화학 물질
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1. 개요
화학 물질은 18세기 말에 개념이 확립되었으며, 원소, 화합물, 혼합물로 분류된다. 원소는 특정 종류의 원자로 구성되며, 화합물은 두 종류 이상의 원소가 결합하여 생성된다. 모든 물질은 원소와 화합물로 구성되지만 혼합물은 고정된 성분을 갖지 않는다. 화학 물질은 IUPAC 명명법, CAS 등을 통해 식별되며, 분리, 정화, 특징 정의, 검증 과정을 거쳐 사용된다. 화학 물질은 위험성을 내포하며, 중독, 화학 재해, 화학 무기 등으로 인한 피해가 발생할 수 있어 규제 및 안전 관리가 중요하다.
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2. 역사
화학 물질이라는 개념은 18세기 말, 화학자 조제프 프루스트가 염기성 탄산구리와 같은 순수한 화학 화합물의 조성을 연구하면서 확립되었다.[51][9][28] 그는 "모든 화합물 표본은 같은 성분을 지니고 있으며, 질량 단위로 화합물에 존재하는 원소마다 비율이 같다"고 주장했으며, 이는 현재 일정 성분비의 법칙으로 알려져 있다.[52][10][29]
화학 원소는 특정 종류의 원자로 구성된 화학 물질이며, 화학 반응을 통해 다른 원소로 분해되거나 변환될 수 없다. 그러나 핵반응을 통해 다른 원소로 변환될 수 있다. 이는 한 원소의 표본에 포함된 원자는 모두 같은 수의 양성자를 가지지만, 중성자의 수가 다른 동위 원소일 수 있기 때문이다.
화합물은 두 종류 이상의 원소가 일정한 비율로 화학 결합하여 이루어진 순물질이다. 이때 생성된 화합물은 원래의 성분 원소와는 전혀 다른 성질을 가진다. 화합물은 분자 내에서 원자들이 화학적으로 결합한 형태이거나, 원자, 분자, 또는 이온들이 결정 격자를 이루어 결정을 형성한 형태일 수 있다.
모든 화학 물질은 하나 이상의 이름을 가지며, 일반적으로 IUPAC 명명법에 따라 조직명(계통명)을 붙인다. 케미컬 애브스트랙트 서비스(CAS)에서 사용하는 대체 명명 규칙도 존재한다.
순수한 화학 물질은 혼합물에서 분리하여야 한다. 예를 들어, 수많은 화학 물질이 섞여 있는 천연 재료에서 특정 물질을 얻거나, 여러 물질이 생성되는 화학 반응 후 원하는 물질만을 골라내는 과정이 필요하다.
이후 현대 화학의 발전에는 여러 요인이 기여했다. 특히 유기화학 분야에서 화학 합성 방법이 발전했고, 새로운 화학 원소들이 발견되었으며, 원소나 화합물을 분리하고 정제하는 분석화학 분야의 새로운 기술들이 등장했다. 이러한 발전은 화학 물질의 개념을 더욱 공고히 하는 데 기여했으며, 오늘날 대부분의 화학 교과서에서 정의하는 방식으로 이어졌다.
이성질체 현상은 초기 화학 연구자들에게 중요한 과제였다. 이성질체는 원소 구성비는 정확히 같지만 원자의 배열 방식이 다르기 때문이다. 예를 들어, 벤젠의 경우, 프리드리히 아우구스트 케쿨레가 그 구조를 밝혀내기 전까지 화학적 정체성에 대한 많은 추측이 있었다. 마찬가지로, 입체 이성질체 현상의 개념, 즉 원자가 고정된 3차원 구조를 가지며 3차원 배열에서만 차이를 보이는 이성질체를 형성할 수 있다는 생각은 서로 다른 화학 물질을 구분하는 데 중요한 진전이었다. 예를 들어, 타르타르산은 3개의 서로 다른 이성질체를 가지는데, 이 중 하나는 두 개의 거울상 이성질체를 형성하는 부분 입체 이성질체 쌍이다.
3. 화학 원소
2019년 기준으로 알려진 원소는 118종이며, 그 중 약 80종은 안정 원소로, 방사성 붕괴에 의해 다른 원소로 변하지 않는다. 원소 중에는 여러 화학 물질(동소체)로 존재하는 것이 있다. 예를 들어, 산소는 이원자 산소(O2)로도, 오존(O3)으로도 존재한다.
