[043] 주기율표 근대화학의 기초수립
[043] 주기율표, 근대 화학의 기초 수립 멘델레예프, 물질의 규칙성 발견... 과학적 예측
양자물리나 입자물리학의 범주가 아니라 일상적 수준(고교 문과 정도의 화학)에서 모든 물질의 기본 단위는 원소다. 원소는 동위원소라는 것이 있지만 원자는 동위원소라는 것이 없다. 즉 원소는 원자와 다르다는 뜻이지만 일반인은 생활수준에서는 그냥 같다고 생각해도 무방하다.
2018년 기준으로 발견된 원소는 117개(주기율표상의 원소번호 95번에서는 인공합성원소)이며 이들 원소가 나름대로 규칙이 있음을 발견한 사람이 러시아의 드미트리 멘델레예프(Dmitri Mendeleev1834년 2월 8일1907년 2월 2일)다.
1) 원소의 성질은 원자량과 밀접한 관련으로 오늘날 학생을 고통으로 몰아넣는 주기율표는 멘델레예프가 최초로 발견한 것으로 잘 알지만, 그 발견은 앞서 학자들의 축적된 연구의 결과물(아인슈타인의 상대성론도 마찬가지다)이기도 했다.
멘델레예프는 당시 알려진 63개의 원소를 카드로 만들어 원소의 이름과 성질을 기록해 실험실 벽에 꽂아 검토했다. 검토하면서 멘델레예프는 원소의 성질이 원자량과 밀접한 관련이 있음을 발견했다.
이를 토대로 일람표를 만들어 러시아화학회로부터 원소의 구성체계에 대한 제안이라는 논문을 발표(1869년 3월 6일)했다. 근대 화학의 위대한 발전을 이룬 이 논문에 실린 주기율표는 빈칸도 많았지만 멘델레예프 씨는 측정 기술이 발달하면 빈칸은 채워질 것이고 그 성질도 비슷할 것이라고 예측했다. 그 예측은 대부분 들어맞았다.
같은 시기 독일의 화학자 마이어(Julius Meyer)도 화학 원소의 주기율을 주장했다. 학계에서는 그가 1868년부터 주기율표를 준비하다 멘델레예프가 먼저 발표하자 서둘러 논문을 작성해 1870년 발표한 것으로 보고 있다.멘델레예프의 주기율표는 최초 발표 이후 수정과 재배열을 거쳤는데, 그 기본은 멘델레예프가 고안한 구조를 바탕으로 하고 있다. 과학자들은 멘델레예프의 업적을 기리기 위해 1955년 발견된 101번째 원소로 멘델레비움(mendelevium)이라고 명명했다.
물질의 성질을 한눈에 보여주는 주기율표 금이 부드럽고 잘 퍼지며 화학반응이 거의 없고 광택이 나는 것을 금이 갖는 물성이라고 한다. 금의 이런 성질은 화학에서는 원자가 전자 때문에 나타난다고 해석한다.
고교 문과 수준의 화학에서는 원자의 핵 속에는 양성자(전기적으로+)가 들어 있어 이 양성자 수만큼 외곽에는 빛의 속도로 공전하는 전자(전기적으로-)가 있는 것으로 이해한다. 단단하게 움직이지 않는 핵과 달리 핵 주위를 날아다니는 전자는 상태에 따라 다른 곳으로 날아가기도 한다(이는 상대 원소의 입장에서는 외부의 전자가 들어온다는 뜻이기도 하다)
하지만 이 전자는 옥테트의 규칙을 따른다. 수소와 헬륨은 최외각(최외각이 아님)에 두 개의 전자가 있으면 안정적이다. 여타 원소 중에는 8개의 전자가 있으면 가장 바깥쪽 궤도 껍질이 있다.
주기율표에서 헬륨, 네온, 아르곤 등은 주기율표의 맨 오른쪽에 있다. 이들 원소는 최외각인 전자가 2개, 8개, 8개다. 따라서 다른 원소와 화학반응(화학결합)을 거의 하지 않는다. 만약 네온이 전기에너지에 의해 공기 중의 다른 물질과 반응한다면 폭발할 것이고, 밤거리를 밝히는 화려한 네온사인은 우리는 볼 수 없을 것이다.
리튬은 수소의 바로 아래에 위치하고 있다. 수소는 대표적인 폭발물질인데 배터리의 원료가 되는 리튬도 폭발성을 갖는다. 나트륨도 폭발성을 갖는다. 이들의 공통 특징은 수소와 같이 최외각 전자가 하나라는 것이다.
우리가 일상적으로 먹는 소금은 염화나트륨이지만 나트륨은 최외각전자가 1개, 염소는 최외각전자가 7개다. 이 둘이 결합(화학반응)하면 최외각전자는 8개가 돼 안정된다. 염소는 독가스로 상수도 주요 소독용 약품이기도 하다.멘넬레예프의 주기율표는 각 원소가 지닌 특징을 일목요연하게 밝혀 근대 화학의 발전을 이끌었다는 점에서 중요하다.
3) 물질의 성질은 전자가 결정 옥테트의 규칙에 따라 최외각전자는 8개가 되면 안정적이라고 앞서 설명했다. 물은 수소원자 2개와 산소원자 1개가 결합한 것이다. 수소원자 2개의 최외각전자와 산소원자 1개의 최외각전자 6개가 서로를 공유하면서 수소는 2개의 최외각전자를 갖게 된다. 산소는 8개의 최외각 전자를 가지며 화학적으로 안정화된다.
이런 화학적 결합방식을 공유결합이라고도 하는데 이는 소금도 마찬가지다. 그 결합의 강도는 전기분해 등의 특별한 방법을 이용하지 않으면 절대로 깨지지 않는다. 만약 일상적인 에너지 충격으로도 화학결합이 해소되면 물을 던져 수소와 산소를 분리해 폭탄 역할을 할 수 있고 소금도 던져 폭탄처럼 쓸 수 있을 것이다.
최외각전자를 원자가 전자라고 부르는 것은 어떤 물질의 성질이 결국은 가장 바깥쪽에서 궤도를 그리는 전자의 개수와 깊은 관련이 있다는 의미에서 나온 것이다.원소의 규칙적인 성질에 대해서는 화학의 아버지 라브와지에(Antoine Lavoisier)가 당시 알려져 있던 33개의 원소를 탐색적인 차원에서 분류(1789년)했다.
프루스트(Joseph Proust)는 모든 원소는 무게로 볼 때 수소의 정수배가 된다는 가설을 발표(1815년)했다. 프랑스 광물학자 샹크루토아(Alexandre de Chancourtois)는 원소를 나선형으로 배열하면 비슷한 성질의 원소들이 수직으로 나열된다고 주장(1862년)했다.
영국 화학자 뉴랜즈(John Newlands)가 음표를 사용해 원소를 배열하면 8개를 주기로 비슷한 원소가 나타난다는 옥타브의 법칙을 발표(1864년)했다.
