비소

3. 역사

청동기 시대 동안 비소는 구리와 합금되어 비소 청동을 만드는 데 사용되었다.^[52][53] 815년경 자비르 이븐 하이얀이 비소 분리 방법을 기술했다.^[54] 1250년 알베르투스 마그누스(알베르투스 대왕)는 삼황화비소와 비누를 함께 가열하여 비소를 분리했다.^[55] 1649년 요한 슈뢰더는 비소 제조 방법 두 가지를 발표했다.^[56]

1760년 루이 클로드 카데 드 가시쿠르는 초산칼륨과 삼산화비소 반응을 통해 최초의 유기금속 화합물(카코딜 불순물)을 합성했다.^[57]

빅토리아 시대 여성들은 피부 미백을 위해 식초, 백악과 섞은 비소("백비소", 즉 삼산화비소)를 섭취하여 피부를 창백하게 만들었다(밭에서 일하지 않는다는 것을 보여주기 위해).^[58] 1858년 브래드퍼드 사탕 중독 사건은 비소가 우연히 섞인 사탕을 먹고 21명이 사망한 사건이다.^[59] 18세기 후반부터 벽지 생산에 비소 염료가 사용되기 시작했는데,^[60] 이는 안료의 밝기를 높이는 것으로 여겨졌다.^[61] 나폴레옹 1세의 질병과 1821년 사망 원인 중 하나로 벽지 비소 중독이 거론되기도 한다.^[62]

1814년 파리 그린, 1775년 셸레 그린 등 비소 안료가 발견되어 널리 사용되었으나, 독성 문제로 살충제로 용도가 변경되었다. 1860년대에는 염료 생산 부산물인 런던 퍼플(삼산화비소, 아닐린, 석회, 산화제일철의 고체 혼합물)이 널리 사용되었으나, 흡입 또는 섭취 시 매우 독성이 강해 파리 그린으로 대체되었다.^[63][64] 1890년대부터 석회 비소, 납 비산이 살충제로 널리 사용되었으나, 1942년 DDT 발견 이후 사용이 감소했다.^{[65][66][67][68]}

18세기 중반~19세기, 소량의 수용성 비소 화합물이 자극제로 사용되어 의약품으로 인기를 끌었다.^[69][70][71] 경주마나 일하는 개와 같은 운동 동물에게 흔히 사용되었으며, 20세기까지 계속되었다.^[72] 2006년 호주 경주마 파 랩의 사망 원인이 대량 비소 과다 복용으로 밝혀졌다. 시드니 수의사 퍼시 시크스는 "그 당시 비소는 상당히 일반적인 강장제였는데, 보통 포울러 용액 형태로 투여되었습니다 ... 너무 흔해서 말의 90%가 비소를 섭취했다고 생각합니다."라고 말했다.^[73]

4. 물리적, 화학적 성질

비소는 인과 비슷한 전기음성도와 이온화 에너지를 가져, 대부분의 비금속 원소와 쉽게 공유 결합을 형성한다. 건조한 환경에서는 안정적이지만, 습기에 노출되면 금빛 청동색 광택을 띠다가 결국 검은색 표면층으로 변한다.^[19]

공기 중에서 비소를 가열하면 산화되어 삼산화비소가 생성되는데, 이때 마늘 냄새가 나는 연기가 발생한다. 이 냄새는 비소석영과 같은 비소화물 광물을 망치로 칠 때도 맡을 수 있다.^[1] 비소는 산소에서 연소 시 삼산화비소 및 오산화비소를 형성하며, 이들은 인 화합물과 유사한 구조를 갖는다. 또한 플루오린과 반응하여 오플루오르화비소를 생성한다.^[19]

비소는 진한 질산과 반응하면 비산을, 묽은 질산과는 아비산을, 진한 황산과는 삼산화비소를 생성한다. 그러나 물, 알칼리, 비산화성 산과는 반응하지 않는다.^[20] 금속과 반응하여 비소화물을 만들지만, 이들은 As^3- 이온을 포함하는 이온성 화합물이 아니다. 1족 비소화물조차도 금속간 화합물의 성질을 가진다.^[19]

