중금속

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1. 개요

중금속은 과학적으로 명확하게 정의되지 않은 용어로, 밀도, 원자 번호, 화학적 거동 등을 기준으로 다양한 정의가 존재한다. 일반적으로는 철보다 무거운 금속을 의미하며, IUPAC은 이 용어의 모호함과 독성 물질 지칭에 대한 오해의 소지를 지적했다. 일부 중금속은 생물학적 과정에 필수적이지만, 과다 노출 시 독성을 나타내며 환경 오염의 주요 원인이 된다. 중금속은 다양한 산업 분야에서 활용되며, 독성을 고려하여 사용에 주의해야 한다.

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중금속
개요
정의	금속 특성을 보이는 원소들의 느슨하게 정의된 하위 집합
특징	대부분이 전이 금속 일부는 전이후 금속, 준금속, 비금속
용어 논란
사용상의 문제	정확한 정의가 없음 원소들의 화학적 특성에 기반하지 않음 "무거운"이라는 단어의 의미가 모호함
대안 용어 제안	독성 금속 오염 금속 미량 금속
정의 기준
밀도 기준	밀도가 5 g/cm³ 이상인 금속 일부는 3.5 g/cm³ 또는 4 g/cm³ 이상으로 정의
원자 번호 기준	원자 번호가 20 이상인 금속 일부는 원자 번호가 23 이상인 금속으로 정의
원자 질량 기준	원자 질량이 40 이상인 금속
주요 금속
예시	비소 카드뮴 크로뮴 코발트 구리 수은 망간 니켈 납 아연
독성
위험성	생물체에 축적되어 독성을 유발 환경 오염의 원인
노출 경로	오염된 물과 음식 섭취 호흡을 통한 흡입 피부 접촉
건강 문제	신경계 손상 신장 질환 암
환경 영향
주요 오염원	산업 활동 광업 농업 폐기물 소각
토양 오염	토양에 축적되어 농작물에 흡수 지하수 오염 유발
수질 오염	강과 호수 오염 해양 오염
기타
관련 분야	환경 과학 독성학 지구화학 분석 화학

2. 정의

"중금속"이라는 용어는 명확한 과학적 합의 없이 다양한 기준으로 정의된다. 순수 및 응용화학 국제연합(IUPAC)은 이 용어가 의미 없고 오해의 소지가 있다고 지적한다.^[4]

일반적으로 밀도, 원자 번호, 화학적 거동 등을 기준으로 중금속을 정의하지만, 통일된 기준은 없다. 밀도 기준은 3.5g/cm³ 이상에서 7g/cm³ 이상까지 다양하며,^[9] 원자 번호 기준은 나트륨(원자량 22.98)보다 큰 경우,^[9] 40보다 큰 경우, 200보다 큰 경우^[11] 등 다양하게 적용된다.

원자 번호 기준은 밀도가 낮은 금속을 포함한다는 비판을 받기도 한다. 예를 들어 알칼리 금속인 루비듐은 원자 번호가 37이지만 밀도는 1.532g/cm³로, 다른 기준에서 제시하는 임계값보다 낮다.^[13]

2. 1. 중금속 용어의 논쟁점

순수 및 응용화학 국제연합(IUPAC)은 "중금속(heavy metals)"이라는 용어가 의미가 없고 오해의 소지가 있다고 밝혔다.^[4] IUPAC 보고서는 과학적 근거 없이 "중금속"을 독성 물질로 묘사하는 것의 법적 및 독성학적 의미에 초점을 맞추고 있다. "무거운(heavy)"이라는 형용사가 함축하는 밀도는 생물학적 영향이 거의 없으며, 순수 금속은 생물학적으로 활성인 물질인 경우가 드물다.