원소의 과반수는 금속으로 분류된다. 금속은 철, 구리, 금 등 특징적인 광택을 갖는 원소이다. 전형적인 금속은 전기와 열을 잘 전도하며, 전성과 연성이 있다[30]. 탄소, 질소, 산소 등 약 14-21종의 원소는 비금속으로 분류된다[31]. 비금속은 앞서 언급한 금속적인 성질은 없지만, 전기 음성도가 높고, 음이온을 형성하는 경향이 있다. 규소와 같은 특정 원소는 금속과 비슷하거나 비금속과 비슷하며, 준금속 원소(메탈로이드)라고 불린다.
4. 화합물
화합물은 구성 성분과 결합 방식에 따라 다양하게 분류된다. 주로 탄소와 수소 원자로 구성된 화합물을 유기 화합물이라 하며, 그 외의 모든 화합물은 무기 화합물로 분류한다. 탄소와 금속 간의 결합을 포함하는 화합물은 유기 금속 화합물이라고 한다.
원자들이 전자를 공유하며 결합하는 화합물은 공유 결합 화합물이라고 하며, 반대 전하를 띤 이온들로 이루어진 화합물은 이온 결합 화합물 또는 염이라고 한다.
배위 착체는 배위 결합을 통해 형성되는 특별한 종류의 화합물로, 공유 결합이나 이온 결합 없이도 원자나 분자들이 결합할 수 있다. 배위 착체는 단순한 혼합물과는 구별되는 고유한 성질을 가진다. 일반적으로 구리 이온과 같은 금속이 중심에 위치하고, 암모니아 분자의 질소나 물 분자의 산소와 같은 비금속 원자가 금속 중심에 배위 결합을 형성한다. 예를 들어, 황산 테트라암민구리(II) 수화물([Cu(NH3)4]SO4·H2O)이 있다. 이때 중심 금속을 "금속 중심"이라 하고, 중심에 결합하는 물질을 "배위자"(리간드)라고 한다. 그러나 중심이 반드시 금속일 필요는 없으며, 삼플루오르화 붕소 에테레이트(BF3OEt2)처럼 비금속인 붕소가 중심 역할을 하기도 한다. 하나의 배위자가 여러 개의 원자를 통해 금속 중심과 결합하는 경우, 이러한 착체를 킬레이트라고 한다.
화학에서는 동일한 분자식과 분자량을 가지지만 원자의 배열이 달라 서로 다른 화학적 성질을 나타내는 화합물들이 존재하는데, 이를 이성질체라고 한다. 대부분의 이성질체는 화학적 성질이 상당히 다르며, 일반적인 조건에서는 자발적으로 서로 변환되지 않아 분리할 수 있다. 예를 들어, 포도당과 과당은 모두 분자식이 C6H12O6이지만, 포도당은 알데히드이고 과당은 케톤으로 구조와 성질이 다르다. 이 둘 사이의 변환은 효소나 산-염기 촉매가 있어야 가능하다.
그러나 호변 이성질체는 예외적인 경우이다. 호변 이성질체는 일반적인 조건에서도 자발적으로 이성질화가 일어나 평형 상태를 이루기 때문에, 특정 조건에서 분광학적으로 확인하거나 분리할 수는 있어도 완전히 순수한 형태로 분리하기는 어렵다. 대표적인 예로 포도당은 사슬형 구조와 고리형 구조(헤미아세탈 형태) 사이에서 자발적으로 변환하므로, 순수한 사슬형 포도당만을 얻는 것은 불가능하다.
한편, 고분자는 일반적으로 다양한 몰 질량을 가진 분자들의 혼합물 형태로 존재하며, 엄밀히 말해 각 분자는 별개의 화학 물질로 간주될 수 있다. 하지만 고분자는 특정 전구체나 반응, 그리고 몰 질량 분포를 통해 정의될 수 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌은 -CH2- 반복 단위가 매우 길게 이어진 사슬들의 혼합물이며, LDPE, MDPE, HDPE, UHMWPE 등 다양한 몰 질량 분포를 가진 형태로 판매된다.
