100여 개의 원소를 가지런히 정리한 표. 같은 열에 있는 원소들은 비슷한 성질을 가진다. 19세기 멘델레예프의 천재적 통찰.
자연에 존재하는 원소만 약 90가지. 어떻게 그 많은 원소를 외울까? 천만다행으로, 주기율표라는 천재적인 정리 방법이 있다.
러시아 화학자 드미트리 멘델레예프는 1869년에 원소들을 비슷한 성질끼리 정리하다가 놀라운 사실을 발견했다 — 원자량 순서로 배열하면 일정한 주기로 비슷한 성질의 원소가 반복된다는 것. 그는 이를 표로 만들었고, 빈 칸을 만들어 두며 "여기에 들어갈 원소가 발견될 것"이라고 예언까지 했다. 그 예언은 모두 맞았다.
오늘날 우리가 쓰는 주기율표는 원자량이 아닌 원자 번호(양성자 수) 순서로 배열되어 있다. 7개의 주기(가로 행)와 18개의 족(세로 열)으로 구성된다.
1869년 멘델레예프가 처음 만든 주기율표에는 빈 칸이 여러 개 있었다. 당시 알려진 63개 원소만으로는 일정한 주기 규칙이 채워지지 않았기 때문. 그는 빈 칸에 "아직 발견되지 않은 원소가 들어갈 것"이라고 적었다.
더 놀라운 것은, 빈 칸의 원소가 어떤 성질을 가질지 구체적으로 예측했다는 사실이다. 그는 어떤 빈 칸에 들어갈 원소를 '에카-알루미늄'이라 부르며 "원자량 약 68, 밀도 약 6 g/cm³, 녹는점 낮음"이라고 적었다.
6년 뒤(1875년) 프랑스에서 새로운 원소 갈륨(Ga)이 발견됐는데, 원자량 69.7·밀도 5.9·녹는점 29.8°C로 멘델레예프의 예언과 거의 일치했다. 이후 스칸듐·게르마늄 등도 차례로 발견되어 모두 예언과 맞아 떨어졌다.
원소의 성질이 주기적이라는 통찰이 가능하게 한 일이었다.
각 셀을 클릭하면 그 원소에 대한 정보가 표시된다. 같은 색끼리 비슷한 성질을 가지는 그룹이다.
주기율표에서 같은 족(세로 열)의 원소들은 화학적 성질이 비슷하다. 가장 주목할 만한 세 그룹을 살펴보자.
매우 반응성이 큰 금속. 물과 격렬히 반응하며, 자연에서는 항상 다른 원소와 결합된 형태로만 존재. 칼로 자를 수 있을 정도로 부드럽다.
반응성이 큰 비금속. 다른 원소(특히 금속)와 잘 결합한다. 염소(Cl)는 소금(NaCl)에, 플루오린(F)은 치약·테플론에 포함.
거의 반응하지 않는 안정한 기체. 풍선의 He, 네온사인의 Ne, 형광등의 Ar. 다른 원소와 결합을 잘 하지 않는다.
왜 같은 족 원소들이 비슷한 성질을 가질까? — 가장 바깥 껍질의 전자 수가 같기 때문이다. 화학적 성질을 결정하는 것이 바로 이 가장 바깥 껍질의 전자(원자가 전자)이다. 1족은 모두 가장 바깥에 전자 1개, 18족은 모두 8개(또는 헬륨 2개)를 가진다.
나트륨은 부드러운 은백색 금속이다. 너무 부드러워서 칼로 자를 수 있고, 갓 자른 단면은 반짝이지만 공기에 노출되면 1분 안에 산화되어 회색으로 변한다.
물에 떨어뜨리면 격렬하게 반응하며 수소를 발생시켜 종종 발화한다. 그래서 자연에선 절대로 단독으로 존재하지 않고 항상 다른 원소와 결합한 형태(소금 등)로만 존재한다. 보관할 땐 석유 속에 잠겨 둔다.
네온(Ne)·아르곤(Ar)·크립톤(Kr) 등의 비활성 기체는 다른 원소와 거의 반응하지 않는다. 매우 안정한 상태이기 때문. 그런데 전기를 흘리면 특유의 색으로 빛난다.
네온은 붉은-주황, 아르곤은 보라, 크립톤은 흰빛. 1910년 처음 만들어진 네온사인은 일본 신주쿠 가부키초의 이 거리처럼 도시의 야경을 만들어 왔다.
오늘날 알려진 원소는 118개. 1~94번까지는 자연에 존재하고, 95~118번은 인공으로 만들어진 원소들이다. 가장 무거운 오가네손(Og, 118번)은 2002년에 처음 합성되었다.
모든 학교 교실 벽에 한 장씩 걸려 있는 이 표가 150년에 걸친 과학자들의 합작품이다. 멘델레예프부터 지금까지.