이러한 견해는 수많은 검토 논문에서 반복적으로 언급되었다. 가장 널리 사용되는 독성학 교과서에서는 "중금속(heavy metals)"이 아닌 "유독 금속(toxic metal)"이라는 용어를 사용한다. 그럼에도 불구하고, 독성 물질을 지칭하는 용어로 "중금속(heavy metal)"을 계속 사용하는 과학 및 과학 관련 논문들이 있다.^[4] 과학 논문에서 허용되는 용어가 되려면 엄격한 정의가 필요하다는 주장이 제기되었다.^[5]

독성학 이외의 응용 분야에서도 중금속에 대한 널리 합의된 기준 기반 정의는 없다. 검토 결과에 따르면 중금속이라는 용어의 사용을 권장하지 않는다.^[6] 용어의 의미는 맥락에 따라 다를 수 있다. 예를 들어, 중금속은 밀도를 기준으로 정의될 수 있으며,^[7] 구별 기준은 원자번호^[8] 또는 화학적 거동일 수 있다.^[24]

밀도 기준은 3.5g/cm3 이상에서 7g/cm3 이상까지 다양하다.^[9] 원자량 정의는 나트륨(원자량 22.98)보다 크거나,^[9] 40보다 크거나(s- 및 f-구역 금속 제외, 따라서 스칸듐부터 시작),^[10] 또는 200보다 큰 경우, 즉 수은부터 시작하는 경우 등 다양하다.^[11] 원자 번호는 때때로 92(우라늄)로 제한된다.^[12] 원자 번호를 기반으로 한 정의는 밀도가 낮은 금속을 포함한다는 비판을 받았다. 예를 들어, 주기율표의 1족(열)에 있는 루비듐은 원자 번호가 37이지만 밀도는 1.532g/cm3에 불과하여 다른 저자들이 사용하는 임계값보다 낮다.^[13] 원자량을 기반으로 하는 정의에서도 동일한 문제가 발생할 수 있다.^[14]

2. 2. 독성학 외 분야에서의 사용

순수 및 응용화학 국제연합(IUPAC)은 "중금속"이라는 용어가 의미 없고 오해의 소지가 있다고 밝혔다.^[4] 독성학 외의 분야에서는 중금속에 대해 널리 합의된 정의가 없다.^[6] 중금속은 밀도,^[7] 원자번호,^[8] 화학적 거동^[24] 등 다양한 기준으로 정의될 수 있다.

밀도 기준은 3.5 g/cm³ 이상에서 7 g/cm³ 이상까지 다양하다.^[9] 원자량 정의는 나트륨(원자량 22.98)보다 크거나,^[9] 40보다 크거나,^[10] 200보다 큰 경우^[11] 등으로 다양하다. 원자 번호는 때때로 92(우라늄)로 제한되기도 한다.^[12] 원자 번호를 기준으로 한 정의는 밀도가 낮은 금속을 포함한다는 비판을 받는다. 예를 들어 주기율표의 1족(열)에 있는 루비듐은 원자 번호가 37이지만 밀도는 1.532 g/cm³에 불과하여 다른 저자들이 사용하는 임계값보다 낮다.^[13] 원자량을 기반으로 하는 정의에서도 동일한 문제가 발생할 수 있다.^[14]

3. 기원 및 용어의 사용

금, 구리, 철과 같이 자연적으로 산출되는 금속의 무게는 선사 시대에 이미 인지되었을 것이며, 이러한 금속의 가공성을 고려할 때 금속 장식, 도구 및 무기를 제작하려는 최초의 시도로 이어졌을 것이다.^[29]

1817년 독일 화학자 레오폴트 그멜린은 원소들을 비금속, 경금속, 중금속으로 분류하였다.^[30] 경금속의 밀도는 ~였고, 중금속은 5.308g/cm3~이었다.^[31] 중금속이라는 용어는 때때로 "중원소"라는 용어와 상호 교환적으로 사용된다. 예를 들어 핵화학의 역사를 논의할 때, Magee^[32]는 악티늄족 원소가 한때 새로운 중원소 전이족을 나타내는 것으로 여겨졌던 반면 시보그와 그의 동료들은 "...중금속 희토류와 같은 계열..."을 선호했다고 언급한다.

