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150살을 맞이한 멘델예브의 원소 주기율표( The periodic table at 150)

작성일 작성자 Helen of Troy



유럽 화학 협회에서 Periodic Table 이 만들어진지 150주년을 기념하고자

원소의 가용성(availability), 파생도(derivation)과,

그리고 스마트폰 생산에 필요한 원소들을 감안해서

새로 제작한 원소 주기율표이다.

 Photograph: Euchems.eu



Red: 100년 내에 고갈될 수 있는 위험에 놓일 원소들

Orange: 사용량이 근래에 증가하면서 위험 소지가 있는 원소들

Yellow: 공급 부족으로 수요를 감당하지 못할 원소들

Green:  앞으로도 공급이 충분한 원소들

White: 인위적으로 만들어진 원소들

Black: 불법이나 부당하게 채굴된 원소

Smart Phone: 스마트폰에 사용되는 원소들





올해는 러시아 출신 화학자 드미트리 멘델예브가 만든  Periodic Table(원소 주기율표)이

1869년 3월에 발표된지 150주년이 되는 해이다.


우리가 중고등학교 과학시간이나 화학 시간에

반드시 배우는 것 중에 하나가 화학의 기본이라고 할 수 있는 

원소 주기율표(Periodic Table)이다.

언뜻 보기에 심플하고 완벽해 보이는 이 표는 300년간의 시간과

다수의 화학자들의 오랜 실험과 관찰, 그리고 그들의 특출한 지혜와 혜안를 통해서 

만들어진 획기적이고 대단한 결과물이다. 




현재까지 알려진 118개의 원소들로 채워진 최신 주기율표의 기초는

화학분야에 최고의 거장 중 한명으로 일컬어지고, 화학의 아버지로 알려진

라보아지에르(Antoine-Laurent de Lavoisier)에 의해서 시작되었다.

라보아지에르는 “La république n’a pas besoin de savants ni de chimistes.” 

(프랑스 공화국은 과학자나 화학자들이 필요없다; 정의를 실현하는 일을 늦출 수 없다.')

라는 유명한 판결문에 따라서 길로틴의 칼날에 목숨을 잃을 때까지

현대화학의 기초를 다지는 중요한 토대를 마련했다.


라보아지에르가 참수형에 처하기 5년 전인 1789년에 그는 33개의 원소들을 나열한

논문을 발표했다.  그 중 현재까지 발견된 원소들의 약 1/5에 해당되는 

23개의 원소들이 여전히 그에 의해서 밝혀졌다고 인정받고 있다.

금(Au), 철(Fe), 황(S) 등 원소들을 고대부터 알려진 원소들이었지만,

망간(Mn), 몰립드넘(Mb), 텅스텐(W) 등은 근대에 밝혀진 원소들이다.

안타깝게도 그의 기록들이 수록된 앨범의 행방이 사라진 후에

우리가 알고 있는 표로 나오기까지 150년이라는 시간이 흐른 후에 가능했다.


지금은 보편적으로 널리 알려진 The Law of Conservation of Mass(질량보존의 법칙)은

라보아지에르가 실험에 사용된 모든 물질의 질량을 꼼꼼하게 측정한 결과

이 중요한 화학계의 가장 기본적인 법칙이 밝혀졌다. 

이 법칙은 프루스트(Louis-Joseph Proust)가 르보아지에르가 죽은 1794년에 수립한

모든 화합물을 이루고 있는 원소들의 질량의 비율은 불변한다는

The Law of definite proportions 법칙은 주기율표의 토대가 되었다.


하지만 화합물의 정확한 비율과 질량 원리는 영국 맨체스처 출신이며

귀족이었던 라보아지에르와 달리, 빈곤층의 자녀로 태어나서10세부터 생활비를 벌어야했던

덜튼(John Dalton)에 의해서 수립되었다.

그는 19세기 초반에 프루스트의 합성물을 이루고 있는 원소들의 질량 비율의 불변의 법칙에서

한 걸음 더 나아가서, 화학작용 중에 그 비율은 언제나 정수임을 입증했다.

아울러, 덜튼은 더 이상 나누어질 수 없다는 그리스어 'atomos'에서

우리가 알고있는 원자(atom)라는 단어를 탄생시켰고

당시 가장 가벼운 물질인 수소의 질량을 토대로 다른 원소들의 상대적인 질량을 밝혀내서

Atomic Model Theory (원자 모델 원리)를 제시했다.


덜튼의 새 시스템을 우리가 알고 있는 시스템으로 구축한 화학자는

스웨덴 출신 베르젤리우스(Jacob Berzelius)으로,

그는 우리가 현재에 사용하고 주기율표 칸에 표기된 다양한 원소의 약어를 책정했고,

아울러서 화합물의 화학식과 화학작용을 만든 장본인이다.

예를 들면,H2O (물), H2SO4 (황산), NaCl (소금)등 보편적인 화합물질의 화학식과

H2SO4 + Zn→ZnSO4 + H2 화학작용에 사용되는 화학식을 수립했다.