게르마늄, 셀레늄, 브로민과 같이 비소는 3d 전이 금속 다음에 위치하여 d-블록 수축 현상으로 인해, 인과 안티몬보다 +5 산화 상태에서 안정성이 낮다. 따라서 오산화비소와 비산은 강력한 산화제이다.^[19]

4. 1. 물리적 성질

• 회색 비소 (α-As, 공간군 Rm No. 166)는 여러 개의 주름진 6원자 고리가 맞물린 이중층 구조를 가진다. 층 사이의 결합은 약해서 부서지기 쉽고 모스 경도는 3.5로 낮다. 같은 이중층의 세 원자가 다음 층의 세 원자보다 약간 더 가까운, 왜곡된 팔면체 복합체를 형성한다.^[11] 이러한 구조로 인해 밀도는 5.73g/cm3으로 높다.^[69] 회색 비소는 준금속이지만, 비정질화되면 1.2~1.4 eV의 밴드갭을 갖는 반도체가 된다.^[12] 또한 가장 안정적인 형태이다.

• 황색 비소는 부드럽고 왁스 같으며, 사인()과 유사하다.^[13] 네 개의 원자가 사면체 구조로 배열되어 있고, 각 원자는 다른 세 원자와 단일 결합으로 결합되어 있다. 불안정하고 분자 형태이므로 휘발성이 가장 크고, 밀도가 가장 낮으며(1.97g/cm3), 독성이 가장 강하다.^[69] 비소 증기()를 빠르게 냉각시켜 생성되며, 빛에 의해 회색 비소로 빠르게 변환된다.

• 흑색 비소는 흑린과 유사한 구조를 가지며^[69], 약 100~220 °C에서 증기를 냉각시키거나 수은 증기 존재 하에 비정질 비소를 결정화하여 생성할 수 있다.^[14] 유리처럼 투명하고 부서지기 쉬우며, 전기 전도도가 낮다.^[15]

4. 2. 화학적 성질

5. 동위 원소

비소는 안정한 동위 원소가 ⁷⁵As 하나뿐인 원소이다. ⁷⁵As는 자연에 존재하는 유일한 비소 동위 원소이며, 다른 동위 원소는 모두 합성된 것이다.^[241]

2024년 현재, 적어도 32개의 방사성 동위 원소가 합성되었으며, 원자 질량은 64에서 95까지 다양하다.^[17][18] 이 중 가장 안정한 것은 반감기가 80.30일인 ⁷³As이다. 다른 모든 동위원소는 ⁷¹As (반감기=65.30 시간), ⁷²As (반감기=26.0 시간), ⁷⁴As (반감기=17.77 일), ⁷⁶As (반감기=26.26 시간), ⁷⁷As (반감기=38.83 시간)을 제외하고는 반감기가 하루 미만이다.

안정한 ⁷⁵As보다 가벼운 동위원소는 β⁺ 붕괴를 통해 붕괴되는 경향이 있으며, 더 무거운 동위원소는 일부 예외를 제외하고 β⁻ 붕괴를 통해 붕괴되는 경향이 있다.

적어도 10개의 핵 이성질체가 설명되었으며, 원자 질량은 66에서 84까지 다양하다. 비소의 이성질체 중 가장 안정적인 것은 반감기가 111초인 ^68mAs이다.^[16]

6. 화합물

비소 화합물은 주기율표에서 같은 족에 속하는 인 화합물과 여러 면에서 유사하다. 비소의 일반적인 산화 상태는 아르세나이드(arsenide)에서 -3, 아르세나이트(arsenite)에서 +3, 아르세네이트(arsenate)와 대부분의 유기비소 화합물에서 +5이다. 비소는 스쿠테루다이트에서 보이는 사각형 As4(3-) 이온처럼 자체적으로 결합하기도 한다.^[21] +3 산화 상태에서 비소는 비공유 전자쌍의 영향으로 피라미드형 구조를 가진다.^[10]