"경금속"은 미네랄스, 메탈스 앤 머터리얼스 소사이어티에 의해 "전통적인 (알루미늄, 마그네슘, 베릴륨, 티타늄, 리튬, 그리고 다른 반응성 금속)과 신흥 경금속 (복합재료, 적층재료 등)"을 포함하는 것으로 정의된다.^[33]

4. 생물학적 역할

일부 중금속은 특정 생물학적 과정에 필수적인 미량 원소이다. 4주기 원소 중에서는 철과 구리가 산소 및 전자 전달에, 코발트는 복합체 합성 및 세포 대사에, 바나듐과 망간은 효소 조절 또는 기능에, 크롬은 포도당 이용에, 니켈은 세포 성장에, 비소는 일부 동물과 아마도 인간의 대사 성장에, 셀레늄은 항산화제 기능 및 호르몬 생성에 필요하다.^[39]

5주기와 6주기에는 더 무거운 원소일수록 풍부도가 낮아지고 필수일 가능성이 적다는 일반적인 패턴을 보인다.^[40] 5주기에서는 몰리브데넘이 산화환원 반응의 촉매 작용에 필요하고, 카드뮴은 일부 해양 규조류에 의해 사용되며, 주석은 소수 종의 성장에 필요할 수 있다.^[41] 6주기에서는 텅스텐이 일부 고세균과 세균의 대사 과정에 필요하다.^[42] 이러한 필수 중금속이 결핍되면 중금속 중독^[43]에 대한 감수성이 증가할 수 있으며, 과잉 섭취 또한 부정적인 생물학적 영향을 미칠 수 있다.

일부 비필수 중금속도 생물학적 효과를 보이는데, 갈륨, 게르마늄(준금속), 인듐, 그리고 대부분의 란타넘족 원소는 신진대사를 촉진하며, 티타늄은 식물의 성장을 촉진한다.^[45]

바륨 황산염은 체내에 흡수되지 않고 배출되므로 조영제로 이용되며, 미량의 비스무트나 금이 의약품으로 사용되는 경우가 있다. 고대부터 안료로 사용되었던 납백이나 주사 등은 중금속을 포함하며, 약으로 복용되기도 했다. 그러나 과다 섭취는 생체 기능을 불안정하게 만들어 중독을 일으킬 수 있다. 특히, 수은(유기수은)이나 카드뮴 등은 강한 독성을 나타내며, 주석이나 납의 유기 화합물, 텔루르 등에도 독성이 있다.

4. 1. 인체 내 중금속 함량

평균 70kg의 인체에는 약 7g의 중금속이 존재한다.^[44] 이는 말린 완두콩 두 개의 무게와 비슷하며, 철 4g, 아연 2.5g, 납 0.12g이 주요 구성 성분이다.^[44] 인체 내 중금속 함량은 다음과 같다.

평균 70kg 인체 내 중금속 함량
원소	밀리그램
철	4000
아연	2500
납	120^[35]
구리	70
주석	30^[36]
바나듐	20
카드뮴	20
니켈	15^[37] ^[36]
셀레늄	14^[39]
망간	12
기타 (비소, 몰리브덴, 코발트, 크롬 등)	200^[38]
총계	7000

납은 누적 독소이며, 역사적으로 광범위하게 사용되었고 인간에 의한 환경 배출로 인해 상대적으로 높은 풍부도를 보인다.^[35] 기타 중금속에는 비소(As, 7mg), 몰리브덴(Mo, 5mg), 코발트(Co, 1.5mg), 크롬(Cr, 1.4mg) 등이 있으며, 각각 10mg 미만의 양으로 존재한다.^[38] 셀레늄은 비금속이지만, 표에는 포함되어 있다.^[39]

5. 독성

중금속은 종종 환경에 매우 유독하거나 해롭다고 여겨지지만,^[46] 일부는 과다 섭취하거나 특정 형태로 접촉했을 때만 독성을 나타낸다. 미세먼지나 금속 증기 형태로 흡입하면 금속 증기열을 유발할 수 있다.

크롬, 비소, 카드뮴, 수은, 납은 광범위한 사용, 일부 화합물이나 원소 형태의 독성, 환경 내 널리 퍼져 있음으로 인해 가장 큰 피해를 야기할 가능성이 있다.^[47] 이들 중금속은 황에 대한 친화력이 강하여, 인체 내에서 티올기(-SH)를 통해 효소에 결합한다. 그 결과 생성되는 황-금속 결합은 효소의 기능을 저해하여 건강을 악화시키고, 때로는 치명적인 결과를 초래한다.^[49]

6가 크롬과 비소는 발암 물질이며, 카드뮴은 이타이이타이병을 유발하고, 수은과 납은 중추 신경계를 손상시킨다.

