크로뮴

3. 동위 원소

자연 상태의 크로뮴은 네 가지 안정 동위 원소(⁵⁰Cr, ⁵²Cr, ⁵³Cr, ⁵⁴Cr)로 구성되어 있으며, 이 중 ⁵²Cr이 83.789%의 동위 원소 존재비로 가장 풍부하다. ⁵⁰Cr은 관측상 안정적인 것으로 여겨지지만, 이론적으로는 이중 전자 포획을 통해 ⁵⁰Ti로 붕괴될 수 있다. 다만, 이 붕괴의 반감기는 1.3×10¹⁸년 이상으로 매우 길 것으로 예측된다.

크로뮴에는 ⁴²Cr부터 ⁷⁰Cr까지 총 25가지의 방사성 동위 원소가 알려져 있다. 이들 중 가장 안정한 동위 원소는 반감기가 27.7일인 ⁵¹Cr이다. 나머지 방사성 동위 원소들은 모두 반감기가 24시간 미만이며, 대부분은 1분보다 짧다. 크로뮴은 두 가지 준안정 핵 이성질체도 가지고 있다. 가장 풍부한 안정 동위 원소인 ⁵²Cr보다 가벼운 동위 원소들의 주된 붕괴 모드는 전자 포획이며, ⁵²Cr보다 무거운 동위 원소들의 주된 붕괴 모드는 베타 붕괴이다.⁵³Cr은 반감기가 374만 년인 ⁵³Mn의 방사 생성 붕괴 생성물이다.^[15] 크로뮴 동위 원소는 일반적으로 망가니즈 동위 원소와 함께 발견되기 때문에, 이러한 관계는 동위 원소 지질학 연구에 유용하게 활용된다. 망가니즈-크로뮴 동위 원소 비율은 ²⁶Al과 ¹⁰⁷Pd 연구 결과와 더불어 태양계 초기 역사에 대한 중요한 정보를 제공한다. 여러 운석에서 발견되는 ⁵³Cr/⁵²Cr 및 Mn/Cr 비율의 변화는 초기 ⁵³Mn/⁵⁵Mn 비율을 알려주며, 이는 분화된 행성체 내에서 ⁵³Mn이 붕괴하여 ⁵³Cr이 생성되었음을 시사한다. 따라서 ⁵³Cr은 태양계가 형성되기 직전의 핵합성 과정에 대한 증거를 제공하며,^[16] 과거 대기 중 산소 농도를 추정하는 대용 지표로도 제안되었다.^[17]

4. 역사

크로뮴은 18세기 서구에서 그 존재가 알려지기 시작했다. 1761년 독일의 광물학자 요한 고틀로브 레만이 우랄산맥에서 발견한 붉은색 홍연석이 그 시작이었다.^[42][43] 처음에는 다른 원소의 화합물로 여겨졌으나,^[44] 이후 안료로서의 가치가 알려지며 주목받기 시작했다.^[45]

프랑스의 화학자 루이 니콜라 보클랭은 1797년 홍연석 연구를 통해 삼산화 크로뮴(CrO₃)을 만들고, 이를 숯가마에서 가열하여 처음으로 순수한 금속 크로뮴을 분리하는 데 성공했다.^[44][47][48] 그는 또한 루비와 에메랄드 같은 보석의 색이 크로뮴 때문이라는 사실도 밝혀냈다.^{[44][49][149]}

19세기에는 크로뮴이 주로 페인트 안료와 가죽 무두질 염으로 사용되었다.^[50] 이후 전기도금 기술이 발전하면서 크로뮴은 특유의 광택과 내식성 덕분에 자동차 부품, 배관 설비 등 다양한 분야에서 보호 및 장식용 코팅으로 널리 활용되기 시작했다.^[52]

한편, 기원전 3세기 중국 진나라 병마용 유물에서 크로뮴 성분이 발견되어 고대 도금 기술과의 연관성이 제기되기도 했으나,^[151] 후속 연구를 통해 이는 병마용 채색에 사용된 도료에서 유래한 것으로, 의도적인 내식 처리의 증거는 아닌 것으로 밝혀졌다.^[152]

