주기율표의 역사: 연금술에서 118번 원소까지

고대의 원소와 연금술

오늘날 원소 중 열 가지는 사람들이 ‘원소’라는 말을 현대적인 뜻으로 쓰기 훨씬 전부터 알려져 있었습니다. 금, 은, 구리, 철, 주석, 납, 수은, 황, 탄소, 안티모니입니다. 누가 처음 발견했는지는 아무도 모릅니다. 엠페도클레스와 아리스토텔레스를 따르던 고대 그리스 사상가들은 대신 모든 것이 네 가지 원소(흙, 물, 공기, 불)의 혼합물이라고 믿었고, 이 생각은 거의 2천 년 동안 이어졌습니다.

이슬람 세계와 중세 유럽의 연금술사들은 값싼 금속을 금으로 바꾸려 했습니다. 그들은 실패했지만 증류 같은 실험 방법을 다듬었습니다. 1661년 로버트 보일은 『회의적 화학자』에서 4원소설에 이의를 제기하며 화학자들에게 실험을 믿으라고 촉구했고, 1669년에는 연금술사 헤니히 브란트가 현자의 돌을 찾다가 인을 발견했는데, 이는 발견자가 기록으로 남은 가장 이른 원소 중 하나입니다.

라부아지에의 단순 물질 목록 (1789년)

현대 화학은 프랑스의 화학자 앙투안 라부아지에와 함께 모양을 갖추었습니다. 그는 세심한 무게 측정으로 화학 반응에서 질량이 사라지지 않음을 보였고, 산소와 수소에 이름을 붙였습니다. 1789년의 『화학 원론』에서 그는 원소를 실용적으로 정의했습니다. 알려진 어떤 화학적 방법으로도 더 간단한 것으로 분해할 수 없는 물질이라는 것입니다.

이 책은 이러한 ‘단순 물질’ 33가지를 기체, 비금속, 금속, 토류로 나누어 나열했습니다. 대부분은 진짜 원소였지만 빛과 열도 목록에 들어 있었고, 석회와 실리카 같은 토류는 나중에 화합물로 밝혀졌습니다. 그럼에도 라부아지에는 화학자들에게 원소에 대한 명확하고 검증 가능한 정의와, 그 위에 쌓아 갈 첫 목록을 주었습니다.

돌턴과 원자의 무게 재기

1803년경 영국의 교사 존 돌턴은 각 원소가 저마다 고유한 무게를 가진 고유한 종류의 원자로 이루어져 있다고 제안했습니다. 원자는 너무 작아서 무게를 달 수 없었기 때문에, 그는 원소들이 결합하는 비율로부터 상대적인 무게를 구했고 수소를 1로 잡아 최초의 원자량 표 중 하나를 발표했습니다.

돌턴은 화학식을 추측해야 했기 때문에 그의 수치 중 많은 것이 틀렸습니다. 예를 들어 그는 물이 H₂O가 아니라 HO라고 가정했습니다. 스웨덴의 화학자 옌스 야코브 베르셀리우스는 원자량을 훨씬 정확하게 측정했고 오늘날에도 쓰이는 문자 기호를 도입했지만, 의견 차이는 1860년 카를스루에 회의까지 이어졌습니다. 이 회의에서 스타니슬라오 칸니차로가 일관된 원자량 체계를 얻는 방법을 보여 주었고, 멘델레예프와 로타어 마이어도 청중 속에 있었습니다.

되베라이너의 세 쌍 원소 (1829년)

원자량과 화학적 성질이 서로 연결되어 있다는 최초의 뚜렷한 단서 중 하나는 독일의 화학자 요한 볼프강 되베라이너에게서 나왔습니다. 1829년 그는 성질이 비슷한 세 원소가 한 묶음을 이루고, 그 가운데 원소의 원자량이 나머지 둘의 평균에 가까운 ‘세 쌍 원소’를 설명했습니다. 칼슘, 스트론튬, 바륨, 염소, 브로민, 아이오딘, 그리고 리튬, 나트륨, 칼륨이 그 예입니다.

세 쌍 원소는 원소의 자연스러운 족이 있음을 드러냈지만, 여기에 들어맞는 원소는 몇 개뿐이었고 한 세 쌍을 다음 세 쌍과 이어 줄 방법도 없었습니다.

나선과 옥타브 (1862~1865년)

1862년 프랑스의 지질학자 알렉상드르에밀 베귀예 드 샹쿠르투아는 원소를 원자량 순서대로 원통에 감은 나선을 따라 적어, 비슷한 원소들이 위아래로 나란히 놓이게 했습니다. 텔루륨의 이름을 딴 그의 ‘텔루르 나선’은 성질이 되풀이됨을 보여 준 최초의 배열 중 하나였지만, 도해 없이 발표되어 거의 주목받지 못했습니다.

1865년 영국의 화학자 존 뉴랜즈는 원자량 순서로 늘어놓으면 8번째마다 원소가 첫 번째 원소의 성질을 되풀이하는 것처럼 보인다는 점을 알아챘는데, 마치 음계의 음과 같았습니다. 그의 옥타브 법칙은 가벼운 원소들에서는 들어맞았지만 칼슘 이후에는 무너졌고, 1866년 런던 화학회는 이를 출판하기를 거절했습니다.

