주기율표 만들어지는 과정

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사람이 알아야 할 모든 것 - 과학

멘델레예프와 화학자들, 주기율표를 만들다

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주기율표의 발견(또는 발명)은 몇몇의 화학자들이 개별적으로 비슷한 시기에 동일한 발견을 할 수 있음을 보여주며, 또 그 주장에 반대하는 화학자들이 새로운 생각을 받아들이는 것에 공통적으로 거부감을 가지고 있었다는 사실 역시 잘 보여준다. 1860년대 초 칸니차로의 연구에 바로 뒤이어 영국의 공업화학자 존 뉴런즈(John Newlands, 1837~98)와 프랑스의 광물학자 알렉상드르 베기에 드 샹쿠르투아스(Alexandre Béguyer de Chancourtois 1820~86)는, 원소들을 원자량에 따라 나열하면 일정한 간격을 두고 원소들 사이에 반복적인 유형이 나타나며, 원자량은 수소 원자량의 8배수로 분리할 수 있고, 서로 비슷한 성질을 가진다는 사실을 각각 독자적으로 발견했다.¹⁾

1862년에 출판된 샹쿠르투아스의 연구는 무시되었지만(자신의 생각을 명확하게 설명하지 못했고, 그것을 묘사하는 그림도 없었기 때문에 부분적으로는 그의 잘못이기도 하다), 샹쿠르투아스의 연구에 대해서는 전혀 알지 못했던 뉴런즈가 동일한 주제를 다룬 논문들을 1864년과 1865년에 출판했을 때 그의 동료들은 원자량의 순서대로 화학 원소들을 나열하는 것이 알파벳 순서대로 원소를 나열하는 것보다도 더 의미가 없다며 그의 주장을 혹독하게 비난했다. 화학학회에서는 그의 생각을 전부 담은 논문을 거부했으며, 드미트리 멘델레예프(Dmitri Mendeleyev)가 주기율표의 발견자로 각광을 받은 한참 뒤인 1884년에야 비로소 출판되었다. 논문이 쓰여질 당시 왕립학회는 뉴런즈를 회원으로 받아들이지 않았지만 1887년에 그에게 데이비 메달을 수여했다.

멘델레예프의 초창기 원소 주기율표, 1871.

세 번째로 주기율표를 만들어낸 사람은 멘델레예프가 아니라 독일의 화학자 겸 의사였던 로타르 마이어(Lothar Meyer, 1830~95)였다. 그러나 그는 훗날 자신의 생각을 주장할 만한 용기가 없었고, 결국 주기율표 발견의 영예는 멘델레예프에게로 돌아가고 말았다. 마이어는 1864년에 출판된 교재 『화학의 현대 이론(The Modern Theory of Chemistry)』으로 화학계에 자신의 이름을 알렸다. 그는 칸니차로의 생각을 열렬히 옹호했고 자신의 책에서도 그 사실을 밝혔다. 이 책을 집필하면서 그는 화학 원소의 성질과 원자량 사이의 관계를 발견하지만, 그는 아직 검증되지 않은 발견을 교재에 분명하게 명시하지 못하고 그저 암시하는 정도로 그쳤다.

마이어는 그 책의 재판을 찍을 때 그 발견을 실으려고 몇 해에 걸쳐 좀더 완전한 주기율표를 만들었다. 1868년에 책에 실을 주기율표를 완성했으나 1870년까지 출판 하지 못했다. 그 사이 멘델레예프는 자신이 만든 주기율표를 발표한다(1860년대에 진행되고 있던 유사한 모든 연구에 대해서는 알지 못한 채). 주기율표의 빈 칸을 채워 줄 '새로운' 원소가 필요하다는 것을 예측하면서 멘델레예프는 용기(또는 자기 과신)를 가지고 마이어가 미처 해내지 못한 일보 전진을 이루었으며, 마이어는 그런 이유에서 멘델레예프에게 주기율표에 대한 우선권을 인정했다. 그러나 마이어의 독자적인 연구가 여러 사람에게 널리 인정받자 마이어와 멘델레예프는 1882년에 데이비 메달을 공동 수상했다.

