주기율표

대형 마트의 진열장에 가면 탄산음료끼리, 과일주스끼리 깔끔하게 모여 있는 것을 볼 수 있어요. 원소들도 마찬가지로 가로줄과 세로줄의 정해진 위치에 질서정연하게 모여 있어요.

주기율표에서 가로줄은 주기, 세로줄은 족이라고 불러요. 원소들을 양성자 개수에 따라 차례대로 번호를 매겨 나열하다 보면, 신기하게도 일정한 간격마다 비슷한 성질을 가진 원소가 반복해서 나타나요. 이것을 성질이 주기적으로 되풀이된다고 해서 주기성이라고 불러요.

특히 같은 세로줄(족)에 속한 원소들은 주로 가장 바깥 껍질의 전자 수(원자가 전자)가 같거나 전자 배치가 비슷해요. 그래서 마치 형제자매처럼 화학적으로 반응하는 방식이 쏙 빼닮아 있어요. 예를 들어 1족의 알칼리 금속들은 모두 물과 잘 반응하고 아래로 갈수록 반응이 더 격렬해지며, 18족에 모인 비활성 기체들은 다른 물질과 거의 반응하지 않고 얌전해요.

19세기 러시아의 화학자 멘델레예프는 카드 놀이를 하듯 원소들의 성질을 적은 카드를 책상 위에 늘어놓으며 규칙을 찾고 있었어요. 그런데 원소들을 순서대로 맞추다 보니 중간중간 규칙에 들어맞지 않는 빈자리가 생겼죠.

대다수 사람이라면 카드를 억지로 끼워 맞췄겠지만, 그는 대담하게도 표에 빈칸을 그대로 남겨두었어요. 아직 인류가 발견하지 못한 미지의 원소가 분명히 존재하며, 그 원소의 무게와 녹는점, 색깔까지 이럴 것이라고 구체적으로 예언했죠.

그 뒤 수년에서 십수 년에 걸쳐 갈륨(1875년), 스칸듐(1879년), 게르마늄(1886년)이 차례로 발견되었어요. 이 원소들의 성질은 멘델레예프가 남겨둔 빈칸의 예측값과 놀라울 만큼 가깝게 맞아떨어졌어요. 주기율표가 단순한 정리 메모를 넘어 자연의 숨겨진 원리를 꿰뚫어 보는 강력한 지도임을 온 세상에 증명한 사건이었어요.

처음 주기율표가 탄생했을 때는 주로 원소의 무게(원자량) 순서대로 줄을 세웠어요. 하지만 무게 순서로 배치하면 성질의 규칙이 어긋나는 자리가 몇 군데 있어서, 멘델레예프는 텔루륨과 아이오딘처럼 이미 성질을 우선해 순서를 바꿔 놓았어요. 훗날 양성자 수(원자 번호)가 진짜 기준이라는 사실이 밝혀지면서 이 예외들이 설명되었어요.

조금 더 정확히 말하면, 현대 주기율표는 원소의 무게가 아니라 원자핵 속에 들어 있는 양성자의 개수(원자 번호)를 기준으로 줄을 세워요. 원소의 고유한 화학적 성질을 결정짓는 핵심 열쇠가 원자의 무게가 아니라 바로 양성자의 수와 그 주변을 도는 전자의 배치이기 때문이에요.

현재 주기율표에는 우주에서 가장 가벼운 1번 수소부터 인공적으로 만들어낸 118번 오가네손까지 총 118개의 원소가 빈틈없이 채워져 있어요. 이 표를 보면 원소들이 어떤 성질을 갖고 어떻게 결합하려는 경향이 있는지 큰 그림을 읽어낼 수 있어요.