변한다.

 

원자번호 82번 납

납의 원소정보

 

 

안정한 핵을 갖는 원소 중 원자번호가 가장 크며, 천연 방사성 동위원소들의 붕괴 과정의 최종 생성물이다. 밀도(실온, 11.34g/cm3)가 높고, 녹는점(327.46oC)이 낮으며, 전기, 소리, 진동을 잘 통하지 않는다. 반응성이 제법 있으나, 공기 중에서 보호 피막이 만들어져 내부는 잘 부식되지 않는다. 그러나 용융된 액체 납은 공기 중에서 산화되어 산화납(PbO)이 되고, 납 분말은 자연 발화할 수도 있다. 물이나 대부분의 찬 산과는 느리게 반응한다. 가열하면, 할로겐, 황(S), 셀레늄(Se) 등과 직접 반응하며, 비교적 진한 알칼리에도 녹는다. 화합물에서는 +2와 +4의 산화 상태를 가지는데, +2의 상태가 보다 흔하다.   납은 지각에서 약 14ppm(1.4x10-3%)의 비율로 존재하는 대략 36번째로 풍부한 원소이다. 천연에서 원소 상태의 납은 매우 희귀하며, 대부분이 화합물 상태로 구리(Cu), 아연(Zn), 은(Ag) 등과 함께 광석에 들어있다. 가장 중요한 납 광석은 방연석(galena, PbS)이며, 이외에 백연석(cerussite, PbCO3), 황산연석(anglesite, PbSO4), 녹연석(pyromorphite, Pb5(PO4)3Cl), 황연석(mimetite, Pb5(AsO4)3Cl) 등이 있다. 납은 흙에도 10~50ppm(많은 경우는 150ppm) 정도의 비율로 들어 있다. 상업적으로 납은 주로 방연석에서 얻는데, 2012년의 전세계 신규 생산량은 520만 톤이며 이의 약 반이 중국에서 생산되었다. 광석에서 신규 생산되는 것과 비슷한 양의 납이 재생되어 사용된다.   납은 과거에는 수도관 등의 배관, 산탄, 활자 합금, 땜납, 식품 및 담배 포장재, 무게 추, 베어링 금속, 도자기 유약 착색제, 페인트 안료 등으로 널리 사용되었다. 또 1920년대 이후에는 사에틸납(테트라에틸납, tetraethyl lead, Pb(C2H5)4)이 가솔린의 폭연방지제(anti-knocking agent)로 널리 사용되었다. 그러나 이와 같은 전통적인 납의 사용은 납의 독성과 환경오염 때문에 지금은 대부분이 금지되거나 엄격한 규제를 받고 있으며 대체품이 개발되었다. 대신에 새로운 용도가 개발되어 납의 수요는 오히려 늘고 있는데, 지금은 주로 자동차용 납축전지에 쓰이며, X-선 장치와 원자로 방사선 차단제, 전선 피복제, 납 유리 제조 등에 사용된다. 또 땜납과 탄환에는 여전히 요긴하게 사용되고 있다. 더욱이, 여러 납 화합물들이 전자 재료로도 주목 받고 있다.   납은 사람을 비롯한 동물에 중독 증상을 나타내는 물질로, 헴(heme)의 생합성을 저해하여 빈혈을 초래하고 중추신경계를 손상시키며 뇌장애를 일으킨다고 알려져 있다. 납은 이로 오염된 식품과 음료, 대기를 통해 체내로 들어온다. 납이 들어간 페인트로 칠해진 가구, 장난감, 벽 등이 어린이들의 주요 납 중독원이었으며, 납이 들어간 유약을 바른 도기, 납 조리 기구 등도 옛날에는 주요 납 중독원이었다. 납 중독은 고대 그리스, 로마, 중국의 기록에도 나와있다.

 

 

