인(燐 Phosphorus, P)의 성질과 이용

원자번호：15
족：15족(3주기)
원자량：30.97
밀도：2.70 g·cm-3
각 전자궤도의 전자 수：2, 8, 5
mp(백인)：44.1℃ / bp：280.5℃

인은 15족의 질소 그룹에 속하는 비금속 원소로서, 강한 화학반응성을 가졌기 때문에 지구상에 순수한 상태가 아니라 주로 산소와의 화합물로 많이 존재한다. 독일의 연금술사 브란트(Henning Brant 1630-1710)는 1669년에 처음으로 인을 순수하게 분리했다. 그는 유리 증류기(retort) 속에 오줌을 넣고 끓였다. 오줌이 모두 증발해버리고 증류기 바닥이 빨갛게 된 마지막 순간, 증류기 안이 증기로 가득해지더니, 증류기 입구로 액체가 흘러내렸다. 그리고 그 액체는 곧 불꽃에 휩싸였다.

실험을 계속한 브란트는 흘러내리는 액체를 냉각시켜 흰 고체로 만들었다. 그 고체는 어둠 속에서 연녹색 빛을 내며, 더운 공기 속에서는 저절로 불타버리는 것을 알게 되었다. 그가 분리한 고체는 바로 백린(白燐 white phosphorus)이요. 당시 그는 이 백린으로 금을 만들어보려고 한동안 발견 사실을 발표하지 않았다.

인의 성질

자연적으로 불타는 인의 빛을 인광(燐光)이라 하는데, 이는 화학발광(chemiluminescence) 현상이다. 인의 영어는 ‘빛을 내다’(phosphorus)는 뜻의 그리스어이다. 인은 주기율표에서 같은 족인 질소와 화학적 성질이 닮았으며, 질소와 마찬가지로 생명체의 주요 구성분이 되어 있다. 인체 뼈의 약 20%는 인산칼슘(Ca3P2)이고, 이것은 이빨의 중요 성분이기도 하다. 인산(燐酸 H3PO4)은 동식물의 유전형질을 결정하는 DNA와 RNA, 그리고 대사물질인 ATP의 중요 성분이다.

인에는 여러 가지 동소체(같은 원소이면서 성질이 다른 형태)가 있다. 대표적인 동소체로 백린(황린), 적린(赤燐), 흑린이 있다.

백린: 백린은 기온이 35℃를 넘으면 공기 중에서 저절로 점화되어 불타버리고, 체온보다 조금 높은 44℃이면 녹아 액체로 된다. 백인은 낮은 온도에서 쉽게 불붙기 때문에 군사용으로 소이탄을 만들 때 사용한다. 그러므로 백인은 물속에 저장해야 안전하다. 인을 태운 연기는 매우 유독하므로(간 조직과 연골을 침해함) 조심해서 다루어야 한다.

적린: 적린은 백린을 250℃로 가열하거나 햇볕(자외선)에 쪼이면 적린이 된다. 적린은 300℃가 넘어야 점화되므로 백린보다 훨씬 안전하다.

흑린: 흑린은 적린을 고압처리하여 만든다. 흑린은 550℃ 이하에서는 안전하다.

인의 이용

자연계에서 인은 구아노(물고기를 주식하는 바닷새의 배설물이 퇴적된 것)와 인회석(apatite) 상태로 대부분 존재한다. 인과 칼슘, 염소, 브롬, 플루오르 등이 혼합된 광물인 인회석의 최대 산지는 아랍국가 지역이다. 인은 인산비료로서 가장 많이 소비되고 있다. 따라서 대부분의 인은 인산(H3PO4) 제조에 사용된다. 인산은 백색 고체이지만, 물에 잘 녹기 때문에 일반적으로 85%의 수용액으로 만들어 유통한다.

인산비료에는 과인산석회, 중과인산석회, 인산암모늄, 인산마그네슘 등의 종류가 있다. 세제(洗劑) 속에 포함된 인산염(sodium tripolyphosphate)은 센물(경수硬水)을 연화시키는 작용을 한다. 인산염이 다량 포함된 인공세제를 자연계에 흘려보내면 부영양화(富榮養化)되어 호수나 바다에는 ‘녹조’라고 불리는 식물 플랑크톤이 대량 발생하게 된다.

호수에 녹조가 많이 번식하면 낮에는 광합성 작용으로 산소가 많이 발생하지만 밤이 되면 호흡작용을 하므로 수중의 산소가 부족해진다. 또한 대량 번식한 식물 플랑크톤이 부유하거나 죽어 바닥에 쌓이면 부패하면서 수중 산소의 양을 감소시킨다. 부영양화에 의한 수중의 산소 부족을 ‘저산소현상’(hypoxia)이라 한다.

최초의 성냥은 영국의 화학자 왈커(John walker)가 1826년에 발명했다. 그가 만든 성냥은 황, 염화칼륨, 안티모니(Sb) 등을 혼합한 것이었다. 이후 1830년에는 인을 혼합한 성냥이 나왔다. 성냥은 불씨를 쉽게 얻는 획기적인 발명품이었다. 성냥이 탄생하기 전에는 부싯돌이 중요 불씨 제조기였다.