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과학과 놀자

세상의 근원, 더이상 쪼갤 수 없는 작은 알갱이 '원소'

신나는 과학을 만드는 선생님들의 과학 이야기 (8)지금 여러분이 보고 있는 컴퓨터 모니터나 스마트폰 액정을 잘게 부수면 어떻게 될까요? 부서진 액정을 더 잘게 가루로 만들면 무엇이 남을까요? 상상하기 어렵지만 궁금하지 않나요? 마지막에 남는 아주 작은 알갱이가 스마트폰 액정을 구성하는 가장 기본적인 요소겠죠.물질을 이루는 근원적인 요소가 무엇일까 하는 질문은 아주 오랜 옛날부터 있었습니다. 고대 그리스에선 물, 불, 흙, 공기가 세상의 근원이라고 생각했어요. 이 네 가지가 섞여서 여러 가지 물질을 만들어 낸다고 믿었죠. 물론 이것은 사실이 아닙니다.이후 과학자들이 연구를 거듭해 물질의 기초가 되는 요소들을 찾아냈어요. 이를 ‘원소’라고 해요. 더 이상 쪼갤 수 없는 근원적인 요소라는 뜻이에요. 지금까지 과학자들이 찾아낸 원소는 총 118개입니다. 이 중 약 90개는 자연적으로 존재하는 것이고, 나머지는 인공적으로 합성한 것입니다. 우리 생활에 쓰이는 철, 구리, 알루미늄과 공기 중에 있는 산소도 원소예요.이 모든 원소를 기록한 것이 우리가 학교에서 배우는 주기율표입니다. 서로 비슷한 성질을 지닌 원소들을 같은 세로줄에 배치했기 때문에 '주기'가 있다고 하는 것입니다. 지금은 100개가 넘는 원소가 알려져 있지만, 3

과학과 놀자

러시아의 화학자 드미트리 멘델레예프…원소를 원자량 순서로 배열해 주기율표 창안

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

과학과 놀자

번개를 보면 '꼬마요정' 전자의 자유를 생각해보세요

만물의 근원을 탐구하던 철학자 탈레스는 동물의 털과 호박(화석화된 송진)을 맞대고 문지르면 힘이 작용한다는 사실을 발견했다. 그 작용의 주역은 전자의 이동이다. 호박을 의미하는 그리스어 λεκτρον(일렉트론)에서 전자의 영어단어 electron이 유래했음은 현대인의 상식이다. 하지만 많은 상식이 그렇듯이 배경이나 근본적인 속성에 대한 이해는 막연하다.전자는 본래 물질 구성의 기본 요소인 원자 내에 존재한다. 쿨롱 힘으로 양의 전하를 띠는 원자핵에 구속되어 있다. 전자의 파동성을 고려하여 양자역학 방정식을 풀어내면 전자가 존재할 수 있는 불연속적인 상태가 구해지는데, 이를 전자궤도 혹은 오비탈이라고 한다. 원자의 성질은 전자가 들어있는, 가장 큰 궤도에 따라 정해진다. 구조가 비슷한 궤도까지 전자를 채운 원자들은 비슷하게 행동한다. 이런 개념을 확장한 것이 주기율표다.두 개 이상의 원자는 전자를 공유함으로써 화학 결합을 형성한다. 20세기 초반 GE에 근무하던 물리학자 랭뮤어가 화학자 루이스와 ‘원자가 이론’을 제안하면서 주기율표의 원소들이 화학 결합을 형성하는 방식을 설명할 수 있게 되었다. 이를 바탕으로 분자 수준에서 생명 현상을 연구하는 분자생물학이 시작되고 DNA 구조가 분석될 수 있었다. 열·에너지로 인해 원자핵의 속박에서 벗어나는 자유전자원자가 규칙적으로 배열된 결정 구조에서 수많은 원자를 아우르는 전자궤도의 중첩 상태 같은 것이 생기는 것을 양자역학으로 설명할 수 있다. 이것을 에너지 밴드라고 부른다. 구리나 은과 같이 전기를 잘 통하는 도체는 밴드 내부에 자유로운 전자가 많이 있다. 부도

과학 기타

주기율표 (하)