납의 역사와 명명 납은 인류가 가장 먼저 제련하여 사용한 금속 중의 하나이다. 기원전 6400년경에 만들어진 것으로 여겨지는 납 구슬이 오늘날의 터키 지역에서 발견되었으며, 기원전 7000~5000년의 고대 이집트에서는 도기에 유약을 바르는데 납 물질이 사용되었고, 바빌론(Babylon)의 공중정원(Hanging Garden)에는 납 판을 깔았다고 전해지고 있다. 기원전 2000년의 고대 이집트에서는 여러 색의 납 광석들이 색칠에 사용되었으며, 초기 청동기 시대에는 납이 안티모니, 비소와 함께 사용되었다. 또 기원전 900년경에 쓰여진 구약성서 출애굽기(15장 10절)에도 납이 언급된 곳이 있는데 ‘바다(홍해)가 그들(이집트인들)을 덮으니, 그들이 거센 물에 납같이 잠겼나이다’라는 구절이다.   고대 그리스인들은 기원전 650~350년에 은을 제련할 때 많은 양의 납을 부산물로 얻었으며, 이에서 백연(白鉛, white lead: 2PbCO3·Pb(OH)2)을 만들어 페인트 안료로 사용하였다. 로마 제국은 납을 대량으로 사용한 첫 번째 문명인데, 주로 스페인과 영국에서 채광하여 최대 연간 약 8만 톤까지 생산하였다. 로마인들은 수도관 등의 관, 냄비, 백랍(pewter, 납이나 안티모니가 들어간 주석 합금) 식기 등의 제조에 납을 사용하였고, 거대한 대리석 블럭들을 함께 붙잡아두는 철심을 고정시키는데도 용융납을 사용하였으며, 백연과 연단(鉛丹, red lead, Pb3O4)을 페인트 안료로 사용하였다. 79년에 플리니우스(Pliny)는 납과 주석의 합금을 땜납으로 사용하는 것을 기술하였다. 이처럼 로마 제국은 납 제품을 많이 사용하였는데, 이에 따른 로마인들의 납 중독이 로마제국을 쇠퇴로 이끈 한 요인인 것으로 여겨지고 있다.

 

로마시대에 사용된 꼭지가 달린 납 수도관 <출처: © G.dallorto>

로마시대 목욕탕의 납 배관 <출처: (cc) Zureks at Wikipedia.org>

 

 

중세시대에 연금술사들은 납을 가장 오래된 금속으로 여겼으며, 이를 금으로 변환시키려고 많은 시간과 노력을 허비하였다. 반면에 납의 새로운 용도들을 발견하였는데, 이는 도자기 유약, 탄환, 활자 등에 사용하는 것이었으며, 많은 양의 납이 지붕 재료로도 사용되었다. 오늘날 납의 주된 용도인 납축전지는 1859년에 프랑스 물리학자 플랑테(Gaston Planté, 1834~1889)에 의해 발명되었다.   납의 영어 이름 ‘lead’는 앵글로 색슨어 ‘laedan’에서 온 것으로 여겨진다. 라틴어로는 납을 ‘무른 금속’이라는 뜻으로 ‘plumbum’이라 불렀는데, 원소 기호 Pb는 이에서 따왔으며, 영어 단어 plumbing(배관), plumber(배관공), plumb bob(추, 錘,) 등도 이에서 파생된 것들이다. 17세기까지는 납과 주석을 구분하지 않는 경우가 많아, 납을 ‘검은 납(plumbum nigrum)’으로, 주석을 ‘밝은 납(plumbum candidum)’으로 부르기도 하였다. 흑연(graphite)은 ‘검은 납’이란 뜻으로 ‘black lead’ 또는 ‘plumbago’라 불렀는데, 이는 흑연을 검은색의 납 광석 방연석(PbS)과 혼동한 것에 연유한다. 참고로, 흑연의 영어 이름 ‘graphite’는 그리스어로 ‘쓰다(graphen)’에서 따온 것으로, 흑연을 필기구에 사용한 것에 연유하며, 납과는 무관하다. 납의 한자어는 연(鉛)으로, 많은 납 광석과 제품의 이름에 ‘연(鉛)’이 들어가는데, 방연석, 무연 가솔린 등이 그 예이다. 반면에, 우리말 흑연(黑鉛)과 연필(鉛筆)도 각각 ‘검은 납’, ‘납으로 된 필기구’라는 뜻으로 지어졌으나, 이는 흑연을 검은색의 납 광석과 혼동한 데서 유래한 것으로, 실제로는 납과 관련이 없다.

 

표면이 산화된 고순도 납 단괴에 둘러싸인 고순도 납 입방체 <출처: (cc) Alchemist-hp at Wikimedia.org>

 

 

