[과학과 놀자] 러시아의 화학자 드미트리 멘델레예프…원소를 원자량 순서로 배열해 주기율표 창안

(115) 원소의 집

과학은 크게 물리학, 화학, 생명과학, 지구과학으로 나뉜다. 만물의 작동 원리를 다루는 물리학, 물질의 변화를 다루는 화학, 생명체의 특성을 다루는 생명과학, 대기 해양 별 등 자연 현상을 다루는 지구과학. 이처럼 대상이 다르다 보니, 각 과목을 대표하는 이미지도 다르다. 물리학이 F=ma 같은 식으로 대표된다면, 생명과학은 DNA의 이중나선, 지구과학은 별이나 지질 사진으로 대표될 것이다.

그렇다면 화학의 대표적 이미지는 뭘까. 아마도 주기율표일 것이다. 가로줄 18개와 세로줄 7개로 구성된 주기율표는 언제, 어떻게 만들어졌을까.

주기율표를 처음 만든 과학자는 러시아에서 태어난 드미트리 멘델레예프(사진)로, 대학에서 학생을 가르치다가 60여 종의 원소를 하나하나 알려주는 데 회의를 느끼고 비슷한 성질을 지니는 원소끼리 분류하던 중 영감을 얻었다고 전해진다. 그는 원소를 원자량 순서로 배열했을 때 비슷한 성질을 지니는 원소들이 일정한 주기를 두고 나타나는 현상을 발견하고 주기율표를 창안했다. 당시 발견돼 있던 60여 종의 원소만으로 만들었던 그의 주기율표는 현대 주기율표와는 형태가 다르지만, 원소들의 집을 처음으로 지었다는 점에서 주기율의 아버지로 불리기에 충분하다. 이후 주기율표는 모즐리 등 후배 과학자들에 의해 업그레이드돼 오늘날 우리가 흔하게 보는 형태로 진화했다.

멘델레예프는 주기율표를 만들면서 이후 추가로 발견될 원소를 예견하고 표에 빈자리를 남겨뒀다. 주기적인 성질을 고려했을 때 반드시 있어야 할 원소의 존재를 예언하고 그 원소의 물리적, 화학적 성질까지 적어뒀던 걸 보면 자신의 발견이 가진 의미를 정확하게 알았던 자신감이 느껴진다. 예언된 원소 중 에카 붕소(Sc 스칸듐), 에카 알루미늄(Ga 갈륨), 에카 실리콘(Ge 저마늄)이 차례로 발견되면서 그의 주기율표는 세계적으로 명성을 떨쳤다. 그럼에도 훗날 노벨 화학상 후보에 올라 한 표 차이로 수상에 실패한 점을 생각하면 안타깝기만 하다.

주기율표가 주는 정보는 매우 많다. 예를 들어 나트륨 이온은 +1가인데, 염화 이온은 -1가인 이유와 같은 것이다. 주기율표의 세로줄은 족이라 하며, 화학적 성질이 비슷하다. 화학적 성질을 결정하는 최외각 전자의 개수가 같기 때문이다. 가장 바깥쪽 전자 껍질에 8개의 전자가 가득 찼을 때 가장 안정해진다는 ‘옥텟 규칙’을 적용하면, 1족인 나트륨은 1개를 잃어 안쪽의 8개가 꽉 찬 상태로 남는 것이 안정하므로 +1가, 17족인 염소는 하나를 얻어 8개를 채우는 것이 안정하므로 -1가가 된다. 같은 원리로 2족에 속하는 칼슘은 +2가, 16족인 황은 -2가 이온이 안정하다.

옥텟 규칙은 화학 결합이 이뤄지는 원리에도 적용할 수 있다. 금속 원소와 비금속 원소가 만나면 전자가 금속에서 비금속으로 이동하면서 이온 결합, 비금속 원소끼리는 전자를 공유하는 공유 결합을 한다. 대표적으로, NaCl은 이온 결합, H2O는 공유 결합 화합물이다. 그럼 금속 원소끼리는 어떤 결합을 할까? 금속 양이온들이 자유 전자의 바다에 떠 있는 금속 결합을 한다. 우리가 자주 보는 철이나 금 같은 금속들이 대표적인 금속 결합 물질이다.

가장 흔한 주기율표는 지하실 2층을 포함하는 7개의 가로줄과 18개의 세로줄이 있는 사각형 모양이지만, 세상에는 매우 다양한 주기율표가 존재한다. 각각의 장단점이 있으니 구글에서 periodic table을 검색해 가장 마음에 드는 주기율표를 찾아보거나 더 나아가 자신만의 주기율표를 직접 만들어보는 것도 좋겠다.

2022년 현재 주기율표에는 118개의 원소가 있다. 후반부의 원소들은 자연 상태에서 발견된 것이 아니라 인공적으로 합성된 것이다. 이 중 113번 Nh(니호늄)은 이름에서 알 수 있듯 일본에서 합성한 원소다. 우리나라에서 합성해 주기율표에 이름을 올린 원소는 아직 없다. 운동 선수들이 4년마다 올림픽을 치르며 국위를 선양하는 것처럼 지금도 각 나라 연구실에서는 새로운 원소를 합성하기 위해 열심히 노력 중이다. 우리나라에서 합성되는 원소가 주기율표에 오른다면 코리아늄이라는 이름이 될 가능성이 높은데, 원소 기호를 뭘로 해야 할까. Kr이 적당하겠지만 이미 크립톤(36번)이 있기 때문에 다른 기호를 써야 할 것이다. 어떤 게 좋을까. Ko? Hk? 이런 즐거운 고민을 할 수 있는 날이 어서 왔으면 좋겠다. 기억해 주세요

전화영 한성과학고 교사

가장 흔한 주기율표는 지하실 2층을 포함하는 7개의 가로줄과 18개의 세로줄이 있는 사각형 모양이지만, 세상에는 매우 다양한 주기율표가 존재한다. 각각의 장단점이 있으니 구글에서 periodic table을 검색해 가장 마음에 드는 주기율표를 찾아보거나 더 나아가 자신만의 주기율표를 직접 만들어보는 것도 좋겠다. 2022년 현재 주기율표에는 118개의 원소가 있다. 후반부 원소들은 자연 상태에서 발견된 것이 아니라 인공적으로 합성된 것이다.