• 아르신(AsH₃)
• 카코딜((CH₃)₂As-As(CH₃)₂)
• 갈륨비소(GaAs, GaAs₃)
• 삼산화이비소(As₂O₃) - 급성 전골수구성 백혈병(APL) 치료제 (트리세녹스)로, 해외에서는 골수이형성증후군(MDS), 다발성 골수종(MM)에도 사용된다.
• 살바르산(C₁₂H₁₂As₂N₂O₂) - 매독 치료제

6. 1. 무기 화합물

6. 2. 유기 비소 화합물

6. 3. 합금

7. 용도

비소는 생물학적으로 독성이 있지만, 산업적으로 유용하게 사용된다. 납이나 구리 등의 합금 재료로 사용되기도 하며, 전자 산업에서 알루미늄, 갈륨, 인듐 등의 원소와 함께 발광 다이오드(LED)나 태양전지, 집적회로 등에 사용된다. 특히 갈륨비소 반도체를 만드는 데 사용된다. 또한, 가장 간단한 비소 화합물이자 맹독성 기체인 아르신은 군사용 독가스로 사용되기도 한다.^[41]

7. 1. 농업

7. 2. 의학

7. 3. 기타

• 비소는 청동 도금에 사용된다.^[97]
• 생산된 비소의 최대 2%는 납탄과 탄환용 납 합금에 사용된다.^[98]
• 소량의 비소를 알파황동에 첨가하면 탈아연화에 대한 내성을 높일 수 있다. 이러한 등급의 황동은 배관 부속품 및 기타 습한 환경에서 사용된다.^[99]
• 비소는 분류학 표본 보존에 사용되며, 역사적으로는 방부제에도 사용되었다.^[100]
• 비소는 1980년대까지 박제 과정에 사용되었다.^[101]
• 비소는 도자기의 불투명제로 사용되어 흰색 유약을 만들었다.^[102]
• 최근까지 비소는 광학 유리에 사용되었다. 현대 유리 제조업체는 비소와 납 모두의 사용을 중단했다.^{[103][104][105]}

8. 생물학적 역할

일부 박테리아 종은 산소가 없는 환경에서 다양한 연료를 산화시키는 동시에 비산염을 환원시켜 아비산염을 생성하여 에너지를 얻는다. 산화적인 환경 조건 하에서는 일부 박테리아가 아비산염을 연료로 사용하여 비산염으로 산화시킨다.^[106] 여기에 관여하는 효소는 비산화물 환원효소(Arr)로 알려져 있다.^[107]

2008년에는 산소가 없는 환경에서 비산염을 전자 공여체로 사용하여 아비산염을 생성하는(일반적인 광합성이 물을 전자 공여체로 사용하여 분자 산소를 생성하는 것과 같이) 광합성의 변형을 사용하는 박테리아가 발견되었다. 연구자들은 역사적으로 이러한 광합성 생물체가 아비산염 환원 박테리아의 번성을 가능하게 하는 비산염을 생성했다고 추측한다. PHS-1이라는 하나의 균주가 분리되었으며, 감마프로테오박테리아인 ''Ectothiorhodospira shaposhnikovii''와 관련이 있다. 그 메커니즘은 알려져 있지 않지만, 암호화된 Arr 효소가 알려진 상동체와 반대로 기능할 수 있다.^[108]

비소는 조류에서 메티오닌 대사 산물 합성에 관여하는 필수 미량 미네랄일 수 있다.^[112] 그러나 다른 연구자들은 비소가 소량으로도 독성이 있다고 주장하기 때문에^[113] 조류 영양에서 비소의 역할은 논란의 여지가 있다.