물리적 성질 납은 안정한 원소들 중에서 원자번호가 가장 큰 원소이다(원자번호 83인 비스무트는 안정한 동위원소는 없으나, 반감기가 아주 길어 사실상 안정한 원소로 볼 수는 있다). 무르고 밀도(실온, 11.34g/cm3)가 크며 청백색 금속 광택이 나는 금속으로, 녹는점(327.46oC)이 낮고 끓는점은 1749oC이다. 결정은 면심입방(fcc) 구조를 가지며, 반자기성이다. 습한 공기에 노출되면 조건에 따라 다른 복잡한 화합물 피막이 만들어져 표면이 흐려지고 둔탁한 회색이 된다. 칼로 자를 수 있고 종이에 문지르면 흔적이 남을 정도로 매우 무르며, 전성과 연성이 커서 가공하기가 쉽고 내부식성이 크다. 전기전도도는 구리의 약 8%로 다른 금속들에 비해 작으며, 소리와 진동도 잘 통과시키지 않는다. 미량의 다른 금속과 합금을 만들면 단단해지는 등, 여러 성질들이 크게 변한다. 예로 소량의 구리나 안티모니(Sb)가 첨가되면 단단해지고 황산에 대한 내부식성이 증가하는 반면, 카드뮴(Cd), 주석 등을 첨가하면 단단해지나 내부식성은 줄어든다. 그리고 아연(Zn)과 비스무트(Bi)가 첨가되면 단지 내부식성만 줄어든다.   동위원소 납은 자연 상태에서 204Pb(1.4%), 206Pb(24.1%), 207Pb(22.1%), 208Pb(52.4%)의 4가지 동위원소로 있는데, 이중 204Pb와 208Pb은 방사성 동위원소이긴 하나 반감기(204Pb, >1.4x1017년; 208Pb, >2x1019년)가 아주 길어 실질적으로는 안정한 것으로 볼 수 있다. 또한 반감기가 22.3년인 210Pb도 자연에서 미량 관찰된다. 206Pb, 207Pb, 208Pb은 각각 우라늄(U)-238, 우라늄-235, 토륨(Th)-232의 방사성 붕괴 과정의 최종 생성물이다(네이버캐스트 라듐 참조). 천연에서 이들 동위원소들의 양이 다른 원소의 존재량에 따라 달라지기 때문에 천연 납의 동위원소 비는 시료에 따라 달라진다. 우라늄, 토륨, 납의 동위원소 비로 암석의 연대를 측정할 수 있는데, 이를 우라늄(토륨)-납 연대측정법(uranium(thorium)-lead dating method)이라 한다. 질량수가 178~215인 33가지 인공 방사성 동위원소들이 알려져 있는데, 반감기가 긴 것은 205Pb(반감기 1.5 x107년), 202Pb(반감기 5.25 x104년), 210Pb(반감기 22.2년)이고, 나머지들은 반감기가 13일보다 짧다. 202Pb보다 가벼운 동위원소들은 주로 β+붕괴를 하고 탈륨(Tl) 동위원소가 되는데, 일부는 α붕괴를 하고 수은(Hg) 동위원소가 되기도 하며, 원자량이 작을수록 대체로 α붕괴 비율이 크다. 202Pb, 203Pb, 205Pb는 주로 전자포획을 하여 탈륨 동위원소가 된다. 질량수가 209이상인 동위원소들은 β-붕괴를 하고 비스무트(Bi) 동위원소가 된다. 여러 준안정한 핵 이성체들이 알려져 있는데, 반감기가 가장 긴 것은 202m1Pb(반감기 3.53시간)이다.

 

 

화학적 성질

납은 화학반응성이 중간 정도인 금속으로, 수소보다 좀더 전기 양성적(양이온이 되려는 경향이 있는 것)이다. 그러나 표면에 산화물, 옥소탄산염(oxocarbonate), 황산염, 염화물의 얇고 물에 녹지 않으며 단단히 부착되는 보호 피막이 만들어져 반응성이 줄어들고 내부식성이 커진다. 덩어리 상태로는 공기와 잘 반응하지 않고 타지도 않으나, 용융된 액체 납은 공기에서 산화되어 산화납(PbO)이 되며, 납 분말은 자연 발화할 수도 있다. 물에 아주 느리게 녹으며, 염산과도 느리게 반응하여 물에 잘 녹지 않는 PbCl2를 생성하나, 질산과는 빠르게 반응하여 물에 잘 녹는 Pb(NO3)2를 만든다. 황산에는 잘 녹지 않는다. 공기 중에서 아세트산(CH3COOH)과 반응하여 단맛이 나는 아세트산납(Pb(CH3COO)2)을 만든다. 황을 비롯한 칼로겐 원소들이나 할로겐 원소들과는 가열하면 반응한다. 양쪽성 성질이 있어 진한 알칼리 용액에 녹는다. 화합물에서의 산화 상태는 주로 +2와 +4인데, +2상태가 보다 흔하다. +4가 상태의 화합물은 강한 산화제이며, Pb4+ 이온은 강한 산성 용액에서만 존재한다. 몇 가지 납 이온과 납 화합물의 표준 전극 전위는 다음과 같다.   Pb4+ + 2 e- Pb2+ (1.1 M HClO4) Eo = 1.66 V PbO2 + 4 H+ + 2 e- Pb2+ + 2 H2O Eo = 1.46 V Pb2+ + 2 e- Pb Eo = -0.13 V PbO + 2 H+ + 2 e- Pb + H2O Eo = 0.25 V