5. 물질 대 혼합물
모든 물질은 다양한 원소와 화합물로 이루어져 있으며, 이들은 종종 서로 밀접하게 섞여 있다. 혼합물은 하나 이상의 화학 물질을 포함하며, 그 조성은 일정하지 않다. 원칙적으로 혼합물은 순수한 기계적인 과정을 통해 구성 물질로 분리해 낼 수 있다. 버터, 흙, 나무 등이 일반적인 혼합물의 예이다. 때로는 크로마토그래피, 증류 또는 증발과 같은 역학적 과정을 이용하여 혼합물을 구성 성분 물질로 분리할 수도 있다.[13]
예를 들어, 회색의 금속 철과 노란색의 황은 모두 화학 원소이며, 임의의 비율로 혼합하여 황회색의 혼합물을 만들 수 있다. 이 과정에서는 화학적인 반응이 일어나지 않는다. 이 물질이 혼합물이라는 것은 자석을 사용하여 철을 황으로부터 분리하는 것과 같은 기계적인 처리를 통해 황과 철을 분리할 수 있다는 사실로 알 수 있다.
반면, 철과 황을 일정한 비율(황 원자 1개당 철 원자 1개, 또는 무게비로 황 32g(1 mol)에 철 56g(1 mol))로 함께 가열하면 화학 반응이 일어나, 화학식 FeS를 갖는 새로운 물질인 황화 철(II)라는 화합물이 생성된다. 이렇게 생성된 화합물은 화학 물질의 모든 성질을 가지며 혼합물이 아니다. 황화 철(II)는 녹는점이나 용해도와 같은 고유한 특성을 가지며, 두 원소를 일반적인 기계적 처리로는 분리할 수 없다. 이 화합물 안에는 금속 상태의 철이 존재하지 않기 때문에 자석으로 철을 회수할 수도 없다.
지질학 분야에서는 균일한 조성을 가진 무기 고체 물질을 광물이라고 부른다.[7] 둘 이상의 광물이 결합하여 혼합물 (또는 집합체)을 형성하면 이를 암석으로 정의한다.[8] 그러나 많은 광물은 서로 고용체 형태로 녹아들어, 단일 암석이 화학 양론적 관점에서는 혼합물이지만 균일한 물질처럼 보이기도 한다. 장석이 이러한 경우의 흔한 예시인데, 예를 들어 안소클레이스는 알칼리 알루미늄 규산염으로, 알칼리 금속 자리에 나트륨 또는 칼륨이 서로 교환되어 들어갈 수 있다.
6. 명명 및 색인
많은 화합물은 조직명보다 더 오래전부터 사용되어 온 일반적이고 단순한 이름으로도 알려져 있다. 예를 들어, 오랫동안 알려진 당류인 포도당의 조직명은 6-(히드록시메틸)옥산-2,3,4,5-테트올이다. 천연물이나 의약품도 마찬가지인데, 가벼운 진통제인 나프록센의 경우, 화학명은 (S)-2-(6-메톡시-2-나프틸)프로판산이지만 보통 나프록센이라는 일반명으로 불린다.
화학자들은 종종 화학식이나 화합물의 분자 구조를 사용하여 화학 물질을 나타내기도 한다.
전 세계적으로 과학 문헌에 보고되는 화학 화합물의 수는 매우 빠르게 증가하고 있다.[36] 알려진 화학 원소들을 조합하여 만들 수 있는 화합물의 수는 엄청나다. 2021년 2월 기준으로 약 1억 7,700만 종류의 유기 및 무기 물질(배열이 정의된 생체고분자 6,800만 종류 포함)이 과학 문헌에 보고되어 공공 데이터베이스에 등록되었다.[37] 이렇게 많은 화합물들의 이름을 정확히 기억하고 인용하거나 문헌에서 찾는 것은 쉽지 않다.
이러한 어려움을 해결하기 위해 IUPAC이나 CAS와 같은 여러 국제 기구가 노력하고 있다. CAS는 화학 문헌 초록 서비스를 제공하며, 화학 저널이나 특허 등에 보고된 각 화학 물질에 CAS 등록 번호라는 고유한 숫자 식별자를 부여한다. 이 정보는 데이터베이스로 관리되며 '화학 물질 색인'으로 널리 알려져 있다. 컴퓨터로 처리하기 쉬운 다른 화학 물질 식별 시스템으로는 SMILES와 국제 화학 물질 식별자(InChI)가 있다.