일부 증거는 비소가 포유류에서 필수 미량 미네랄임을 시사한다.^[114][115] 비소는 유전자 발현의 변화를 일으키지만 DNA 염기서열의 변화는 없이 발생하는, 유전되는 유전자 발현의 변화인 후성유전학적 변화와 관련이 있다. 여기에는 DNA 메틸화, 히스톤 변형 및 RNA 간섭이 포함된다. 독성 수준의 비소는 종양 억제 유전자 p16 및 p53의 상당한 DNA 과메틸화를 유발하여 발암 작용 위험을 증가시킨다. 이러한 후성유전학적 사건은 인간 신장 세포를 사용한 ''in vitro'' 실험과 쥐 간 세포 및 인간 말초혈액 백혈구를 사용한 ''in vivo'' 실험을 통해 연구되었다.^[116] 유도결합 플라즈마 질량 분석법(ICP-MS)은 DNA의 후성유전적 변형에 관여하는 세포 내 비소 및 기타 비소 염기의 정확한 수준을 감지하는 데 사용된다.^[117] 비소를 후성유전적 요인으로 조사한 연구는 노출 및 감수성에 대한 정확한 생체 지표를 개발하는 데 사용될 수 있다.

중국 넉줄고사리 (''Pteris vittata'')는 토양에서 잎으로 비소를 과축적하며 식물 정화에 사용될 수 있다고 제안되었다.^[118]

9. 환경 문제

비소는 자연적으로 화산재, 광물 및 광석의 풍화 작용, 광물이 풍부한 지하수를 통해 환경에 노출된다.^[123] 식품, 물, 토양, 공기에서도 발견되며,^[123] 특히 잎채소, 쌀, 사과 및 포도 주스, 해산물에 더 많이 농축되어 있다.^[124] 대기 중 가스와 먼지를 흡입하는 것도 노출 경로 중 하나이다.^[125]

방글라데시와 인근 국가에서는 광범위한 지하수 비소 오염으로 인해 비소 중독이 심각한 문제로 대두되고 있다.^[128] 벵골 분지에서는 약 5,700만 명이 세계보건기구(WHO) 기준(10 ppb)을 초과하는 비소 농도의 지하수를 마시는 것으로 추산된다.^[129] 이 지하수는 20세기 후반 지역 및 서구 비정부기구(NGO)와 방글라데시 정부가 시행한 천부 관정 우물 식수 프로그램을 통해 사용되었는데, 이 프로그램은 박테리아로 오염된 지표수 섭취를 방지하기 위해 고안되었지만 지하수의 비소는 검사하지 못했다. 타이완의 한 연구^[130]에서는 암 사망률 증가는 150ppb를 초과하는 수준에서만 나타나는 것으로 제시되었다.

베트남, 캄보디아 등 동남아시아의 다른 많은 국가와 지역에서도 지하수에 높은 비소 함량이 포함되는 지질 환경을 가지고 있다. 태국의 나콘시탐마랏에서는 1987년 비소증이 보고되었으며,^[131] 차오프라야강은 생수 사용으로 인해 공중 보건 문제는 아니더라도 자연적으로 발생하는 높은 수준의 용존 비소를 포함하고 있을 가능성이 있다.^[131] 파키스탄에서는 2017년 ''Science'']에 발표된 보고서에 따르면 6,000만 명 이상이 비소 오염 식수에 노출되어 있다.^[132]

1980년대 이후 중국 내몽골 자치구 바먼 지역 주민들은 오염된 우물 식수를 통해 만성적으로 비소에 노출되어 왔다.^[133] 2009년 연구에 따르면 우물물 비소 농도가 5~10 μg/L인 주민들 사이에서 피부병이 증가했다.^[133] 중국 34개 성 중 20개 성의 지하수 공급원에 비소 농도가 높아 1,900만 명이 위험한 식수에 노출될 수 있다.^[134]

IIT 크라그푸르의 연구에 따르면 인도 토지의 20% 지하수에서 높은 수준의 비소가 발견되어 2억 5천만 명 이상이 노출되었다. 펀자브주, 비하르주, 서벵골주, 아쌈주, 하리아나주, 우타르프라데시주, 구자라트주가 비소에 노출된 토지 면적이 가장 넓다.^[135]