납의 바닥 상태 전자배치 <출처 : (cc)Pumbaa at Wikipedia.org>

 

 

납의 생산 납은 주로 방연석(PbS) 광석에서 얻는데, 그 방법은 대략 다음과 같다. 부유선광법으로 선광한 광석을 제한된 산소 하에서 구우면 산화납(PbO)이 얻어진다. 이 산화납을 코크스(C)와 함께 용광로에서 가열하면 액체 납으로 환원되는데, 액체 납 위에는 여러 성분의 찌꺼기들이 뜨게 된다. 이 찌꺼기에는 구리, 아연, 카드뮴, 비스무트 등이 들어 있어, 이들 금속들을 회수하는데 사용할 수 있다.   2 PbS + 3 O2 → 2 PbO + SO2 PbO + C → 2 Pb(l) + CO ; PbO + CO → Pb(l) + CO2   이 액체 납을 식혀 얻은 납 덩어리에는 약간의 구리, 은, 금(Au), 주석, 비소(As), 안티모니(Sb) 등이 들어있다. 이 납 덩어리를 납의 녹는점보다 약간 높은 온도로 가열하면 구리는 고체로 뜨게 되므로, 먼저 이를 걷어내 제거한다. 다음에 반사로나 용융 NaOH/NaNO3를 써서 주석과 비소를 산화시킨 후 이들의 산화물을 걷어낸다. 이런 과정을 거친 납에는 은과 금, 그리고 약간의 비스무트가 들어있는데, 여기에 아연을 첨가하고 480oC에서 420oC로 천천히 식히면 은, 금, 비스무트는 아연에 녹아 고체 덩어리로 위에 뜨므로 이를 걷어내고, 걷어낸 것은 이들 값비싼 금속을 회수하는데 사용한다. 납에 녹아있는 과량의 아연은 반사로나 염소 기체를 써서 산화시키거나 또는 진공 증류로 제거한다. 이렇게 해서 얻은 납을 최종적으로는 납 전극을 사용하고 PbSiF6 또는 설파민산 염(sulfamate)을 전해질로 하여 전기분해시키면 약 99.99% 순도의 납이 얻어진다.   미국지질조사국(USGS) 자료에 따르면, 2012년에 광석에서 얻어진 전세계 납 생산량은 520만 톤이며, 중국이 이의 50%인 260만 톤을 생산하였고, 호주(63만 톤, 12%), 미국(34.5만 톤, 6.6%), 멕시코(24,5만 톤, 4.7%), 페루(23.5만 톤, 4.5%) 순으로 많은 양을 생산하였다. 광석에서 신규 생산되는 납의 양은 수요의 약 절반이며, 나머지 절반은 재생 납으로 충당된다. 광석 매장량은 호주, 중국, 러시아, 페루, 멕시코, 미국 순으로 많다. 현재의 납 사용 속도로는 납 광석이 40년 후에는 고갈될 것으로 예상되는데, 납의 재생 비율을 높이고, 연료 전지 기술의 실용화로 납축전지의 수요를 줄이는 것이 필요하다고 여겨진다. 2013년 3월 중순 현재의 납의 국제시세는 톤당 미화로 약 $2200이다.

 

방연석(Galena). 방연석은 가장 중요한 납 광석으로 화학적으로는 황화납(PbS)이다. <출처: (cc) Rob Lavinsky / iRocks.com>

 

 

납의 용도 납은 예전에는 수도관, 주방기구 및 식기, 페인트 안료, 유약, 가솔린 첨가제 등으로 널리 사용되었으나, 지금은 납 중독의 위험성 때문에 이들 용도로는 거의 사용되지 않는다. 대신에 대부분이 자용차용 납축전지에 사용되며, 무게 추, 탄환, 고압 전선의 피복제, X-선 및 방사선 차단제 등으로도 요긴하게 사용된다.   납축전지(lead-acid battery) 2012년 미국의 경우 소비된 납의 약 86%가 납축전지 제조에 사용되었다. 1859년에 발명된 납축전지는 가장 오래된 2차전지(충전이 가능한 전지)인데, 양극(방전시 환원, cathode)으로 이산화납(PbO2), 음극(방전시 산화, anode)으로 납, 그리고 전해질로는 약 33.5%의 황산(H2SO4)을 사용한다. 방전시의 전극 반응은 다음과 같으며, 충전 때에는 이의 역반응이 일어난다.   양극: PbO2(s) + 4 H+ + SO42- + 2 e- → PbSO4(s) + 2 H2O (표준 전극전위, 1.68V) 음극: Pb(s) + SO42- → PbSO4(s) + 2 e- (역 반응의 표준 전극전위, -0.36V)   납축전지는 예전에는 밀폐되어 있지 않아 물이 증발해서 가끔 물을 넣어 주어야 했으나, 지금은 거의 대부분이 밀폐형으로 생산된다. 무게나 부피당 에너지 저장량은 적으나, 출력이 크고 가격이 싸서 자동차 시동과 조명용으로 여전히 널리 사용되며, 무게가 크게 문제되지 않는 응급 전원, 경보기와 전산기의 정전시 예비 전원 등으로도 사용된다.