아래 표는 대표적인 화학 물질인 에탄올의 다양한 식별 정보를 보여준다.일반명 조직명 화학식 화학 구조 CAS 등록 번호 InChI 알코올 또는
에틸 알코올에탄올 C2H5OH 
64-17-5 1/C2H6O/c1-2-3/h3H,2H2,1H3
7. 분리, 정화, 특징 정의, 검증
8. 정의
일반 화학 교과서에서는 화학 물질을 "명확한 화학 조성을 가진 모든 물질"로 정의하는 경우가 많다.[24] 이 정의에 따르면 화학 물질은 순수한 화학 원소이거나 순수한 화합물이다. 하지만 이 정의에는 예외도 있으며, 순물질은 명확한 조성과 명확한 특성을 모두 갖는 물질의 한 형태로 정의할 수도 있다.[25]
화학 물질이라는 용어는 전문 분야에 따라 다르게 사용되기도 한다.
9. 화학 물질과 위험성
현재 세상에는 수십만 종류의 화학 물질이 존재하며, 이 중 수만 종이 시장에서 널리 유통되고 있다.[38]
일반적으로 화학 물질은 위험하다는 인식이 널리 퍼져 있지만, 사용 방법에 따라 유해할 수도 있고, 알코올이나 염료처럼 예로부터 인류가 생활 속에서 사용해 온 물질도 많다.[39] 시장에서 유통되는 화학 물질 중 유해하다고 여겨지는 것은 약 10% 정도로 추정된다. 그러나 과거에는 "안전"하다고 생각되었던 물질이라도 사용 방식에 따라 건강에 해로운 영향을 미칠 수 있다는 사실이 점차 밝혀지고 있다. 또한, 주택의 밀폐성이 높아지면서 이전에는 간과되었던 화학 물질이 새집 증후군과 같은 문제를 일으키는 경우도 나타나고 있다.[38]
화학 물질은 고체, 액체, 기체(가스), 미스트 등 다양한 상태로 존재한다. 특히 고체는 가루 형태일 때 문제가 될 수 있는데, 입이나 코를 통해 들어와 머무를 수 있다. 일부는 기침으로 배출되지만, 코와 입에서 지속적으로 분비되는 점액과 함께 위 등 소화 기관으로 넘어가거나 기관, 폐에 쌓일 수 있다. 기체 상태의 화학 물질은 주로 폐를 통해 흡수되며, 일부는 다른 점막을 통해 혈액 속으로 들어갈 수도 있다.[38]
화학 재해란 화학 물질로 인해 의도치 않거나 우발적으로 발생하는 모든 사건을 통칭한다.[40][41]
9. 1. 화학 물질에 의한 중독
화학 물질은 다양한 경로를 통해 인체에 흡수되어 중독을 일으킬 수 있다. 대기 오염, 식품 오염, 수질 오염 등이 주요 경로이다.미국에서는 난연제, 화장품, 세제 등에 포함된 향료 성분이 체내 내분비 교란 물질 검출, 유전자 변이, 학습 장애, 자폐증 등과 관련이 있다는 보고가 있지만, 2015년 기준으로 연방법상 향료 성분 표시 의무는 없었다. 경제 단체인 미국 화학 협회의 로비 활동이 유해 화학 물질 규제를 방해한다는 비판도 제기되었다.[42]
일본에서는 과거 공업 활동으로 인한 심각한 공해 문제가 발생했다. 화학 공장의 황산화물(SOx) 배출로 인한 요카이치 천식, 소각로에서 발생한 다이옥신, 자동차 배기가스가 원인으로 추정되는 광화학 스모그, 미세 입자 물질(PM2.5) 등은 호흡기, 순환기, 신경계에 장애를 일으켰다. 또한, 건축 자재의 석면은 폐 질환을, 휘발성 접착제 등에서 나오는 휘발성 유기 화합물(VOC)은 새집 증후군을 유발했다. 공업 지대나 탄소 리사이클 사업 등에서 생성될 수 있는 탄화수소에 의한 VOC 오염 역시 세계 보건 기구(WHO) 등이 주의를 촉구하고 있다.[43] 불법 약물이나 담배 연기 등도 공기를 오염시키는 원인이 된다.