멘델레예프가 1860년대 서유럽 화학계에서 이루어진 모든 발전과 동떨어져 있었다는 것은 놀라운 일이다.²⁾ 그는 1834년 2월 7일(당시 러시아에서 사용되고 있었던 달력에 따르면 1월 27일)에 시베리아의 토볼스크에서 14명 형제 중 막내로 태어났다. 아버지 이반 파블로비치는 학교 교장이었는데 멘델레예프가 아직 어린아이였을 때 실명하고 말았다. 그후 어머니 마리아 드미트리에브나는 가족을 부양하기 위해 유리 공장을 세웠다. 멘델레예프의 아버지는 1847년에 사망했고, 일년 뒤 유리 공장도 화재로 사라지고 말았다. 큰 자녀들은 어느 정도 독립할 수 있었기에, 마리아 드미트리에브나는 막내만큼은 최고의 교육을 받게 해야 한다는 생각에 재정적인 어려움에도 그를 상트페테르부르크로 데려갔다.

지방 출신의 가난한 학생에 대한 편견 때문에 그는 일반 대학에 들어갈 수 없었지만 아버지가 학위를 받았던 사범대에 1850년에 학생 교사로 등록할 수 있었다. 그가 등록을 마치고 겨우 10주 만에 어머니가 사망하자 멘델레예프는 고학으로 모든 교육 과정을 끝내고 오데사에서 일년간 일했다. 오데사에서 일한 경력으로 그는 상트페테르부르크 대학 화학 석사과정에 입학할 수 있었고 1856년에 졸업했다. 멘델레예프는 대학에서 강사로 2년간 일한 뒤 정부의 장학금을 받아 파리로 갔고, 이어 하이델베르크로 가서 로베르트 분젠과 구스타프 키르히호프 밑에서 공부했다. 그는 칸니차로가 원자량과 분자량에 대한 팸플릿을 돌렸던 1860년의 카를스루에 회의에 참석해 칸니차로를 만났다.

상트페테르부르크로 돌아온 멘델레예프는 공대에서 일반화학 교수가 되었고, 1865년에는 박사학위를 받았다. 그는 1866년에 상트페테르부르크 대학의 화학 교수가 되었으나 러시아 교육 체제를 비난하는 시위에서 학생들 편에 섰다는 이유로 1891년, 겨우 57세에 강압적으로 '은퇴'해야 했다. 3년 뒤, 사면된 그는 도량형 사무국 감사역에 임명되어 1907년 2월 2일(당시 달력으로는 1월 20일)에 상트페테르부르크에서 사망할 때까지 그 일을 했다. 1906년 그는 노벨상 후보로 지명되었지만 최초로 플루오르를 분리해낸 앙리 무아상(Henri Moissan, 1852~1907)이 한 표 차이로 노벨상을 수상했다. 멘델레예프는 노벨위원회가 다시 소집되기 전에 사망했다(실은 무아상도 그랬다).

마이어처럼 멘델레예프도 1868년과 1870년에 두 권으로 출판된 『화학 원리(Principles of Chemistry)』라는 교재로 자신의 이름을 알렸다. 마이어처럼 그 역시 이 책을 집필하면서 원소들의 성질과 원자량 사이에 관계가 있다는 것을 알게 되었고, 1869년에 그의 고전적인 논문 『원소의 성질과 원자량의 관계에 대하여』를 출판했다.³⁾ 같은 시기에 비슷한 생각을 했던 여러 사람들 중에서 멘델레예프가 두드러졌던 점은 그가 원소들의 순서를 (약간) 재배열하여 자신의 유형에 들어맞게 하고, 당시에는 발견되지 않았던 원소들을 위해 주기율표에 빈 칸을 두었다는 것이다.

사실 재배열된 것은 얼마 안 되었다. 원소들을 원자량의 순서대로 정확히 배열하면서 멘델레예프는 체스판과 같은 격자 형태의 배열을 생각해냈다. 그는 여덟 개의 원소를 가로로 배열하고, 그 아래에 다시 배열함으로써 유사한 화학적 성질을 가지고 있는 원소들이 세로로 나란히 오게 했다. 이런 식으로 해서 원자량이 증가하는 순서대로 정확하게(가장 가벼운 것이 '체스판'의 왼쪽 제일 위로 가고, 가장 무거운 것이 오른쪽 제일 밑에 오게) 배열하자 약간 불일치되는 게 보였다.