 

납축전지. 납은 주로 자동차용 납축전지에 사용되는데, 납축전지는 이산화납(PbO₂)을 양극, 납을 음극으로 하고 전해질로는 황산을 사용한다. <출처: gettyimage>

 

 

금속과 합금의 기타 이용 고대 로마에서는 납을 수도관, 냄비, 식기 등의 제조에 사용하였으며, 중세에는 지붕 등 건축 재료로 사용하였다. 지금은 납이 이런 용도로는 사용되지 않으나, 가공이 쉽고 밀도가 높으며 내부식성이 좋은 장점이 있어 오늘날에도 여러 용도로 사용된다. 밀도가 높아 낚시와 고기잡이용 그물의 무게 추, 탄환 등에 사용되며, 테니스 라켓, 자동차 타이어, 돛단배 등의 무게 균형을 잡는데도 사용된다. 또 고압 전선의 피복제, X-선 및 방사선 차단제 등으로도 요긴하게 사용된다. 용융 납은 고속 핵 반응로에서 냉각제로 사용되기도 하며, 납 판은 건물에서 소음을 방지하는데도 가끔 사용된다. 한편, 납의 녹는점이 낮은 것을 이용하여 주석 등과 합금을 만들어 땜납으로 사용하여 왔으며, 납 합금은 백랍(pewter), 활자, 퓨즈, 베어링 등에도 사용되었다. 그러나 납의 환경 오염 때문에 가급적이면 납이 들어가지 않은 제품으로 대체되고 있다.   화합물과 유리 여러 납 화합물들이 고대부터 페인트 안료와 화장품에 사용되었다. 예로, 백연(white lead, 2PbCO3·Pb(OH)2)은 흰색 페인트와 화장품에 널리 사용되었는데, 일본 게이사의 얼굴 화장에도 사용되었다고 한다. 붉은색의 연단(red lead, Pb3O4: 광명단), 황색의 네이플즈 옐로(naples yellow, Pb(SbO3)2/Pb3(Sb3O4)2), 노란색의 크롬산납(PbCrO4), 주황색의 몰리브덴넘산납(PbMoO4) 등도 널리 사용되었는데, 특히 연단은 철의 부식 방지를 위한 밑칠 페인트(primer paint)에 사용되었다. 그러나 지금은 납 중독의 위험성 때문에 대부분의 경우 사용이 중단되었는데, 크롬산납의 경우는 제한적으로 여전히 사용된다. 납 화합물들은 도자기 유약에서 색(특히 붉은색과 노란색)을 내는데도 사용되어 왔으며, 전선 피복용 PVC 플라스틱의 안정제로도 사용된다. 사에틸납은 폭연방지제로 가솔린에 첨가되었는데, 지금은 거의 사용이 금지되었으며, 무연 가솔린은 이 화합물이 첨가되지 않은 가솔린을 말한다. 텔루르화납(PbTe), 셀렌화납(PbSe), 안티모니화납(PbSb)은 반도체 물질로 태양전지와 적외선 검출기에 사용될 수 있다.   납은 유리에도 사용되는데, 포타슘(칼리) 유리에서 산화칼슘(CaO)을 산화납(PbO)으로 대체한 유리를 ‘납 유리’라고 한다. 납 유리에서의 PbO 함량은 보통 12~40%인데, 현대 납 크리스탈 유리에서는 PbO함량이 최소 24%이다. 굴절률이 높고 가공 온도가 낮으며, 일반 유리보다 밀도가 높다. 장식용 유리로 널리 사용되며, 전자파의 투과율이 적어 전자제품에도 널리 사용된다.

