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아하! 일상 속 과학 <2> 150주년 멘델레예프 주기율표

멘델레예프 비워둔 16개 빈 칸 덕에 지금의 118개 원소 주기율표 완성

  • 국제신문
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  •  |  입력 : 2019-03-14 19:27:09
  •  |  본지 21면
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지난 6일은 과학계에선 아주 특별한 날로 기념된다. 150년 전인 1869년 이날 러시아 화학자인 드미트리 멘델레예프(1834~1907)가 세상에 특별한 것을 소개해서다. 63개의 원소와 물음표, 빈 칸으로 구성된 주기율표가 그것. 다소 불완전해 보였지만 당시로는 원소들의 규칙을 가장 잘 정리한 표물이었다. 이 ‘주기율표’로 인해 화학이 비로소 과학으로 대접받았다는 말이 나올 정도로 기념비적 사건이었다. UN이 150년 전의 이 날을 기념해 올해를 ‘주기율표의 해’로 지정할 만큼 그 가치를 높이 평가하고 있다.
멘델레예프의 빈 칸이 있는 주기율표.
오래 전부터 세상의 원소를 어떻게 정리해 설명할 것인가가 과학자들이 갖는 고민이었다. 주기율이란 원소를 원자량(원자가 가진 고유의 질량)을 기준으로 배열하면 비슷한 성질을 가진 원소가 주기적으로 나타난다는 것을 말한다. 사실 이를 처음 선보인 사람은 지질학자인 드 샹쿠르투아(1820~1886)다. 그가 소개한 것은 원통 표면에 나선을 긋고 원통단면을 기준으로 16등분한 선 위에 원소를 배열한 입체형태의 주기율표였다. 그러나 이 체계는 원소의 규칙을 설명하지 못하는 한계가 있었다. 영국의 화학자 존 뉴랜즈(1837~1898)가 이를 개선한 ‘옥타브의 법칙’을 내놓는다. 원소의 같은 성질이 여덟 번마다 되풀이된다 해서 붙인 것이다. 그러나 지금에 비해 많은 원소가 발견되지 않았던 당시 뉴랜즈의 주기율표에는 채울 수 없는 빈 칸이 많을 수밖에 없었고, 이를 채우기 위해 다른 원소를 무리하게 끼워 넣는 바람에 원소의 규칙 설명에 오류가 발생하는 본질적 문제를 안게 됐다.

UN의 ‘세계 주기율표의 해’ 앰블럼.
멘델레예프의 주기율표의 우수성은 바로 빈 칸에 있다. 자신의 한계를 아는 ‘무지의 지’가 바로 그것이다. 그는 채우지 못한 빈 칸을 아직 발견되지 않은 원소의 자리로 생각하고 정확하게 비워두었다. 그는 16개의 새로 발견될 원소에 대해 조심스레 예측했는데, 이후 8개의 원소가 정확히 맞아떨어져 그의 통찰력이 높게 평가받는다. 후학인 헨리 모즐리(1835~1918)가 오늘 우리가 대하는 원자번호순으로 배열된 주기율표를 완성하면서 화학계 발전을 가속시켰다.

주기율표의 세로줄은 ‘족’이라는 이름으로 분류된다. 같은 족은 원자의 제일 바깥껍질에 있는 전자의 수들이 같아 비슷한 성질을 가지고 있다. 이러한 특성은 대체 재료를 찾기에 유용하다. 리튬의 경우 금속 가운데 가장 가볍고 원자의 크기도 작아 전지에 이용하기에 아주 좋지만, 반응성이 높은 단점을 가지고 있다. 이에 대체 재료로 주기율표상 ‘리튬’ 바로 아래에 있는 성질이 비슷한 나트륨을 이용하는 연구를 진행, 나트륨 이온전지가 개발됐다.

멘델레예프의 빈 칸이 있는 주기율표는 ‘보물찾기’ 지도가 됐다. 후대 과학자의 연구 원동력으로 작용해 118개의 원소가 있는 주기율표가 완성됐다. 지금도 119번째 원소를 찾기 위해 과학자들은 고군분투한다.

이은정 부산과학기술협의회 교육연구팀장
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