고대부터 안료로 사용되었던 납백이나 주사 등은 중금속을 포함하며, 약으로 복용되기도 했다. 그러나 과다 섭취는 생체 기능을 불안정하게 만들어 중독성을 나타낸다. 특히, 산이나 알칼리와 반응하기 쉬운 중금속은 독성이 강한 경향이 있다. 강한 독성을 나타내는 탄소와 결합하는 유기수은(수은)이나 카드뮴 등이 잘 알려져 있으며, 주석이나 납의 유기 화합물, 텔루르 등에도 독성이 있다.

5. 1. 환경 중 중금속

납은 가장 흔한 중금속 오염 물질이다.^[50] 산업화된 사회의 수생 환경에서 납 수치는 산업화 이전보다 2~3배 높은 것으로 추정된다.^[51] 납은 과거 테트라에틸납 형태로 가솔린 첨가제로 사용되었으며,^[52] 이로 인해 도로 옆 토양에는 여전히 높은 농도의 납이 남아 있다.^[53] 납 노출은 폭력 범죄 증가와 관련이 있다는 연구 결과도 있다.^[54]

다른 중금속으로는 중추 신경계 손상을 유발하는 망간,^[55] 발암 물질인 코발트와 니켈,^[56] 내분비계 교란 및 선천성 장애를 유발할 수 있는 구리,^[57] 아연,^[58] 셀레늄,^[59] 은,^[60] 중추 신경계 손상을 일으키는 유기주석,^[61] 의심스러운 발암 물질인 안티몬,^[62] 중추 신경계 손상을 유발하는 탈륨이 있다.^[57]

각국 정부의 독성 오염 물질 또는 국가 오염 물질 목록은 다음과 같다.

국가	목록
미국	니켈, 구리, 아연, 셀레늄, 은, 안티몬^[63]
호주	망간, 코발트, 주석^[64]

5. 2. 기타 중금속

게르마늄 건강기능식품을 섭취하면 신부전 및 사망에 이를 수 있다. 이는 2개월에서 3년에 걸쳐 총 15~300g을 섭취했을 때 나타나는 현상이다.^[57] 사산화오스뮴은 눈에 영구적인 손상을 입히고, 호흡 부전^[65] 및 사망^[66]으로 이어질 수 있다. 인듐염은 몇 밀리그램 이상 섭취하면 독성이 있으며 신장, 간, 심장에 영향을 미친다.^[67] 시스플라틴은 암세포를 죽이는 데 사용되는 중요한 항암제이지만, 신장과 신경 독성을 가지고 있다.^[57] 비스무트 화합물은 과다 복용하면 간 손상을 일으킬 수 있으며, 불용성 우라늄 화합물과 이들이 방출하는 방사선은 신장에 영구적인 손상을 입힐 수 있다.^[68]

5. 3. 노출 원인

중금속은 산업 활동으로 인해 대기, 물, 토양의 질을 저하시키고, 식물, 동물, 사람의 건강 문제를 일으킬 수 있다.^[69]^[70] 중금속의 일반적인 원인으로는 자동차 배기가스,^[71] 엔진 오일,^[72] 비료,^[73] 유리 제조,^[74] 소각로,^[75] 약제 처리 목재,^[76] 노후된 상수도 시설,^[77] 세계 바다에 떠다니는 미세 플라스틱 등이 있다.^[78]

최근 중금속 오염 및 건강 위험 사례는 다음과 같다.

일본 미나마타병 (1932~1968년, 2016년 현재 소송 진행 중)^[79]
브라질 벤토 로드리게스 댐 붕괴 사고^[80]
미국 미시간주 플린트 시 주민들에게 공급된 식수의 높은 납 수치^[81]
2015년 홍콩 식수 중금속 사건

6. 형성, 존재, 발생, 추출

지구 지각에는 다양한 중금속이 존재하며, 그 존재비와 주요 산출원 또는 공급원은 원소에 따라 다르다. Tc, Pm, Po 등 일부 미량 원소는 존재비가 매우 낮아 표시되지 않는다.^[92]^[82]^[99] 중금속은 핵합성 과정을 통해 형성되며, 지구 내부와 지각에 다양한 형태로 존재한다.