4. 1. 초기 역사

4. 2. 서구 사회 발견

4. 3. 명칭

5. 발견 지역

크로뮴은 지각 속에 평균 100ppm 농도로 포함되어 있으며, 지각에서 22번째로 많은 원소이다. 자연에서는 크로뮴을 포함한 암석이 풍화되거나 화산 폭발로 인해 크로뮴 화합물 형태로 발견되는 경우가 많다. 토양에는 지역에 따라 100~300ppm까지 다양한 농도로 나타나며, 해수에는 약 500~800ppb 정도로 포함되어 있다. 이외에 하천에서는 약 26ppb, 호수에서는 5.2ppm 정도 포함되어 있다.

주로 크롬철광(FeCr₂O₄)에서 산출되며, 주요 생산국은 다음과 같다.

드물기는 하지만 순수한 형태로도 발견된다.

6. 생산

7. 용도

크로뮴의 가장 중요한 용도는 합금 제조로, 전체 사용량의 약 85%를 차지한다.^[56] 크로뮴을 첨가하면 금속의 부식 저항성과 강도가 향상되기 때문에, 스테인리스 스틸이나 고속도강과 같은 다양한 합금에 필수적으로 사용된다.^[57] 또한, 단단하고 내식성이 강한 특성을 이용해 금속 표면을 보호하고 광택을 내기 위한 크롬 도금에도 널리 쓰인다.^[64]

나머지 약 15%는 화학 산업, 내화물 및 주조 산업 등에서 사용된다.^[56] 크롬 옐로(PbCrO₄)와 같은 크로뮴 화합물은 과거에 노란색 안료로 널리 사용되었으나,^[68] 환경 및 건강 문제로 인해 점차 다른 물질로 대체되고 있다. 산화크롬(III)은 녹색 안료나 유리 착색제, 적외선 반사 페인트 등으로 사용된다.^[69][70]

보석 루비의 특징적인 붉은색은 산화 알루미늄 결정 구조 내에 포함된 소량의 3가 크로뮴 이온(Cr³⁺) 때문이다.^[71] 인공 루비 합성 및 레이저 기술에도 크로뮴이 활용된다.^[72][73][74]

이 외에도 6가 크로뮴 화합물은 독성을 이용해 목재 보존 처리제나^[75] 살충제에 사용되며, 강력한 산화력을 지닌 크롬산은 실험 기구 세척에 쓰이기도 했다.^[87] 3가 크로뮴 화합물은 가죽 무두질 과정에서 콜라겐 섬유를 안정화시키는 데 중요한 역할을 한다.^[76] 높은 내열성 때문에 내화물 재료^[54][79]나 촉매^{[80][81][82][83]}, 자기 테이프^[84] 등 다양한 산업 분야에서 활용된다.

7. 1. 합금 및 도금

7. 2. 안료 및 염료

7. 3. 보석

7. 4. 기타 용도

• 6가 크로뮴 화합물은 독성이 강하여 살충제에 사용된다. 또한 목재 보존에도 사용되는데, 예를 들어 크로메이트 처리된 구리 비산염(CCA)은 목재를 부패균, 흰개미와 같은 목재 공격 곤충, 해양 굴착충으로부터 보호하는 데 쓰인다.^[75] CCA 제형에는 산화물 CrO₃를 기준으로 35.3%에서 65.5%의 크롬이 포함되어 있다. 미국에서는 1996년에 65300ton의 CCA 용액이 사용되었다.^[75] 크롬산은 강력한 산화제로서 실험실 유리 기구에 남아 있는 미량의 유기 화합물을 제거하는 데 사용된다.^[87] 이는 진한 황산에 이크롬산칼륨을 용해시켜 만들며, 때로는 용해도가 더 높은 이크롬산나트륨이 사용되기도 한다. 그러나 높은 독성과 환경 문제로 인해 이크롬산 세척액의 사용은 점차 줄어들고 있다.^[88] 이크롬산칼륨은 화학 시약으로 적정에 사용된다.^[89] 크롬산염은 습한 환경에서 강철의 부식을 방지하기 위해 드릴링 머드에 첨가되기도 한다.^[90]

