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[표지로 읽는 과학]‘게르마늄’ 존재 믿은 멘델레예프 주기율표를 제안하다

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[표지로 읽는 과학]‘게르마늄’ 존재 믿은 멘델레예프 주기율표를 제안하다

2019.02.03 09:00
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이번 주 국제학술지 ‘사이언스’는 표지에 러시아의 화학자 드미트리 멘델레예프의 얼굴이 새겨진 화학원소 주기율표를 실었다. 올해는 주기율표가 탄생한 지 150주년이 되는 해다. 필립 쓰로미 사이언스 편집장은 “주기율표는 단순히 화학적인 영역에만 있는 게 아니다”라며 “전 세계 모든 화학 실험실과 교실에 걸려 ‘우리는 여기서 과학을 한다’고 알리는 깃발 또는 배너 역할을 하고 있다”고 말했다.

 

1869년 멘델레예프는 당시 알려진 모든 화학적 원소를 분류한 주기율표를 처음 내놨다. 각 원소의 질량(원자량)과 화학적 특성에 기초해 정리한 이 표는 오늘날 널리 사용되고 있는 주기율표의 기초가 됐다. 지난달 31일자 사이언스는 멘델레예프 주기율표 150주년을 기념해 원소의 발견 과정을 담은 주기율표의 변천사를 특집으로 다뤘다.

 

마이클 고딘 미국 프린스턴대 교수는 63개 원소를 포함하고 있는 멘델레예프의 주기율표 초안에서 118개 원소가 담긴 현대의 주기율표가 어떻게 탄생했는지 소개했다. 이 초안은 멘델레예프가 주기율표 발표를 준비하면서 만든 것이다. 고딘 교수는 “물음표와 메모, 지우고 다시 쓴 흔적 등이 빼곡한 멘델레예프 주기율표의 초안을 보면 과학자들이 암흑 속에서 얼마나 어렵게 물질을 예측하고 발견해왔는지 느낄 수 있다”고 밝혔다.
 
고딘 교수는 멘델레예프의 주기율표 초안 내용 가운데 가장 획기적인 성과로 멘델레예프가 당시 발견되지도 않은 상태였던 45번과 68번, 70번 원소가 있다고 가정하고 원자량을 기준으로 다른 원소들과 함께 배열한 점을 꼽았다. 멘델레예프는 이 원소들에 원소 이름 대신 물음표가 적었다. 주기율표 발표 2년 뒤인 1871년 멘델레예프는 이 원소들을 에카-붕소, 에카-알루미늄, 에카실리콘이라고 가칭하고 각각의 화학적 특성을 상세히 예측했다(‘에카’는 ‘하나’를 뜻하는 산스크리트어다).

 

멘델레예프가 1969년 주기율표 발표를 준비하는 과정에서 만든 주기율표 초안 원본(왼쪽)과 이를 알아볼 수 있게 정리한 인쇄물(오른쪽). - 자료: 사이언스
멘델레예프가 1869년 주기율표 발표를 준비하는 과정에서 만든 주기율표 초안 원본(왼쪽)과 이를 알아볼 수 있게 정리한 인쇄물(오른쪽). - 자료: 사이언스

멘델레예프의 예측 이후 얼마 지나지 않아 이 원소들은 모두 발견됐다. 에카-붕소는 1879년 지금의 스칸디움(45번)으로 밝혀졌고 에카-알루미늄은 1876년 지금의 갈리움(68번)으로, 에카실리콘은 1886년 지금의 게르마늄(70번)으로 확인됐다. 고딘 교수는 “현대의 우아하고 직관적인 주기율표 시스템 안에는 멘델레예프를 비롯한 여러 과학자들의 도전과 어렵게 얻은 과학적 발견이 숨겨져 있다”고 강조했다.
 
제니퍼 존슨 미국 오하이오주립대 교수는 주기율표의 ‘주기(행)’와 ‘족(열)’을 채우는 여러 원소들이 어떻게 생겨났는지 소개했다. 최초의 원소인 수소(H)와 헬륨(He), 그리고 소량의 리튬(Li)은 우주 탄생 직후부터 존재했다. 118개 원소 대부분은 이 세 원소가 약 140억 년에 걸친 우주 진화 과정에서 다양한 핵융합, 화학 반응을 일으키면서 탄생한 것들이다. 여전히 수소는 우주의 75%를 차지한다. 

 

존슨 교수는 “우주는 빅뱅 이후 원소들이 결합하거나 분열되면서 계속 변화해왔다”며 “핵융합 반응을 일으킬 수 있는 별이 있는 한 원소는 계속해서 생겨날 것”이라고 말했다. 다만 그는 “대부분의 별들이 소멸하게 되는 빅뱅 후 10조 년이 지난 미래에는 더 이상 원소 생성은 불가능해질 것이며 따라서 그때가 되면 우주의 화학적 조성도 더 이상 변하지 않을 것”이라고 덧붙였다.
 
레베카 멜렌 영국 카디프대 교수는 주기율표상에서 6족 원소들 중 헬륨을 제외한 나머지 원소들을 일컫는 p-구역 원소에 대한 최근의 분자화학적 연구 성과와 향후 산업 응용 가치에 대해 소개했다. 제임스 맥쿠스커 미국 미시건주립대 교수는 이리듐 같은 전이금속이 태양 전지를 위한 새로운 집광 장치를 만드는 데 미치는 영향에 대해 논했다. 에릭 쉘터 미국 펜실베니아대 교수팀은 현대 과학기술에 필수적인 역할을 하는 지구의 희귀원소에 대한 연구 현황을 소개했다.

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