 

납 페인트. 납 화합물들이 여러 색상의 페인트 안료로 사용되었는데, 지금은 납의 환경오염 때문에 대부분 사용이 금지되었다. <출처: gettyimage>

납 유리. PbO 함량이 보통 12~40%인 유리를 납 유리라 하는데, 굴절률이 높아 장식용으로 사용되고, 전자파 차단 유리로 전자제품에도 사용된다. 크리스탈 유리가 대표적인 납 유리이다. <출처: (cc) Canon50Dshooter at Wikimedia.org>

 

 

납 화합물 납은 주로 산화상태가 +2, +4인 화합물들을 만드는데, +2 상태의 화합물들이 보다 흔하다. +4가 상태의 납 화합물들은 강한 산화제이며, Pb4+는 강한 산성 용액에서만 존재한다.   산화물 납의 산화물은 산화납(II)(PbO), 사산화삼납(Pb3O4), 이산화납(PbO2)이 있다. PbO는 일산화납 또는 그냥 산화납이라고도 부르는데, 공기 중에서 납을 약 600oC로 가열하면 얻어지며, 질산납(II)(Pb(NO3)2)이나 탄산납(II)(PbCO3)을 열 분해시켜도 얻어진다. 방연석(PbS)에서 납을 생산할 때의 중간 물질이기도 하다. 실온에서 안정한 정방정(tetragonal) 구조의 붉은색 α-PbO와 488oC 이상에서 안정한 사방정(orthorhombic) 구조의 노란색 β-PbO의 두 가지 형태가 있다. α-PbO는 리사지(litharge), 밀타승(密陀僧)으로도 불리고, β-PbO는 마시콧(massicot), 금밀타(金密陀)로도 불리는데, 흔히 PbO를 모두 리사지 또는 밀타승이라 부르고, β-PbO는 황색 리사지(litharge yellow)로 구분하기도 한다. 두 구조는 가열과 냉각으로 상호 변환된다. 녹는점은 888oC이고, 물에 아주 조금 녹으며(물 100mL에 α-PbO는 0.0050g, β-PbO는 0.011g), 산과 반응하여 염을 만들고, 알칼리에 녹아 [Pb(OH)3]-가 된다. 공기 중에서 가열하면 산화되어 PbO2가 되는데, 이는 550oC에서 다시 산소와 PbO로 분해된다. 납 유리, 컴퓨터 부품을 비롯한 산업용 세라믹 제품을 만드는데 사용된다.   사산화삼납(Pb3O4, trilead tetroxide, ‘red lead’ 또는 라틴어로 minium라고도 부름)은 연단(鉛丹) 또는 광명단(光明丹)으로도 불리며, +2가 납과 +4가 납이 혼합된 붉은색 혼합산화물이다. PbO를 공기 중에서 450~480oC로 가열해서 얻거나, PbCO3 또는 2PbCO3·Pb(OH)2(백연)을 공기 중에서 가열해서 얻는데, 천연상태의 광석으로도 산출된다. 500oC로 가열하면 PbO와 산소로 분해되며, 질산에 녹이면 PbO2가 침전으로 생긴다.   Pb3O4 + 4 HNO3 → PbO2 + 2 Pb(NO3)2 + 2 H2O   Pb3O4는 철 산화물이나 철과 반응하여 물에 녹지 않는 Fe(II)와 Fe(III)의 납산염(plumbate, Pb(OH)62- 또는 PbO32- 또는 PbO44-)을 만드는데, 이 때문에 철 제품이 녹 스는 것을 방지하는 밑칠 페인트에 사용된다. 납 유리 제조에 사용되며, 강한 산화제이므로 불꽃 제조에도 가끔 사용된다.   이산화납(산화납(IV), PbO2)은 Pb3O4를 질산에 녹이면 얻어지며, 물에 녹지 않는 흑갈색 물질이다. PbO처럼 두 가지 결정형이 있는데 겉보기는 같다. 공기 중에서 가열하면 290oC에서 Pb12O19, 350oC에서 Pb12O17, 375oC에서 Pb3O4을 거쳐 600oC에서 PbO로 분해된다. 