식품을 통해 화학 물질이 인체에 유입되어 발생하는 식중독도 심각한 문제이다. 납, 비소와 같은 무기 물질이나 PCB, 메틸알코올 같은 유기 화합물이 식품에 혼입되어 발생하는 경우가 대표적이다.[44] 이러한 화학 물질에 의한 식중독은 다른 원인의 식중독과 달리 소비자가 예방하기 어렵다는 특징이 있다.[44] 일본에서는 다음과 같은 주요 화학 물질 식중독 사건이 발생했다.[44]
| 사건명 | 발생 연도 | 원인 물질 | 주요 내용 |
|---|---|---|---|
| 모리나가 비소 우유 사건 | 1955년 | 비소 | 분유 제조 과정에서 비소 혼입으로 영유아 피해 발생 |
| 카네미 유증 사건 | 1968년 | PCB | 식용유(쌀겨 기름) 제조 중 PCB 혼입 추정, 광범위한 건강 피해 |
| 공업용 메틸알코올 중독 사건 | 1974년 | 메틸알코올 | 공업용 메틸알코올의 오용 또는 혼입으로 인한 중독 |
| 홍국 캡슐 사건 | 2024년 | 푸베룰산 | 건강기능식품(홍국 캡슐) 섭취 후 신장 손상 및 사망자 발생 보고 |
합법적인 약품이라도 개인의 체질에 따라 아나필락시스나 맥박 이상 등 심각한 알레르기 반응(부작용)을 일으킬 수 있다.
수질 및 토양 오염을 통한 중금속 중독 사례도 있다. 일본에서는 구리 광산 폐수로 인한 아시오 동산 광독 사건과 공장 폐수의 수은 유출로 인한 미나마타병이 큰 사회 문제로 비화했다. 도야마현 진즈강 유역에서는 광산에서 배출된 카드뮴으로 인해 이타이이타이병이 발생했다. 최근에는 2023년 도쿄도 요코타 비행장 주변 우물물에서 소화제 성분인 PFAS와 PFOS가 기준치를 초과하여 검출되기도 했다. 또한, 이바라키현에서는 우물물에서 고농도 비소가 검출되어 건강 문제가 우려되며, 방글라데시, 중국, 네팔, 베트남, 캄보디아 등 아시아 여러 국가에서도 지하수 비소 오염으로 인한 중독 문제가 심각하다.[44]
미세 플라스틱에 의한 해양 오염도 중요한 문제로 부각되어, 일본에서는 2020년 7월부터 비닐봉투 유료화 정책이 시행되었다. 화장품이나 샴푸 등에 사용되는 실리콘 화합물 중 일부(환상 실록산)는 분해가 어렵고 생물체 내에 축적될 수 있어 환경 및 생태계에 대한 유해성 우려가 제기되고 있다.[45]
나이지리아와 같이 외국 자본에 의한 자원 개발이 활발한 국가에서는 유출된 석유에 의한 해양 및 수질 오염, 천연가스 연소로 인한 대기 오염 등 환경 문제가 발생하고 있다.
9. 1. 1. 화학 무기
군사 기관에 의해 사린, 겨자 가스, 고엽제와 같은 화학 무기가 개발된 역사가 있다. 이러한 화학 무기는 매우 치명적이어서, 미국 국토안보부는 대도시에서 염소 가스 테러가 발생할 경우 17,000명의 사망자와 100,000명의 부상자가 발생할 수 있다고 예상했다.[46] 이처럼 살상력이 높은 화학 무기에 대해서는 국제적인 금지 및 폐기 조약이 발효되어 규제되고 있다.한편, 최루탄과 같이 경찰 기구에서 사용되는 화학 물질도 있다. 특수한 사례로 러시아 정부는 모스크바 극장 인질 사건 당시 진압 작전에 카르펜타닐(오피오이드)을 사용한 것으로 알려져 있다.