• 3가 크로뮴 화합물은 가죽을 무두질할 때 쓰인다. 특히 크롬 명반과 황산크롬(III)이 사용되며, 크롬(III)은 가죽의 콜라겐 섬유를 가교 결합하여 안정화시킨다.^[76] 크롬으로 무두질된 가죽은 단백질에 단단히 결합된 크롬을 4~5% 함유할 수 있다.^[35] 무두질에 사용되는 크롬(III)은 독성이 있는 6가 크롬은 아니지만, 무두질 산업에서는 크롬 관리에 대한 관심이 높아 회수 및 재사용, 직접/간접 재활용,^[77] 그리고 "크롬 없는" 또는 "무크롬" 무두질 방법이 시행되고 있다.^[78]

• 코런덤(알루미늄 산화물) 결정에 크롬(III) 이온이 존재하면 결정이 붉은색을 띠게 되는데, 이것이 보석 루비이다. 크롬(III) 이온이 없으면 사파이어로 알려져 있다.^[71] 인공 코런덤 결정에 크롬(III)을 첨가하여 인공 루비를 만들 수 있다.^[72][73] 이러한 합성 루비 결정은 1960년에 제작된 최초의 레이저의 핵심 부품이었으며, 이 레이저는 루비 결정 내 크롬 원자의 유도 방출 원리를 이용했다. 루비 레이저는 694.3nm 파장의 짙은 붉은색 빛을 방출한다.^[74]
• 산화크롬(III)(Cr₂O₃)은 두 가지 주요 용도로 사용된다. 첫째, 높은 내열성과 녹는점으로 인해 크로마이트와 함께 용광로, 시멘트 소성로, 벽돌 소성용 금형 및 금속 주조용 주형 모래 등 내화물 재료로 활용된다. 다만, 이 과정에서 6가 크롬이 생성될 가능성 때문에 환경 규제로 인해 사용량이 감소하고 있다.^{[54] [79]} 둘째, 녹색 연마제로 알려진 금속 광택제로도 사용된다.^[85][86]
• 크롬 명반(황산크로뮴칼륨)은 직물에 염료를 고착시키는 매염제로도 사용된다.^[91]

• 몇몇 크롬 화합물은 탄화수소 처리를 위한 촉매로 사용된다. 예를 들어, 산화크롬으로 제조된 필립스 촉매는 전 세계 폴리에틸렌 생산량의 약 절반에 사용된다.^[80] 철-크롬 혼합 산화물은 수성가스 전환 반응을 위한 고온 촉매로 사용된다.^[81][82] 구리 크로마이트는 유용한 수소화 촉매이다.^[83]
• 사산화크로뮴(CrO₂)은 자성을 띠는 화합물이다. 높은 보자력과 잔류 자화 특성으로 인해 고성능 오디오 테이프와 표준 오디오 카세트에 사용되는 자기 테이프 제조에 쓰인다.^[84]

• 금속 크로뮴은 광택이 있고 단단하며 내식성이 우수하여 크롬 도금에 널리 이용된다. 또한, 철과 10.5% 이상의 크롬을 포함하는 합금(페로크롬)은 스테인리스강이라고 불린다. 스테인리스강은 크롬이 형성하는 부동태 피막 덕분에 거의 녹이 슬지 않아, 차량이나 기계와 같은 중공업 제품에서부터 싱크대, 칼 등의 주방용품에 이르기까지 매우 폭넓게 사용된다.