지구 지각의 중금속: 존재비 및 주요 산출 또는 공급원^[92]^[82]^[99]
주기	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
4	K	Ca	Sc	Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni	Cu	Zn	Ga	Ge	As	Se	Br	Kr
5	Rb	Sr	Y	Zr	Nb	Mo		Ru	Rh	Pd	Ag	Cd	In	Sn	Sb	Te	I	Xe
6	Cs	Ba		Lu	Hf	Ta	W	Re	Os	Ir	Pt	Au	Hg	Tl	Pb	Bi
7
colspan=3 \|	란타넘족	La	Ce	Pr	Nd		Sm	Eu	Gd	Tb	Dy	Ho	Er	Tm	Yb

7. 이용

중금속은 전기 전도성, 반사율, 밀도, 강도, 내구성과 같은 특성을 바탕으로 여러 분야에서 활용된다.^[120] 영양소나 독극물로서의 생물학적 역할, 또는 특정 원소의 고유한 특성도 이용된다. 예를 들어, 전이 금속, 란타넘족 원소, 악티늄족 원소 중금속에서 부분적으로 채워진 d- 또는 f-오비탈은 발색성 화합물 형성을 가능하게 한다.^[113] 백금^[114], 세륨^[115], 비스무트^[116]와 같은 중금속 이온은 여러 산화 상태로 존재하여 촉매로 사용될 수 있다.^[117] 철, 코발트, 니켈, 란타넘족 중금속은 강한 교환 상호 작용으로 자기적 효과를 낸다.^[118] 높은 원자 번호와 전자 밀도는 핵과학 응용 분야에 사용된다.^[119]

7. 1. 무게 또는 밀도 기반

스포츠, 기계 공학, 군사 무기, 핵 과학 등 여러 분야에서 상대적으로 높은 밀도를 가진 중금속이 활용된다. 수중 잠수에서는 납이 밸러스트로 사용되며,^[122] 경마에서는 각 말이 과거 성적 등 여러 요소를 기반으로 정해진 납 무게를 싣도록 하여 경쟁자들의 승산을 동등하게 한다.^[123] 골프에서는 페어웨이 우드와 아이언에 텅스텐, 황동 또는 구리 인서트를 사용하여 클럽의 무게중심을 낮추어 공을 더 쉽게 띄울 수 있게 한다.^[124] 텅스텐 코어를 사용한 골프공은 더 나은 비행 특성을 가진다고 알려져 있다.^[125] 플라이 낚시에서는 텅스텐 분말이 삽입된 PVC 코팅을 가진 침강성 플라이 라인을 사용하여 원하는 속도로 침강시킨다.^[126] 육상 경기에서는 해머던지기와 포환던지기에서 사용되는 강철 공에 납을 채워 국제 규정에 따라 요구되는 최소 무게를 달성한다.^[127] 1980년까지는 해머던지기 공에 텅스텐이 사용되었지만, 1981년 공의 최소 크기가 증가하면서 당시 비싼 금속(다른 해머보다 세 배 비쌈)을 사용할 필요가 없어졌고, 모든 국가에서 쉽게 구할 수 없었던 텅스텐의 사용은 사라졌다.^[128] 텅스텐 해머는 너무 무거워 잔디에 너무 깊이 박혔다.^[129]

중금속은 배,^[130] 비행기,^[131] 자동차의 밸러스트로 사용되거나,^[132] 바퀴의 균형추와 크랭크축,^[133] 자이로스코프와 프로펠러,^[134] 원심 클러치^[135] 등 최소 공간에 최대 무게가 필요한 상황(예: 시계 작동 장치)에 사용된다.^[131]