주기율표의 주기와 족 구분주기율표에서 가로 줄 위치에 있는 원소들을 ‘주기’하고 하며, ‘주기’는 전자껍질의 수를 나타낸다. 전자껍질의 수는 원자 반지름을 결정하는 중요한 요소이며, 전자껍질의 수가 많을수록 원자 반지름은 증가한다.가장 바깥쪽 전자껍질에 있는 전자는 전자를 잃거나 받으면서 화학결합에 참여하게 되는데 이를 ‘원자가 전자’라고 한다. 원자의 화학적 성질은 ‘원자가 전자’에 의해 결정된다. 18족에 속해 있는 원소들을 비활성기체라 한다. 이들은 가장 바깥쪽 전자껍질에 8개의 전자를 갖고 있으나, 전자를 잃지도 받지도 않기 때문에 최외각전자의 수는 0이다. 그러므로 18족을 제외한 나머지 전형원소들은 최외각 전자의 수와 원자가 전자의 수가 같다.비금속은 오른쪽에 위치주기율표에서 같은 세로 줄에 위치하면 같은 족이라 부른다. 같은 족은 화학적 성질을 결정하는 원자가 전자의 수가 같기 때문에 같은 족은 화학적 성질이 비슷하다. 즉 3주기 1족 원소인 나트륨(Na)은 전자껍질이 3개이고 원자가 전자 수가 1개이다. 리튬(Li)은 2주기 1족이며 전자껍질은 2개, 원자가 전자 1개를 갖고 있다. 그러므로 리튬(Li)과 나트륨(Na)을 같은 족이라 하며 이들의 화학적 성질은 비슷하다.전자를 잃는 성질을 금속성이라 하며, 금속성이 강할수록 원소들은 주기율표의 왼쪽(1~13족) 영역에 위치한다. 우리가 많이 들어본 마그네슘(Mg), 철(Fe) 등이 금속 원소에 속한다. 1족인 알칼리 금속을 중심으로 금속 원소들의 성질을 배우게 된다.비금속 원소는 전자를 받아들이는 성질인 전자친화도가 큰 원소들이다. 전자를 잘 받아들이는 성질을 비금속성이라 하며, 수

과학 기타

주기율표

통일된 기호가 필요하다매년 3월은 학교에서 새로운 만남과 친구들과의 소통이 시작되는 시기다. 지금은 학급당 인원 수가 많이 줄었지만 예전에는 60명 이상 학생이 한 학급에서 생활했다. 담임 선생님은 입학식이나 시업식이 끝나면 교실에서 60여 명의 학생을 어떤 해는 키 크기로 혹은 이름 순서로 정렬해 학생들에게 번호를 부여하던 기억이 난다. 사람들은 무엇이든 개수가 많아지면 고유번호를 부여하는 과정에서 체계적인 관리 및 규칙성을 찾고자 하는 습성이 있는 것 같다.시간이 지남에 따라 발견되는 원소 수가 많아지면서 과학자들은 이들의 체계적인 관리 및 표현 방법이 필요했을 것으로 생각된다. 1860년대 초반 돌턴의 원자설에서 원자량 개념을 제시한 뒤 원자량을 중심으로 규칙적인 성질을 발견하려는 과학자들의 노력이 있었다. 원자량은 ‘탄소원자를 12.00으로 정하고 상대적으로 비교한 값’이다. 원자량 개념의 도입은 눈에 보이지 않는 작은 입자들에게 질량을 부여하는 의미있는 과정이었던 것이다.같은 족이며 연속되는 원소들 사이에 있는 “두 번째 원소의 물리량은 첫 번째와 세 번째 원소들의 평균값과 같다”는 독일의 과학자 되베라이너의 ‘세 쌍 원소설’, “원자량이 증가하는 순서로 배열하면 8번째마다 규칙적인 성질이 나타난다”는 뉼렌즈의 ‘옥타브설’ 등 여러 가설이 있었으나 현재는 여러 가지 이유로 인정하지 않는다. 또한 독일의 과학자 마이어는 개별적으로 주기율표를 완성하기도 했으나 이를 출판하지 못했다.멘델레예프는 원자량, 모즐리는 양성자의 수1869년 멘델레예프는 63개의 원소의 원자량을 기반으로 한 주기율표를