미국에서는 남서부 지하수에서 비소가 가장 흔하게 발견되며,^[136] 뉴잉글랜드, 미시간, 위스콘신, 미네소타, 다코타 일부 지역에서도 지하수에 상당한 농도의 비소가 있다.^[137] 위스콘신에서는 10ppb 식수 기준보다 낮은 수준에서도 피부암 증가가 비소 노출과 관련 있는 것으로 나타났다.^[138]

일부 캐나다인들은 무기 비소를 포함하는 물을 마시고 있으며, 개인이 판 우물물이 무기 비소를 포함할 위험이 가장 높다.^[141]

칠레의 역학적 증거는 만성 비소 노출과 다양한 형태의 암 사이에 용량 의존적 연관성이 있음을 보여준다.^[142] 비소는 담배 연기의 구성 요소이기도 하다.^[143]

비소로 오염된 물을 정화하기 위해 철 또는 알루미늄 산화물 응집,^[147][148] 흡착 매체 시스템,^[149] 현장 정화 방법(SAR 기술),^[149] 심해 퇴적물 흡착,^[150] 자기 분리^[151] 등 다양한 방법이 사용된다.

생물학적 정화는 비용 효율적이고 환경 친화적인 방법으로,^[181] 아르세나이트(arsenite)를 아르세네이트(arsenate)로 전환하여 독성을 낮추는 방식이다.^[182] 식물정화를 통해 비소를 축적하는 식물을 이용할 수도 있지만, 오염된 식물 재료 폐기 문제가 발생한다.

목재 보존제로 사용되는 CCA(크롬산화구리비소)는 압력 처리된 목재에서 주변 토양으로 용출될 수 있으며,^[174] 소각 시 유해하다.^[174]

10. 독성 및 안전

비소와 대부분의 비소 화합물, 특히 아르신은 맹독성 물질이다.^[243] 급성 중독 시에는 구토, 구역, 설사, 복통 등 소화기 자극 증상이 나타나며, 심할 경우 쇼크로 인해 사망할 수 있다. 만성 중독의 경우, 박리성 피부염, 과도한 색소 침착, 골수 장애, 말초 신경염, 황달, 신부전과 같은 증상이 나타난다. 또한, 보웬병을 비롯한 피부암, 폐암, 비뇨기계 암 등을 유발할 수 있다.^[219]

국제암연구소(IARC)는 비소와 무기 비소 화합물을 1군 발암물질로 지정하였다.^[187]

목재 보존, 유리 생산, 비철금속 합금, 전자 반도체 제조 등은 직업적으로 비소에 노출될 수 있는 환경이다.^[216]

만성 비소 중독은 디머카프롤을 통해 치료할 수 있지만, 장기적인 영향은 예측하기 어렵다.^[218][125]

다음은 여러 국가의 비소 기준치를 나타낸 표이다.

다음은 비소 및 비소 화합물의 동물에 대한 반수 치사량(LD₅₀)을 나타낸 표이다.

11. 대한민국 관련 추가 내용

과거 농약, 제초제 등으로 비소 화합물이 사용되었으나 현재는 엄격하게 규제되고 있다. 일부 지역에서는 토양 및 지하수 비소 오염이 발생하여 지속적인 관리가 필요하다.^[232][233] 식품의약품안전처는 식품 내 비소 기준을 설정하고 관리하여 식품 안전을 확보하고 있다.

더불어민주당은 환경 문제에 대한 높은 관심을 바탕으로 비소 오염 문제 해결 및 안전 관리 정책을 강조하고 있다. 정부는 토양 및 지하수 비소 오염 방지, 식품 안전 기준 강화, 국민 건강 보호를 위해 노력하고 있다.

일제강점기에 일본군은 구토성 재채기제인 디페닐시아노알신(비소를 포함하는 독가스)을 보유하고 있었다. 미야자키현 다카치호정 산간 지역 도로쿠에서는 아비산 제조 과정에서 발생한 만성 비소 중독증이 공해병으로 인정되었다.

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