군사 무기에서는 텅스텐이나 우라늄이 장갑판^[136]과 관통탄^[137]뿐만 아니라 핵무기에서 효율을 높이기 위해(중성자를 반사하고 반응 물질의 팽창을 일시적으로 지연시킴) 사용된다.^[138] 1970년대에는 탄탈럼이 더 높은 밀도로 인해 더 큰 힘 집중과 더 나은 변형성을 허용하여 구리보다 성형 작약과 고폭탄 반장갑 무기에서 더 효과적인 것으로 밝혀졌다.^[139] 구리, 주석, 텅스텐, 비스무트와 같은 독성이 적은 중금속과 아마도 망간(그리고 준금속인 붕소)은 일부 군대와 일부 레크리에이션 사격 탄약에서 사용되는 친환경 탄환에서 납과 안티모니를 대체했다.^[140] 그러나 텅스텐의 안전성(또는 친환경성)에 대한 의문이 제기되고 있다.^[141]

7. 2. 생물학적 및 화학적

일부 중금속의 살생물 효과는 고대부터 알려져 왔다.^[143] 백금, 오스뮴, 구리, 루테늄, 비소 등은 항암 치료에 사용되거나 잠재력을 보여주었다.^[144] 안티몬(항원충성), 비스무트(항궤양제), 금(항관절염제), 철(항말라리아제)도 의학적으로 중요하다.^[145] 구리, 아연, 은, 금 또는 수은은 방부제 제형에 사용된다.^[146] 예를 들어 냉각탑에서 조류 성장을 제어하기 위해 소량의 중금속이 사용된다.^[147] 비료 또는 살생물제로 사용 목적에 따라 농약에는 크롬, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 비소, 카드뮴, 수은 또는 납과 같은 중금속이 포함될 수 있다.^[148]

선택된 중금속은 연료 처리(예: 레늄), 합성 고무 및 섬유 생산(비스무트), 배기 가스 제어 장치(팔라듐 및 백금), 자체 세척 오븐(이러한 오븐의 벽에 있는 세륨(IV) 산화물이 탄소 기반 요리 잔류물을 산화시키는 데 도움이 됨)에서 촉매로 사용된다.^[149] 비누 화학에서 중금속은 불용성 비누를 형성하는데, 이는 윤활 그리스, 페인트 건조제 및 살균제에 사용된다(리튬, 알칼리 금속 및 암모늄 이온은 수용성 비누를 형성한다는 점을 제외하고).^[150]

7. 3. 착색 및 광학

유리, 도자기 유약, 페인트, 안료(금속계 안료), 플라스틱의 색상은 일반적으로 크롬, 망간, 코발트, 구리, 아연, 지르코늄, 몰리브덴, 은, 주석, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 에르븀, 텅스텐, 이리듐, 금, 납 또는 우라늄과 같은 중금속(또는 그 화합물)을 포함시켜 생성된다.^[152] 문신 잉크에는 크롬, 코발트, 니켈, 구리와 같은 중금속이 포함될 수 있다.^[153]

일부 중금속의 높은 반사율은 정밀 천문 기구를 포함한 거울 제작에 중요하다. 자동차 전조등 반사경은 로듐 박막의 우수한 반사율에 의존한다.^[154]

7. 4. 전자, 자성, 조명

전자 부품, 전극, 전선 및 태양 전지판에 중금속 또는 그 화합물이 사용된다. 몰리브덴 분말은 회로 기판 잉크에 사용된다.^[155] 가정용 전기 시스템은 대부분 우수한 전도성 때문에 구리선으로 배선된다.^[156] 은과 금은 전기 및 전자 장치, 특히 접점 스위치에 높은 전기 전도성과 표면에 불순물 형성을 저항하거나 최소화하는 능력 때문에 사용된다.^[157] 볼타가 1800년에 구리와 은 볼타 전지를 발명한 이후 적어도 200년 이상 배터리에 중금속이 사용되어 왔다.^[158]

자석은 종종 망간, 철, 코발트, 니켈, 니오브, 비스무트, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 가돌리늄 및 디스프로슘과 같은 중금속으로 만들어진다. 네오디뮴 자석은 시판되는 가장 강력한 영구 자석이다. 이것은 자동차 문 잠금 장치, 시동 모터, 연료 펌프, 파워 윈도우 등의 핵심 구성 요소이다.^[159]