멘델레예프와 로타어 마이어 (1869~1870년)

상트페테르부르크의 화학 교수 드미트리 멘델레예프는 교과서를 쓰다가 원소들 뒤에 숨은 질서를 찾아 나섰습니다. 1869년 초 그는 당시 알려진 원소들을 원자량 순으로 비슷한 원소끼리 줄이 맞도록 격자에 배열했고, 3월에 그의 논문이 러시아 화학회에서 발표되었습니다. 그는 주기율을 내세웠습니다. 원자량 순으로 배열하면 원소들의 성질이 일정한 간격으로 되풀이된다는 것입니다.

그의 표를 돋보이게 한 것은 대담함이었습니다. 멘델레예프는 엄격한 무게 순서보다 화학적 성질을 앞세웠고, 아직 발견되지 않았다고 믿은 원소들을 위해 빈칸을 남겼으며, 받아들여지던 일부 원자량이 틀렸다고 주장했습니다.

독일의 로타어 마이어는 독자적으로 매우 비슷한 표에 도달해 1870년에 발표했으며, 원자량이 커짐에 따라 원자 부피가 파도처럼 오르내리는 모습을 보여 주는 그래프도 함께 실었습니다. 1882년 런던 왕립학회는 두 사람에게 모두 데이비 메달을 수여했습니다.

예측이 확인되다 (1875~1886년)

멘델레예프는 빠져 있는 세 원소를 자세히 설명하며 에카알루미늄, 에카붕소, 에카규소라고 불렀는데, 이는 알려진 원소보다 한 칸 뒤라는 뜻으로 ‘하나’를 뜻하는 산스크리트어 eka에서 따온 이름입니다. 이들은 1875년 폴에밀 르코크 드 부아보드랑이 발견한 갈륨, 1879년 라르스 프레드리크 닐손이 발견한 스칸듐, 1886년 클레멘스 빙클러가 발견한 저마늄으로 나타났습니다.

일치는 놀라웠습니다. 에카규소에 대해 멘델레예프는 원자량 약 72, 밀도 약 5.5 g/cm³를 예측했는데, 저마늄은 72.6과 5.3입니다. 의심하던 사람들도 설득되었고, 주기율표는 화학의 중심 지도가 되었습니다.

비활성 기체가 자리를 찾다 (1890년대)

1894년 레일리 경과 윌리엄 램지는 보통의 공기 속에 숨어 있던 반응성 없는 기체인 아르곤을 발견했습니다. 1898년까지 램지는 지구상에서 헬륨도 분리했고, 모리스 트래버스와 함께 네온, 크립톤, 제논을 발견했으며, 라돈은 1899년과 1900년에 이어졌습니다. 이 기체들은 어느 기존의 세로줄에도 맞지 않았습니다.

해답은 할로젠과 알칼리 금속 사이에 완전히 새로운 족을 두는 것이었으며, 이 족은 처음에는 0족, 지금은 18족이라고 부릅니다. 이는 주기적 패턴에 깔끔하게 들어맞았고, 1904년 램지는 노벨 화학상을, 레일리는 노벨 물리학상을 받았습니다.

모즐리와 원자 번호 (1913년)

아르곤과 칼륨, 코발트와 니켈 같은 몇 쌍의 원소는 여전히 무게 순서로는 순서가 어긋나 있었습니다. 1913년 젊은 영국 물리학자 헨리 모즐리는 맨체스터에 있는 어니스트 러더퍼드의 연구실에서 여러 원소가 내는 X선을 측정했고, 그 진동수가 한 원소에서 다음 원소로 갈 때마다 일정한 간격으로 커진다는 것을 발견했습니다.

각 단계는 원자핵의 양전하가 한 단위 늘어나는 것과 일치했습니다. 이 원자 번호가 표의 진정한 기준이 되었고, 아직 빠져 있는 원소가 정확히 무엇인지도 보여 주었습니다. 모즐리는 1915년 갈리폴리에서 전사했으며, 당시 나이는 27세였습니다.

시보그, 악티늄족, 초중원소 (1940~2016년)

과학자들은 자연에서 극히 드물거나 존재하지 않는 원소를 만드는 법도 배웠습니다. 1937년에 만들어진 테크네튬은 최초로 인공적으로 만든 원소였고, 1940년에는 넵투늄과 플루토늄이 우라늄 너머의 최초의 원소가 되었습니다. 1944년 글렌 시보그는 악티늄부터 이어지는 원소들이 란타넘족과 비슷하게 자신들만의 계열인 악티늄족을 이룬다고 제안했습니다. 1945년에 발표된 이 생각은 그 원소들을 주 표 아래의 별도 줄로 옮겼고, 주기율표에 오늘날의 모양을 주었습니다.

그 후 미국, 소련, 그리고 훗날의 러시아, 독일, 일본의 연구소들은 원자핵을 융합하여, 때로는 한 번에 몇 개의 원자만으로, 점점 더 무거운 원소를 만들어 왔습니다. 화학과 물리학의 국제 연합인 IUPAC와 IUPAP의 공동 작업반이 이제 각각의 주장을 심사합니다. 2016년에는 마지막으로 확인된 네 원소에 니호늄, 모스코븀, 테네신, 오가네손이라는 이름이 붙어 일곱 번째 주기가 완성되었습니다. 여덟 번째 주기를 열게 될 119번과 120번 원소를 찾는 일은 계속되고 있습니다.