예를 들어 텔루르(tellurium, Te)는 브롬(bromine, Br)의 밑에 왔는데 이 둘은 화학적 성질이 전혀 달랐다. 그러나 텔루르의 원자량은 요오드(iodine, I) 원자량보다 약간 더 무겁다(현대의 측정 기술에 따르면 텔루르의 원자량은 127.60이고 요오드는 126.90으로, 그 차이는 겨우 0.55퍼센트밖에 되지 않는다). 주기율표에서 이 두 원소의 순서를 바꿈으로써 브롬과 유사한 화학적 성질을 가진 요오드를 브롬 아래에 놓게 되었는데, 그 자리는 화학적 차원에서 명쾌하게 들어맞는 자리였다.

20세기에 들어서서 원자의 심장부에 위치한 핵의 구조가 밝혀지면서 멘델레예프의 인위적 배치가 정당화되었다. 원소의 화학적 성질은 각 원자의 핵에 있는 양성자의 수(원자번호)에 좌우되며, 원자량은 핵 속의 양성자와 중성자의 총수에 좌우된다는 것이 밝혀졌다. 현대판 주기율표는 원소들을 원자량이 커지는 순서가 아니라 원자번호가 커지는 순서대로 배열한다. 그러나 대다수의 경우, 원자번호가 높은 원자들이 원자량도 더 크다. 몇 가지 드문 경우에만 추가로 중성자 쌍이 있어서 원자량에 의한 원소의 서열이 원자번호에 의한 서열과 아주 약간 다르다.

그러나 멘델레예프가 한 일이 그게 전부였다면 (비록 수십 년 뒤에 밝혀질 양성자와 중성자를 알지 못하고 해낸 일이기는 하지만) 그가 제시한 주기율표는 그보다 앞서 다른 이들이 만든 주기율표처럼 대수롭지 않게 여겨졌을 것이다. 하지만 유사한 화학적 성질을 지닌 원소들을 같은 세로 줄로 배치하려고 멘델레예프는 표 안에 빈 칸을 두었다. 1871년에 이르러 그는 텔루르와 요오드를 자리바꿈하는 등 약간의 조정을 하면서 당시 알려져 있던 63개의 원소를 모두 주기율표에 넣었고, 세 개의 빈 칸을 남기면서 아직 발견되지 않은 세 개의 원소에 해당되는 자리라고 명확하게 말했다. 그는 빈 칸이 있는 세로 줄에 있는 인접 원소들의 성질에서 세 가지 원소들의 성질이 어떠하리라는 것을 어느 정도 자세하게 예측할 수 있었다. 그후 15년에 걸쳐 멘델레예프가 예상한 것과 같은 성질을 지닌 세 가지 원소가 실제로 발견되었다.

1875년에 갈륨(gallium, Ga), 1879년에 스칸듐(scandium, Sc), 1886년에 게르마늄(germnium, Ge)이 발견된 것이다. 비록 멘델레예프의 주기율표가 처음부터 찬사를 받은 것은 아니었지만(실제로 그는 원소의 순서를 바꿈으로써 자연에 간섭하려 한다며 비판을 받았다), 1890년대에 이르러서는 원소들이 서로 유사한 화학적 성질을 가지는 그룹을 이루고 있으며, 각 그룹에 속하는 개별 원소들의 원자량이 수소 원자량의 8배수씩 차이가 나는 그런 주기성이 화학계의 본성을 나타내는 것이라는 사실을 더 이상 의심할 수 없었다. 이것 역시 유효한 과학적 방법이었으며 20세기 과학자들에게 길을 제시하는 것이었다. 멘델레예프는 자료 더미에서 유형을 발견했고, 그 유형을 토대로 실험을 실시하여 검증 가능한 예측을 했다. 실험을 통해 그의 예측이 옳다는 것이 확인되자 그 예측에 근거한 가설은 힘을 얻게 되었다.

현대의 시각으로 보면 놀라운 일이지만, 심지어 이것조차도 원자가 서로 결합하는 작은 실체로서 존재하고 있다는 증거로 받아들여지지 않았다. 그러나 화학자들이 물질의 내부 구조를 연구하면서 원자 가설을 뒷받침할 증거에 이르고 있을 때, 물리학자들은 궁극적으로 원자의 존재를 부정할 수 없게 만들 증거를 찾아내고 있었다.

[ 지식백과] 멘델레예프와 화학자들, 주기율표를 만들다 (사람이 알아야 할 모든 것 - 과학, 2010. 6. 5., 도서출판 들녘)