강한 산화제로, 황산이나 질산과 반응하면 산소를 발생시키고 염산과 반응하면 Cl2를 생성하면서 납은 +2 상태로 환원된다. 알칼리 용액과는 반응하지 않는다. 납축전지의 양극 물질로 사용되며, 성냥 제조 등에도 사용된다.   칼코겐화물 납 염이 황화수소(H2S)와 반응하면 황화납(PbS)이 생성된다. PbS를 공기 중에서 가열하면 황산납(PbSO4)을 거쳐 PbO가 된다. PbS는 물과 약산에는 녹지 않는다. 녹는점이 1118oC인 검은색 물질로, 한때는 검은색 안료로 사용되었으며, 반도체 물질로 적외선 검출기에 사용되었다. 고압에서 황과 함께 가열하면 이황화납(PbS2)이 생성되는데, 이 역시 반도체 성질을 보인다. 셀렌화납(PbSe)은 납과 셀레늄(Se)의 직접 반응에서 얻는데, 여러 방법으로 양자점이나 박막으로 만들 수 있다. 띠 간격이 좁은 반도체 물질로 1.5~5.2μm 파장에서 작동하는 열 영상 적외선 검출기 제작에 사용된다. 텔루르화납(PbTe)도 띠 간격이 좁은 반도체 물질로 텔루르화납주석으로 만들어 적외선 검출 물질로 사용되는데, 열전(thermoelectric) 특성이 좋다.   할로겐화물 납의 할로겐화물로는 이할로겐화물(PbX2)과 사할로겐화물(PbX4)이 있는데, PbX2가 PbX4보다 열적으로나 화학적으로 훨씬 더 안정하다. PbX4 중에는 PbF4만 안정한데, 이는 PbO2와 HF와의 반응에서 얻으며, 노란색이고 녹는점은 600oC이다. PbCl4는 PbO2를 HCl에 녹이면 생성되는데, 실온에서 노란색 기름 상태이고 어는점은 -15oC인데, 0oC이하에서는 안정하나 50oC이상에서는 PbCl2와 Cl2로 분해한다. PbBr4는 더욱 안정하지 않으며, PbI4는 그 존재 여부가 확실하지 않다. PbX2는 Pb2+염 용액에 HX 또는 X-를 첨가하면 침전으로 얻어진다. 모두 물에 잘 녹지 않으며, 노란색인 PbI2를 제외하고는 실온에서 모두 흰색 결정이다. PbF2는 처음으로 발견된 이온 전도성 결정 물질이며, 저융점 유리 제조, 유리의 적외선 반사 코팅, 브라운관 TV 스크린 형광체, 피콜린(picoline) 제조 촉매 등으로 사용된다. PbCl2는 천연 광물로도 발견되며, 티타늄산납(PbTiO3)과 티타늄산바륨납(Ba1-xPbXTiO3) 합성, 적외선 투과 유리 제조, 여러 납 안료의 합성에 사용되고, 비스무트 정제에도 사용된다. PbCl2와 PbBr2는 광감성 물질로, 자외선이나 가시광선을 쪼이면 금속 납이 석출된다. PbI2는 광전도체이며, 녹색(최대 흡광 파장, 494.9nm)에 노출되면 분해한다. 가열하면 비가역적으로 검붉은색이 되며, X-선과 감마선을 포함한 고에너지 광자의 검출 물질로 사용된다. 19세기에는 아이오딘 옐로(iodine yellow)란 이름으로 안료로 사용되었다.   기타 화합물 이들 외에도 여러 납 화합물이 합성되어 여러 용도로 사용되었으나, 납 독성 때문에 지금은 대부분 사용이 제한되고 있다. 여기에 해당하는 가장 대표적인 화합물이 사에틸납(Pb(C2H5)4)인데, 이는 납-소듐 합금(NaPb)에 클로로에탄을 반응시켜 얻는다.   4 NaPb + 4 C2H5Cl → Pb(C2H5)4 + 4 NaCl + 3 Pb   1920년대부터 가솔린의 옥탄가를 높이는 값싼 첨가제로 널리 사용되었는데, 납 환경오염의 위험 때문에 1970년 중반에 미국을 시작으로 사용이 금지되기 시작하였으며, 우리나라에서는 1993년에 사용이 금지되었다. 그러나 일부 유형의 항공기와 경주용 자동차의 가솔린 연료에는 아직도 첨가된다.