9. 2. 규제
법률에서 "화학 물질"은 순수한 물질과 정의된 조성 또는 제조 공정을 가진 혼합물을 모두 포함할 수 있다. 예를 들어, EU의 REACH 규정은 "단일 성분 물질", "다성분 물질" 및 "알 수 없거나 가변적인 조성을 가진 물질(Substances of Unknown or Variable composition, Complex reaction products or Biological materials, UVCB)"을 정의한다. 후자 두 가지는 여러 화학 물질로 구성되어 있지만, 직접적인 화학 분석 또는 단일 제조 공정에 대한 참조를 통해 그 정체를 확인할 수 있다. 예를 들어, 숯은 제조 공정을 통해 정의할 수 있는 매우 복잡하고 부분적으로 중합체 혼합물이다. 따라서 정확한 화학적 정체성은 알려져 있지 않지만, 충분한 정확도로 식별을 할 수 있다. CAS 색인 또한 혼합물을 포함한다.세계적으로 화학 물질을 규제하기 위한 다양한 틀이 마련되어 있다.
- 로테르담 협약: 1987년 국제 연합 환경 계획(UNEP) 가이드라인의 후속 조치로 마련되었다. 정식 명칭은 "국제 무역 대상 특정 유해 화학 물질 및 구제제에 대한 사전 정보에 입각한 동의 절차에 관한 로테르담 협약"이다.
- 화학 무기의 개발, 생산, 비축 및 사용의 금지 및 폐기에 관한 협약: 1997년에 193개국 사이에서 발효된 협약으로, 화학 무기의 개발, 생산, 비축 및 사용을 금지하고 폐기하는 것을 목표로 한다.
- EU REACH 규정: 2007년 유럽 공동체(EU)에서 마련된 화학 물질 규제 틀이다. 인체와 환경에 안전한 화학 물질을 제조, 판매, 또는 사용하는 것을 보증하는 책임이 기업에 있다는 원칙에 따라 통제가 실시되고 있다.
- 아시아 태평양 경제 협력체(APEC) 화학 대화(Chemical Dialogue, CD): 2008년 '화학 물질 규제를 위한 최선 실무 원칙(Principles for Best Practice in Chemical Regulation)'을 결정하였다. 무역 투자 위원회(CTI)와 함께 각국 담당 장관에게 관련 내용을 알리고 협력을 촉진하는 활동을 하고 있다.
9. 3. 위험 발생 원인 및 대응
화학 물질로 인한 위험은 다양한 경로로 발생할 수 있다. 주요 발생 원인은 다음과 같다.; 작업자 위험
: 화학 물질을 취급하는 작업자가 화학 물질을 흡입하거나 피부 등에 접촉함으로써 발생하는 건강상의 위험이다[47]。
; 제품 경유 위험
: 특정 제품에 포함된 화학 물질이 사람이나 환경 중 생물에게 영향을 미쳐 발생하는 위험이다[47]。
; 환경 경유 위험
: 대기나 수질 등 환경으로 배출된 화학 물질이 사람이나 환경 중 생물에게 영향을 미쳐 발생하는 위험이다[47]。
; 물리적 위험
: 화학 물질 관련 사고로 인해 설비나 건물이 손상되거나, 사람 또는 환경 중 생물에게 피해를 주는 위험이다[47]。
일상생활이나 일반적인 직장에서 위험한 화학 물질로부터 자신을 보호하기 위한 기본적인 방법은 다음과 같다[48]。
- 입에 넣거나 입술에 닿지 않도록 주의한다.
- 직접 냄새를 맡거나 흡입하지 않는다.
- 맨살이나 맨손으로 만지지 않는다.
- 서로 반응할 수 있는 화학 물질을 가까이 두지 않는다.
- 부득이하게 취급해야 할 경우, 환기가 잘 되는 곳에서 바람을 등지고 작업한다.
- 화학 물질은 가급적 옥외의 분리된 장소에 보관한다.
- 필요시 요검사나 알레르기 검사를 받는다. 일부 국가에서는 관련 검사 키트를 판매하기도 한다.
유해한 화학 물질에 대한 직업적 노출을 방지하기 위해서는, 유해 화학 물질의 대체, 장치의 밀폐화나 국소배기장치 등의 설치, 적절한 관리 및 취급, 보호구 착용 등이 중요하다. 이 중에서 가장 효과가 높은 것은 유해 화학 물질의 대체이지만, 함부로 대체하는 것은 오히려 위험성을 증대시킨다는 지적도 있다[49]。또한 보호구 착용도 적절한 것을 선택하고 적절하게 관리·사용해야 한다.
일본에서는 중독을 진단할 수 있는 의료기관은 거의 없지만, 사이타마 의과대학의 임상 중독 센터는 진단을 할 수 있다고 한다.
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