[김영수 잡학여행] = 양자물리나 입자물리학의 범주가 아닌 일상적인 수준(고교 문과정도의 화학)에서 모든 물질의 기본 단위는 원소다. 원소는 동위원소라는 것이 있지만, 원자는 동위원자라는 것이 없다. 즉, 원소는 원자와 다르다는 의미이지만, 일반인들이 생활수준에서는 그냥 같은 것으로 생각해도 무방하다.

2018년 기준 발견된 원소는 117개(주기율표상에서 원소번호 95번부터는 인공합성 원소)로, 이 각각의 원소들이 나름대로의 규칙이 있다는 것을 발견한 사람이 바로 러시아의 드미트리 멘델레예프(Dmitri Mendeleev, 1834년 2월8일~1907년 2월2일)다.
 
 
◇ 원소의 성질은 원자량과 밀접한 관련
오늘날 학생들을 고통 속에 몰아넣는 주기율표는 멘델레예프가 최초로 발견한 것으로 흔히 알고 있지만, 그 발견은 앞서 학자들의 축적된 연구의 결과물(아인슈타인의 상대성이론도 마찬가지다)이기도 했다.

▲ 간단 주기율표. 그래픽=김영수.     © 경기도민뉴스

멘델레예프는 당시 알려진 63개의 원소를 카드로 만들어, 원소의 이름과 성질을 기록하고 실험실의 벽에 꽂아 검토했다. 검토하면서 멘델레예프는 원소의 성질이 원자량과 밀접한 관련이 있다는 점을 알아냈다.

이것을 근거로 일람표를 만들고 러시아화학회에서 ‘원소의 구성체계에 대한 제안’이라는 논문을 발표(1869년 3월6일)했다. 근대화학의 위대한 발전을 일군 이 논문에 실린 주기율표는 빈칸도 많았지만, 멘델레예프는 측정기술이 발달하면 빈칸은 채워질 것이며, 그 성질도 유사할 것이라고 예측했다. 그 예측은 대부분 들어맞았다.

비슷한 시기 독일의 화학자 마이어(Julius Meyer)도 화학원소의 주기율을 주장했다. 학계에서는 마이어가 1868년부터 주기율표를 준비하던 중, 멘델레예프가 먼저 발표하자 서둘러 논문을 작성해 1870년에 발표했다고 본다.

멘델레예프의 주기율표는 최초 발표 이후, 수정과 재배열을 거쳤지만, 그 기본은 멘델레예프가 고안한 구조에 바탕을 두고 있다. 과학자들은 멘델레예프의 업적을 기리기 위해 1955년에 발견된 101번째 원소에 멘델레븀(mendelevium)이라고 명명했다.
 
 
◇ 물질의 성질을 한눈에 보여주는 주기율표
금(金)이 부드럽고, 잘 펴지고, 화학반응이 거의 없으며, 광택이 나는 것을 금이 지닌 물성(物性)이라고 한다. 금의 이같은 성질은 화학에서는 ‘원자가전자’ 때문에 나타난다고 해석한다.

▲ 금이 특유의 귀금속 성질을 지니는 것은 최외각전자 때문이다. 사진=무료이미지 픽사베이.     © 경기도민뉴스

고등학교 문과수준의 화학에서는 원자의 핵안에는 양성자(전기적으로 +)가 들어있고, 이 양성자의 숫자만큼 외곽에는 빛의 속도로 공전하는 전자(전기적으로 -)가 있다고 이해한다. 단단하고 움직임이 없는 핵과 달리 핵의 주위를 날아다니는 전자는 상태에 따라 다른 곳으로 날아가 버리기(이는 상대 원소입장에서는 외부의 전자가 들어온다는 의미이기도 하다)도 한다.

그런데 이 전자는 옥텟의 규칙을 따른다. 수소와 헬륨은 최외각(최외곽이 아니다)에 2개의 전자가 있으면 안정적이다. 다른 원소들은 제일 바깥의 궤도껍데기에 8개의 전자가 있으면 안정적이다.

주기율표에서 헬륨, 네온, 아르곤 등은 주기율표의 가장 오른쪽에 있다. 이 원소들은 최외각의 전자가 2개, 8개, 8개다. 따라서 다른 원소와 화학반응(화학결합)을 거의하지 않는다. 만약 네온이 전기에너지에 따라 공기중의 다른 물질과 반응한다면 폭발할 것이고 밤거리를 밝히는 화려한 네온사인을 우리는 보지 못할 것이다.

리튬은 수소 바로 아래에 위치하고 있다. 수소는 대표적인 폭발물질인데, 배터리의 원료가 되는 리튬도 바로 폭발성을 지닌다. 나트륨도 폭발성을 지닌다. 이들의 공통 특징은 수소와 같이 최외각 전자가 1개라는 것이다.

우리가 일상적으로 먹는 소금은 염화나트륨인데, 나트륨은 최외각전자가 1개, 염소는 최외각전자가 7개다. 이 둘이 결합(화학반응)하면 최외각전자는 8개가 돼서 안정된다. 염소는 독가스로, 상수도의 주요 소독용약품이기도 하다.

멘넬레예프의 주기율표는 각 원소들이 지닌 특징을 일목요연하게 밝혀, 근대화학의 발전을 이끌었다는 점에서 중요하다.
 
 
◇ 물질의 성질은 전자가 결정
옥텟의 규칙에 따라 최외각전자는 8개가 되면 안정적이라고 앞서 설명했다. 물은 수소원자 2개와 산소원자 1개가 결합한 것이다. 수소원자 2개의 최외각전자와 산소원자 1개의 최외각전자 6개가 서로를 각각 공유하면서, 수소는 2개의 최외각전자를 지니게 된다. 산소는 8개의 최외각전자를 지니면서 화학적으로 안정화된다.

▲ 근대 화학은 멘델레예프가 주기율표를 발견하면서, 과학적 예측이 가능해졌고, 이를 토대로 비약적인 발전을 이룬다. 사진=무료이미지 픽사베이.     © 경기도민뉴스

이같은 화학적결합방식을 공유결합이라고도 하는데, 이는 소금도 마찬가지다. 그 결합의 강도는 전기분해 등의 특별한 방법을 사용하지 않으면 절대 깨어지지 않는다. 만약, 일상적인 에너지 충격으로도 화학결합이 풀어진다면, 물을 던져서 수소와 산소를 분리해 폭탄역할을 하게 할 수도 있고, 소금도 던져서 폭탄처럼 사용할 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 당시에 알려졌던 33개의 원소를 탐색적인 차원에서 분류(1789년)했었다. 프루스트(Joseph Proust)는 모든 원소는 무게로 따져 수소의 정수배가 된다는 가설을 발표(1815년)했다. 프랑스의 광물학자 샹쿠르투아(Alexandre de Chancourtois)는 원소를 나선형으로 배열하면 비슷한 성질의 원소가 수직으로 나열된다고 주장(1862년)했다.

영국의 화학자 뉴랜즈(John Newlands)가 음표를 써서 원소를 배열하면 8개를 주기로 비슷한 원소들이 나타난다는 ‘옥타브의 법칙’을 발표(1864년)했다.