8. 생물학적 역할 및 건강 문제

크로뮴(Cr)은 그 형태에 따라 인체와 환경에 미치는 영향이 크게 다르다. 삼가크롬(Cr³⁺)은 과거 인슐린 활성에 관여하는 '인체 미량 원소'로 여겨졌으나, 필수 영양소인지와 그 역할에 대해서는 여전히 논란이 있다.^{[155][92][93][4][5][6]} 건강한 사람에게 크롬(III) 결핍 증상이 나타나지 않으며, 보충이 필요하지 않다는 것이 일반적인 견해이다.^[4][5]

반면, 육가크롬(Cr⁶⁺)은 강한 독성을 지닌 돌연변이원이자 발암성 물질로 알려져 있다.^[94][155] 육가크롬은 기관지염, 아토피, 폐암 등을 유발할 수 있으며, 눈, 피부, 신장, 간 등 여러 장기에 심각한 손상을 줄 수 있다.^[155] 물을 통해 섭취할 경우 위암 발병 위험과 관련이 있으며, 피부 접촉 시 알레르기성 접촉성 피부염을 일으킬 수도 있다.^[95]

크로뮴 화합물은 염료, 페인트, 가죽 무두질 등 다양한 산업 분야에서 사용된다. 그러나 사용 후 제대로 처리되지 않고 토양이나 지하수로 버려질 경우 심각한 환경 오염을 유발할 수 있어 정화 작업이 필요하다.^[1] 특히 독성이 강한 육가크롬은 환경 및 건강 문제로 인해 사용 규제가 강화되는 추세이다.

8. 1. 인체에 미치는 영향

• 당뇨병 및 혈당 조절: 크롬 보충이 제2형 당뇨병 환자에게 도움이 되는지에 대한 연구는 여러 차례 진행되었으나 결과는 일관되지 않다. 여러 메타 분석 결과를 살펴보면, 일부 연구에서는 공복 혈장 포도당 수치나 당화혈색소(HbA1c)가 통계적으로 유의미하게 감소했다는 보고가 있었지만(^{[120][121][122]}), 다른 연구에서는 효과가 없다는 결과도 나왔다.^[123] 2016년에 발표된 한 검토 논문은 여러 연구에서 통계적 유의성은 나타났을지라도, 임상적으로 의미 있는 수준의 개선을 보인 경우는 극소수에 불과하다고 결론지었다.^[124]
• 2005년 미국 식품의약국(FDA)은 피콜린산 크롬에 대해 다음과 같은 조건부 건강 관련 주장을 승인했다: "소규모 연구 하나에서 피콜린산 크롬이 인슐린 저항성 위험을 감소시키고, 따라서 2형 당뇨병 위험을 감소시킬 수 있다는 것을 시사합니다. 그러나 FDA는 피콜린산 크롬과 인슐린 저항성 또는 2형 당뇨병 사이의 그러한 관계의 존재가 매우 불확실하다고 결론지었습니다."^[115] 이 결정은 2024년 3월 현재 유효하다.^[116]
• 2010년 캐나다 보건부는 피콜린산 크롬(III)을 건강기능식품으로 승인하며 "건강 유지에 중요한 요소", "건강한 포도당 대사 지원" 등의 표기를 허용했다.^[117]
• 유럽 식품 안전청(EFSA)은 2010년 크롬이 정상적인 거대 영양소 대사와 혈당 농도 유지에 기여한다는 주장은 인정했지만, 체중 유지나 피로 감소 관련 주장은 기각했다.^[118] 이후 2014년 재평가에서는 "본 위원회는 생리 기능 수행을 위한 크롬의 평균 요구량(Average Requirement)과 인구 참고 섭취량(Population Reference Intake)을 정의할 수 없다고 결론짓습니다." 그리고 "본 위원회는 건강한 피험자에서 크롬 섭취와 관련된 유익한 효과에 대한 증거가 없다고 판단했습니다. 본 위원회는 크롬에 대한 적절한 섭취량(Adequate Intake)을 설정하는 것도 적절하지 않다고 결론짓습니다."라고 밝히며, 크롬의 필수 영양소 지위에 의문을 제기했다.^[6]