조명, 레이저 및 발광 다이오드(LED)에 중금속이 사용된다. 형광등은 작동을 위해 수은 증기를 사용한다. 루비 레이저는 산화알루미늄 내 크로뮴 원자를 여기시켜 짙은 빨간색 빔을 생성한다. 란타넘족 원소도 레이저에 광범위하게 사용된다. 구리, 이리듐 및 백금은 유기 발광 다이오드에 사용된다.^[160]

7. 5. 핵

밀도가 높은 물질은 가벼운 물질보다 감마선과 같은 특정 유형의 방사선을 더 많이 흡수하므로, 중금속은 방사선 차폐와 선형 가속기, 방사선 치료 응용 분야에서 방사선 빔을 집중시키는 데 유용하다.

높은 원자 번호를 가진 중금속은 영상 진단, 전자 현미경, 핵 과학 분야에서 사용된다. 영상 진단에서 코발트나 텅스텐과 같은 중금속은 X선관의 양극 재료를 구성한다.^[164] 전자 현미경에서는 과거에 납, 금, 팔라듐, 백금, 우라늄과 같은 중금속을 사용하여 전도성 코팅을 만들고, 염색, 음성 염색 또는 진공 증착을 통해 생물학적 시료에 전자 밀도를 도입했다.^[165] 핵 과학에서는 크롬, 철, 아연과 같은 중금속의 핵을 다른 중금속 표적에 발사하여 초중원소를 생성하기도 한다.^[166] 중금속은 핵 파쇄 표적으로 사용되어 중성자^[167] 또는 아스타틴과 같은 비원시 원소의 동위원소(납, 비스무트, 토륨, 우라늄 사용)를 생산한다.^[168]

8. 대표적인 중금속

철(Fe), 납(Pb), 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 구리(Cu), 크롬(Cr), 카드뮴(Cd), 수은(Hg), 아연(Zn), 비소(As), 망간(Mn), 코발트(Co), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 주석(Sn), 비스무트(Bi), 우라늄(U), 플루토늄(Pu) 등이 대표적인 중금속이다.

하지만, 금, 은, 백금족 원소 등은 중금속이라기보다는 귀금속으로 따로 분류하는 경향이 있다. 이는 다른 중금속에 비해 단위당 가격이 매우 높고, 이온으로 용출되는 경우가 적기 때문이다. 또한, 우라늄이나 플루토늄과 같은 방사성 원소도 귀금속과 마찬가지로 중금속과는 별개로 취급하는 경향이 있다. 이는 화학적 독성보다 방사능에 의한 독성이 더 문제가 되고, 원자력 관련 이외의 용도가 거의 없기 때문이다.

9. 인체 내 이용과 공해

자연계에도 미량의 중금속이 존재하며, 일부는 필수원소 중 미네랄로 인식된다. 셀레늄은 일부 단백질에 포함되어 있으며, 바륨의 황산염은 체내에 흡수되지 않고 배출되므로 조영제로 이용된다. 또한 미량의 비스무트나 금이 의약품으로 사용되는 경우가 있다.

고대부터 납백이나 주사 등 중금속을 포함하는 안료가 사용되었고, 약으로 복용되기도 했다.

그러나 중금속 과다 섭취는 생체 기능을 불안정하게 만들어 중독을 유발할 수 있다. 특히, 산이나 알칼리와 반응하기 쉬운 중금속은 독성이 강한 경향이 있다. 방사성 물질인 우라늄은 산과 반응하여 이온화되어 환경에 유출된다.

20세기에 들어와 광업이 번성하면서 토양, 대기, 수자원 등에 다량의 중금속이 방출되었다. 이로 인해 음식이나 호흡을 통해 필수량 이상으로 중금속을 섭취하면 생체 기능에 심각한 장애를 일으키는 공해병이 다발하게 되었다. 이들은 '''광독'''이라고 불리지만, 광석에 포함된 황, 비소, 인, 크롬 등이 제련 과정에서 가스나 폐액으로 방출되어 직접적인 원인이 되는 경우도 있다.