베르젤리우스는 볼타가 발명한 건전지를 사용해서 전기분해(electrolysis)까지도 개발했다. 


영국의 데이비(Humphry Davy)는 볼타의 건전지를 사용해서

1807년에 소디움(나트륨: Na), 포타시움(칼리움:K)을,

1808년에 캘슘(Ca), 스트론티움(Sr), 바리움(Ba)과 보론(B)을 발견했고,

당시에 원소인 염소(Cl)가 산소의 화합물로 알려진 것을 원소로 바로 잡기도 했다.


데이비의 발견 후, 다른 원소들도 속속 발견되었는데

발견된 순서대로 나열해 보면:아이오딘(I: 1811), 캐드뮴(Cd: 1817)와 셀레늄(Se: 1817),

리튬(Li: 1821), 실리콘(Si: 1823), 알루미늄(Al: 1825), 브로민(Br: 1825),

토륨(Th: 1829), 란타눔(La:1838), 에르븀(Er:1843), 시지움(Cs: 1860), 

루비듐(Rb: 1861), 탈륨(Tl: 1861), 인듐(In: 1863), 헬륨(He: 1868)이 발견되었다.


이렇게 18세기 후반에 새로운 원소들이 연달아 발견되면서

이 원소들을 의미있게 분류하고자, 많은 화학자들이 다양한 노력을 기울였는데,

멘델예브가 그 작업을 완성시켜서, 현재의 원소주기율표의 아버지가 되었다.





드미트리 멘델예브





만델예브(Dmitri Ivanovich Mendeleev)는 시베리아의 토볼로스크에서 

17명의 형제들 중에 막내로 태어나서 상 페테르부르크 대학에서 화학을 전공한 후,

독일로 건너와서 당대의 유명한 과학자 번슨(Bunsen)과 커흐초프(Kirchhoff)와

공동으로 연구를 하다가, 의견이 맞지 않자, 1869년에 다시 모교로 돌아가서 

화학교수직을 맡게 되면서, 그때까지 없던 러시아어로 쓰여진 교과서를 집필작업을 하던 중에

그때까지 발견된 모든 원소들을 편성하는 일에 2월 14일 금요일부터

주말에 올인하기로 맘을 먹었다.


그는 인내의 달인으로 알려졌는데, 당시에 알려진 63개의 원소들의 이름이 적힌

카드를 원소들의 물리적과 화학적 특성대로 나눈 다음에

질량 순서대로 펴 놓고, 4일간 그의 두뇌와 인내를 테스트하던 중에

그에 말에 따르면, 잠시 눈을 부친 사이에 꾼 꿈에서 영감을 받아서

원소 카드들을 패턴에 맞추어서 구성하게 되었다고 한다.


이 패턴대로 나열된 주기율표를 그는 2주후인 3월 초에 발표했다.





1869년에 만델예브가 발표한 최초의 주기율표




그가 독창적으로 만든 원소 주기율표는 화학에 지대한 영향을 끼친 획기적인 것으로

단순히 당시에 알려진 원소들을  질량에 따라서 나열해 놓은 것만이 아니라,

각 원소의 화학적인 반응과 특성에 따라서 순서대로 리스트를 만들게 되었다.

그 뿐만 아니라, 그는 원소들의 화학적인 특성이 일정한 패턴으로 반복되는 

주기성(periodicity)을 띈다는 것을 대단한 사실을 발견했다.


당시에 알려진 모든 원소들을 원소의 질량과 화학적인 특성을 토대로

가로와 세로로 만들어진 칸에 나열해서, 화학적으로 같은 특성을 간직한 원소들을

같은 세로의 줄에 넣어서, 같은 그룹 혹은 가족(family)에 속하게 만들어졌다.


예를 들면 주기율표 제일 오른쪽 세로줄에는 네온, 아르곤, 크립톤, 제논 등

소위 Noble Gases(비활성 기체)라고 불리우는 원소들이 자리잡았다.

이 원소들은 화학적으로 아주 안전적이어서 다른 물질들과 전혀 화학 반응을 보이지 않고,

전기에너지를 가하면, 특정한 색상으로 빛을 발사하는 아주 비슷한 특성을 띈다.


멘델레브는 당시에 알려진 원소들로 채워진 원소 주기율표를 만들면서,

아직 발견되지 않아서 그 주기율표 칸들에  채워 넣을 수 없었던 

원소들의 존재를 추론해 냈을 뿐 아니라, 그 원소들의 화학적 특성까지 추측해 냈다.

예를 들면, 당시에 발견되지 않았던 원소인 에칼루미눔("ekaaluminium")의 존재를 예측했으며,

알루미눔 바로 아래 칸에 위치해서 알루미눔과 비슷한 특성을 가질 것이라고 예견했는데,

지금은 갤리움(gallium)이라고 알려진 이 원소가 바로 그가 정확하게 예측했던 원소였다.






만델예브가 1869년에 최초로 발표한 현존한 오리지날 원소주기율표 중에

가장 오래되었다고 여겨지는 원소주기율표.

참고로, 이 원소주기율표는 2014년에 세인트 앤드류 대학교에서

오래된 서류를 정리하면서 발견되었다.