 

 

생물학적 역할, 독성, 환경오염 납의 생물학적 역할은 없는 것으로 알려져 있다. 음식물과 공기 등을 통해 체내로 흡수되며 인체에는 약 120mg의 납이 있는데, 혈액에 0.2ppm, 뼈에 3~30ppm, 조직에 0.2~3ppm농도로 들어있다. 납은 인체의 거의 모든 조직과 시스템에 영향을 미치고 인체에 축적되는 독성 중금속이나, 일부 미생물들은 높은 농도의 납으로 오염된 환경에서도 살 수 있다고 한다. 납은 효소의 옥소기(oxo group: =O기)에 결합하여 헴(heme) 합성과 포피린(porphyrin) 대사의 거의 모든 과정에 영향을 주며, 여러 효소들의 활동과 단백질 합성을 저해한다. Pb2+는 비록 카드뮴 이온(Cd2+)이나 수은 이온(Hg2+)보다는 약하지만 단백질의 -SH기와 결합하여 효소의 활동을 저해한다. 납 중독의 전형적인 증상은 두통, 복통, 구토, 빈혈, 경련, 혼수, 만성 신장염, 중추신경계 장애 등인데, 높은 농도의 납에 중독되면 성인이나 어린이 모두 뇌와 신장이 손상되어 사망할 수도 있다. 임산부는 유산을 할 수 있으며, 남성의 생식 기능도 저하된다.   고대 로마 시대에는 신포도주를 끓여 감미료 재료를 만들거나 요리를 할 때 납 그릇을 많이 사용하였다. 이 과정에서 단맛이 나는 아세트산납이 생성되는데, 아세트산납이 든 감미료를 포도주에 첨가하기도 하였다. 이들 경로를 통한 로마인들의 납 중독이 로마 제국을 쇠퇴로 이끈 한 요인이라는 주장도 있다. 또 납 알갱이를 포도주의 신 맛을 제거하고 단맛을 내기 위해 포도주에 넣기도 하였는데, 이것이 포도주를 많이 마시는 사람의 납 중독의 원인이 되기도 하였다.   납의 독성으로 인해 납의 환경오염을 막기 위한 여러 가지 일들이 수행되고 있다. 과거에 유연 가솔린이 널리 사용되었던 시기에는 도시 대기 먼지가 많은 양의 납으로 오염되어 있었으며, 페인트공, 배관공, 도공 등은 직업적으로 납 중독의 위험에 노출되어 있었고, 일반인들도 납 수도관, 불량 도자기(특히 옹기) 등에서 녹아 나온 납이나 납 페인트를 칠한 건물 벽과 장난감 등에서 떨어져 나온 부스러기 등을 통해 납 오염에 노출될 수 있었다. 그러나 지금은 유연 가솔린에 쓰였던 납 첨가제의 사용이 금지되었으며, 장난감 등의 소비재에서 납의 사용을 제한하고 있고, 오래된 학교건물 등에 이미 칠해진 납 페인트도 벗겨내고 새로운 페인트로 다시 칠하는 등의 노력이 행해 지고 있다.   모든 식물에는 약간의 납이 들어있으며, 납 가공 공장 인근에서 재배된 상추에서는 3ppm까지의 납이 발견되기도 하였으나, 이것이 납 중독 증상을 일으킬 정도는 아니다. 일반적으로, 성인은 음식을 통해 1일 평균 약 1mg의 납을 섭취하고, 이중 약 0.1mg정도가 체내로 흡수된다고 알려져 있다. 세계보건기구(WHO)는 식수의 납 농도 상한을 0.01ppm로 권장한다. 납의 해독제로는 EDTA(ethydiaminetetraacetate)가 쓰이는데, 이는 강한 킬레이트제(착물형성제)로 착물형성을 통해 납을 체외로 배출시킨다

 

 

 

1. 수치로 보는 납

   납의 표준원자량은 207.2g/mol이고 원자의 바닥상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p⁶4f¹⁴5d¹⁰6s²6p² ([Xe]4f¹⁴5d¹⁰6s²6p²)이다. 지각에서의 존재비는 약 14ppm(1.4x10^-3%)이며, 대략 36번째로 풍부한 원소이다. 녹는점은 327.46^oC고 끓는점은 1749^oC이며, 녹음열과 증발열은 각각 4.77kJ/mol과 179.5kJ/mol이다. 20^oC에서 밀도는 11.34g/cm³이며, 모스 경도는 1.5이다. 화합물에서의 주된 산화수는 +2과 +4이다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 715.6, 1450.5, 3081.5 kJ/mol이며, 폴링의 전기음성도는 2.33이다. 20^oC에서 전기비저항은 208 nΩ∙m 이고, 열전도율은 35.3 W∙m^-1∙K^-1이다. 원자반경은 175pm이고 6배위된 Pb²⁺의 이온반경은 119pm이다. 자연 상태의 동위원소는 ²⁰⁴Pb(1.4%), ²⁰⁶Pb(24.1%), ²⁰⁷Pb(22.1%), 208Pb(52.4 %)의 4가지인데, 모두 안정한 것으로 볼 수 있다. 2012년의 전세계 신규 납 생산량은 520만 톤으로 추정된다.

 

 

글 박준우 / 이화여대 명예교수(화학)

서울대학교 화학과를 졸업하고 템플대학교에서 박사학위를 받았다. 오랫동안 이화여대에서 화학을 연구하고 가르쳤다. 저서로 [인간과 사회와 함께한 과학기술 발전의 발자취]와 [아나스타스가 들려주는 녹색화학 이야기] 등이 있고, 역서로 [젊은 과학도에 드리는 조언] 등이 있다.

발행일 2013.04.12

 

 

Lead Atomic Weight 207.2 Density 11.34 g/cm3 Melting Point 327.46 °C Boiling Point 1749 °C Full technical data Lead pipes have been in use for thousands of years. In some cases the same pipe the whole time. This exotic six-way union was hand made by an apprentice decades ago, and it duly impressed the master. Scroll down to see examples of Lead.