제2차 세계 대전 이후 살충제로 유기수은 화합물이 대량 제조·사용되었고, 안료인 납백은 화장품으로 유행하는 등 독이라는 인식 없이 산업적으로 대량 생산되어 공해가 된 사례가 많다. 반대로 독이라는 오해를 낳은 사례도 있는데, 19세기에 개발된 녹색 안료 녹청은 구리를 포함하지만 유독한 아비산을 포함하고 있어 대량 유통되어 많은 사망자를 냈다. 이는 아시오토 광산 사건 등을 계기로 구리에 발생하는 녹청은 맹독이라는 강한 오해를 낳았다.

중금속 광산에서는 비중이 큰 중금속을 광미댐 등에서 침전시킴으로써 환경 유출을 줄일 수 있다. 그러나 채굴이 불경제적이 되거나, 전후 공해 소송에 따른 채무 변제로 폐광, 폐산, 도산하게 되면, 광미의 대부분은 객토 등의 간이적인 처리만 된 채로 남아 장기간의 풍우나 지진으로 다시 노출되어 중금속이 유출되는 문제가 발생한다. 대부분의 광산은 산간 벽촌에 있어 금속 회사의 관리를 벗어나면 폐광 지역 지방자치단체의 재정을 압박한다.

인체에는 과잉 흡수된 중금속을 모발에 축적하여 배출하는 시스템이 있는 것으로 확인되고 있다.

9. 1. 주요 중금속의 독성

중금속 오염은 철보다 무거운 중금속이 인간의 활동으로 인해 환경으로 배출되면서 발생한다. 오염을 일으키는 주요 중금속에는 수은(Hg), 카드뮴(Cd), 납(Pb), 아연(Zn), 구리(Cu) 등이 있다. 이러한 중금속은 과다 섭취 시 생체 기능을 불안정하게 만들어 중독 증상을 유발할 수 있다.

미나마타병은 공장에서 배출된 수은에 중독된 물고기를 장기간 섭취한 사람들에게서 나타나는 질병으로, 말초신경 마비, 운동신경 마비, 시신경 마비, 보행 곤란 등의 증상을 보인다. 수은은 탄소와 결합하여 강한 독성을 나타낸다.

이타이이타이병은 광산에서 흘러나온 카드뮴이 농작물에 축적되고, 이를 섭취한 사람들에게서 나타나는 질병이다. 피로, 설사, 체중 감소, 칼슘 배출로 인한 뼈 연화, 보행 장애, 호흡 곤란 등의 증상이 나타난다. 카드뮴 역시 탄소와 결합하여 강한 독성을 나타낸다.

납은 고대부터 안료로 사용되었던 납백이나 주사 등에 포함되어 있었으며, 약으로 복용되기도 했다. 유기수은 화합물은 제2차 세계 대전 이후 살충제로 대량 제조 및 사용되었고, 납백은 화장품으로 유행하기도 했다.

망간 중독도 주요 중금속 중독 중 하나이다.

주석이나 납의 유기 화합물, 텔루르 등도 독성이 있는 것으로 알려져 있다.

10. 배설

카드뮴은 92~98%가 분변으로 배출된다.^[170] 분변 외 다른 배출 경로는 주요 경로가 아닐 수 있지만, 땀과 소변을 비교했을 때 땀으로 배출되는 양이 더 많았다. 적외선 사우나, 증기 사우나, 운동 등으로 땀을 흘린 20명을 대상으로 한 조사에서 카드뮴은 소변의 약 11배, 니켈은 약 14배, 납은 약 16배, 비스무트는 약 18.5배, 알루미늄은 약 5.5배 더 땀으로 배출되었다.^[171] 2012년 조사에서는 땀을 통한 중금속 배출에 대한 24건의 연구가 확인되었는데, 비소는 혈액보다 땀에서 더 많지만 소변 배출량이 더 많았고, 카드뮴, 납, 수은은 땀으로 더 많이 배출되어 신장 장애로 소변 배출이 어려운 경우 중요할 수 있다.^[172] 사우나는 땀을 통한 납 배출량을 증가시킨다는 연구 결과가 있다.^[173] 정기적인 운동을 하는 사람은 중금속 축적량이 적다.^[174]^[175]

참조

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