• 체중 관리: 과체중 및 비만인 사람들을 대상으로 한 크롬 보충제의 체중 감량 효과 연구 역시 결과가 미미하다. 두 건의 체계적 문헌 고찰에서 통계적으로 유의미한 약간의 체중 감소(한 연구는 약 0.50kg 감소,^[125] 다른 연구는 0.5kg(약 약 0.50kg) 감소^[126])가 보고되었으나, 연구자들은 이러한 미미한 변화의 임상적 중요성은 불확실하거나 신뢰하기 어렵다고 평가했다.^[125] EFSA 역시 체중 감량 주장을 뒷받침할 증거가 불충분하다고 판단했다.^[6]

• 스포츠 성능: 크롬은 인슐린 활성 증강 효과를 통해 근육량 증가나 운동 능력 향상에 도움이 될 것이라는 기대로 스포츠 보충제로 홍보되기도 했다.^{[113][127][128]} 그러나 여러 임상 시험 결과를 검토한 결과, 크롬 보충제가 운동 능력이나 근력을 향상시킨다는 증거는 발견되지 않았다.^[129] 국제 올림픽 위원회(IOC) 역시 2018년 검토에서 운동선수가 크롬 섭취를 늘릴 필요가 없으며, 체지방 감소 효과 주장도 근거가 없다고 결론지었다.^[130]

• 크롬(III) 및 금속 크롬: 물에 녹지 않는 크롬(III) 화합물과 금속 크롬은 일반적으로 건강에 해롭지 않은 것으로 간주된다.^[134][153] 세포로 유입되는 양이 제한적이며, 급성 경구 독성은 50 mg/kg에서 150 mg/kg 범위이다.^[135] 2008년의 한 검토에 따르면, 식이 보충제를 통한 중간 정도의 크롬(III) 섭취는 유전 독성 위험을 초래하지 않는 것으로 나타났다.^[136] 미국 직업안전보건청(OSHA)은 작업장 공기 중 크롬(III) 허용 노출 한계(PEL)를 시간 가중 평균(TWA) 1 mg/m³로, 국립 직업안전보건연구소(NIOSH)는 권장 노출 한계(REL)를 TWA 0.5 mg/m³로 설정했다. IDLH(생명 및 건강에 즉각적으로 위험한 수준) 값은 250 mg/m³이다.^[137]

• 크롬(VI) (육가크롬): 육가크롬 화합물은 독성이 매우 높고 발암성 물질로 알려져 있다.^[134][153] 급성 경구 독성은 1.5 mg/kg에서 3.3 mg/kg 범위이다.^[135] 육가크롬은 체내에서 삼가크롬으로 환원되기도 하지만, 일부는 세포 내로 유입될 수 있다. 강한 산화력을 가지고 있어 혈류에 도달하면 신장, 간, 혈구를 손상시켜 용혈, 신부전, 간부전 등을 일으킬 수 있다.^[138] 크롬산염 분진의 발암성은 1890년대부터 알려졌으며,^[139][140] IARC는 육가크롬 화합물을 인체 발암성 물질 (Group 1)로 분류하고 있다. 유전독성 기전으로는 환원 과정에서 생성되는 활성 산소, 중간 생성물(Cr(V), Cr(IV))의 DNA 직접 결합, 최종 생성물(Cr(III))의 DNA 결합 등이 제시된다.^[141][142] 또한, 크롬산염은 일부 사람들에게 알레르기 반응을 일으켜 접촉성 피부염이나 피부 궤양("크롬 궤양")을 유발할 수 있다. 이는 도금, 가죽 무두질, 페인트, 시멘트 등 관련 산업 종사자에게서 흔히 나타날 수 있다.^[143][144] 육가크롬은 과거 도금 등에 널리 사용되었으나 환경 오염 문제로 사용이 제한되는 추세이며, 담배 연기에도 포함된 발암 물질 중 하나이다.^[153]

8. 2. 영양 권장량

• AI: 적정 섭취량(Adequate Intake), RDA: 권장 섭취량(Recommended Dietary Allowance)

8. 3. 환경 오염 문제

8. 4. RoHS 규제

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