 Photograph: University of St Andrews/PA






멘델예브가 1869년에 발표한 원소는 63개였지만, 20세기 초반엔 85개의 원소가 발견되어서

멘델예브가 만든 프레임에 하나씩 채워져 나갔다. 

하지만 1930년대 중반부터 화학자들은 핵작용을 콘트롤하게 되면서,

다른 원소를 만들게 되었다, 그 후로 24개의 원소가 인위적으로 만들어져서

새로 추가된 주기율표의 제일 아랫줄을 하나씩 채워 나갔다.

새로 발견된 이 원소들은 원소내의 양자의 숫자가 증가하면서

핵의 크기가 엄청 커지고 불안정한 상태가 되어서 바로 핵분열을 초래해서

다른 원소로 변경되기에 지구에 자연적으로 존재할 수 없는 원소들이다.






118개의 원소가 담긴 가장 최근 버전의 원소주기율표





제일 최근에 발견된 마지막 원소 118번 오가네손(Og)는 2016년에 합성되어서

7째 줄의 가득 채워진 원소주기율표가 만들어졌다.

그 후 과학자들은 현재로 7개의 줄(raw)에서 하나를 더 추가해서

8개의 줄에 채워 넣을 새로운 원소들을 발견할 거대한 계획을 세우고 있다.

이 인위적으로 합성된 원소들은 아주 잠시 존재하며 바로 핵분열이 진행되어서

특별하게 응용할 여지가 아직은 없지만, 미래에 그런 가능성은 배제할 수 없다.


긴 인류역사 중에 얼마 전까지만 해도 구리, 주석, 청동, 철, 납, 금과 은 등 몇몇의 금속을

다양한 목적으로 만들어 오다가, 100년 전부터 알루미늄과 몇몇의 새로운 금속이 도입되었다.

불과 20-30년 전부터는 테크놀로지가 기하급수적으로 빨리 발달되면서

그에 걸맞는 수요를 위해서 새롭고 다양한 금속들이 폭발적으로 사용되기 시작했다.


한 예로 우리의 생활에 깊숙하게 관여하는 스마트폰은 탄소, 수소, 실리콘, 구리, 금을 비롯해서

소량이지만 다양한 금속들이 사용되어서 총 30여개의 원소들이 들어가서

원소주기율표에 나오는 안전한 대부분의 원소들을 사용됨을 알 수 있다.


철이나 질소처럼 지구에 넉넉하게 존재하는 원소들의 공급은

큰 문제가 되지 않지만, 현대 사회에 꼭 필요한 다수의 원소들은

머지않아 수요가 급증하면서, 곧 그 원소들이 희귀한 원소가 될 확률이 높아져서

멸종위기에 놓인 원소(endangered elements)로 불리울 날이 머지 않았다.

멘델예브의 주기율표 150주년을 맞이해서 유럽 화학협회(EuChemS)는

2020년대에 위협받을 원소들을 하이라이트가 된 새로운 버전의 주기율표를 내 놓았다.


한 예로, 우주 전체에 가장 많은 량을 자랑하는 헬륨은 앞으로 100년 내에 

지구상에는 아주 희귀한 원소가 될 것이라고 예측되고 있다.

헬퓸은  MRI 기계에 사용되는 수퍼컨덕터를 냉각하는 냉각수로 사용되고,

일기예보를 하기 위해서 상공에 띄우는 등 우리에게 유용한 원소지만,

일단 유출되면 아주 가볍기에 대기권을 벗어나서 영영 소멸되는 원소이다.

그렇기에 우리가 흔히 파티에 사용되는 풍선을 위해서 사용되는 헬륨은 너무 쉽게

중요한 원소를 낭비하는 무책임한 행위로 간주될 수 있다.


현대에 널리 사용되는 다양한 전자제품에 사용되는

희귀한 원소들은 멀지않은 미래에 고갈될 위험에 처하게 된다.

가장 걱정되는 원소는 회로에 솔라 패널, LED, 레이저, 블루레이등에 사용되는 갈리움과

TV, 랩탑 컴퓨터, 스마트폰과 태블렛에 사용되는 인디움은

50년내에 고갈되어서 가격이 급등할 것으로 전망된다.


헬륨을 제외한 이 원소들은 정작 지구에서 사라지지지는 않지만,

문제는 이 원소들을 채취하거나, 이미 그 원소들을 사용한 제품들을 모아서 

재활용하는데 너무 경비가 많이 들게 된다.

"희귀한 원소들'로 이미 분류된 이트륨, 디스프로시움, 니오다이미움, 스캔디움은

지각에 널리 분포되었지만, 특정 지역에 몰려있지 않아서, 채굴하는데

수지타산이 맞지 않을 뿐 아니라, 일단 이 원소들이 전자제품 부품에 사용되면,

다시 모아서 재활용하기는 더 어려움이 따른다.

그래서 새롭게 만들어진 원소주기율표를 토대로 특정 원소들이 빠른 시일내에

고갈되지 않게 유념해서, 산상품개발을 주도해 나가길 바래 본다.









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