주기율표로 세상을 읽다

주기율표로 세상을 읽다 - 우주, 지구, 인체를 이해하는 또 하나의 방법
요시다 다카요시 지음, 박현미 옮김 / 해나무 / 2017년 3월

우리는 왜 주기율표를 배웠을까요?

이 책을 읽기 전까지는 몰랐습니다.

주기율표를 무작정 외우던 기억은 있지만 원소 주기율표 속에 어떤 의미가 있는지는 생각해본 적이 없었던 것 같습니다.

이 책은 일본 의학박사 요시다 다카요시가 알려주는 주기율표입니다.

앗, 과학자가 아닌 의사가 왜 주기율표를 설명할까요?

그건 주기율표를 제대로 들여다보면 알 수 있습니다. 결론적으로 말하자면 '주기율표를 알면 세상을 읽을 수 있다'는 것입니다.

우선 주기율표는 무엇일까요?

주기율표는 원소를 원자량의 증가 순서에 따라 원소의 주기성을 이용하여 배열한 표를 뜻합니다.

여기에서 가장 기본개념인 '원소'는 다른 물질로 분해되지 않는, 물질을 이루는 기본 성분을 뜻합니다.

예를 들어 물을 분해하면 수소와 산소로 나누어지며, 수소와 산소는 더 이상 다른 물질로 분해되지 않으므로 원소가 됩니다.

러시아 화학자 드미트리 멘델레예프는 원소가 주기적으로 성질이 닮았다는 사실을 알고는, 1869년 그 법칙을 일람표로 정리했습니다. 그것이 주기율표입니다. (25p) 1913년 헨리 모즐리의 개량에 따라 현대의 주기율표 모습을 지니게 되었고, 현재는 국제순수응용화학연맹에서 고안한 장주기형 주기율표가 사용되며, 이는 총 118개의 원소를 18족으로 분류한 것입니다.

모든 원자는 중심부에 원자핵이 있으며 그 주위를 전자가 돌고 있습니다. 원자핵의 양성자의 개수는 '원자번호'라고 불립니다.

주기율표는 이 원자번호의 순서에 따라 왼쪽에서 오른쪽으로 원소를 나열한 것입니다. 첫 번째는 양성자가 한 개인 수소, 두 번째는 양성자가 두 개인 헬륨, 세 번째는 양성자가 세 개인 리튬....., 이런 식으로.  당연히 원자핵을 도는 전자의 개수도 원자번호와 일치합니다. 그러나 주기율표의 형태로 배열했을 경우 '원자가전자' (가장 바깥쪽 '원자가껍질'에 들어 있는 전자)의 상태가 비슷한 원소가 절묘하게 세로로 나열됩니다.

원자라고 하면 대개 원자핵의 주위를 전자가 둥근 궤도를 그리며 도는 이미지를 떠올리는데, 굳이 저자의 위치를 표현하자면 구름과 비슷한 형태라고 합니다.  전자라는 알갱이가 원자핵 주위의 특정 위치에 존재하는 것이 아니고, 전자가 존재할 확률이 원자핵 주변에 구름처럼 퍼져 있다는 것이 정확한 표현이라고 합니다. 이것을 '전자구름'이라고 부릅니다. 편의적으로 '전자 궤도'라 부르고, 정확하게는 원자핵 주위에 퍼져 있는 것은 '전자의 존재확률'입니다. 전자는 안쪽 궤도부터 채워나갑니다.

오비탈(궤도함수)이란 전자의 운동 상태를 나타내며, 이 절댓값의 제곱이 전자의 존재확률에 상응합니다. 즉 전자구름의 형태는 오비탈로 결정된다는 이야기입니다.

원소와 주기율표의 관계에서 가장 중요한 것은 다음 두 가지입니다.

1. 주기율표의 세로로 한 줄은 '원자가전자'가 닮은 상태일 경우가 많다.

2. '원자가전자'의 숫자로 원소의 대체적인 성질이 결정된다.

주목할 점은 인체는 가장 바깥쪽 궤도의 원자가전자수로 원소를 판단하고, 그것을 바탕으로 원소를 체내로 받아들일지 말지 결정하는 경우가 많다는 점입니다.

주기율표를 보면 세슘은 칼륨(포타슘0과 같은 줄의 두 칸 아래, 스트론튬은 칼슘 바로 아래에 위치합니다. 이런 '같은 줄의 아래  위에 위치한다'는 관계가 주기율표를 풀어주는 열쇠가 됩니다. 칼륨은 신경과 근육의 세포를 움직이는 데 필수적인 원소인데, 세슘이 있으면 인체는 원자가전자수가 같은 세슘을 칼륨이라고 착각해서 체내로 받아들입니다. 스트론튬의 경우도 마찬가지로, 원자가전자의 상태가 위 칸에 있는 칼슘과 닮았기 때문에 인체는 칼슘으로 착각해서 체내로 받아들이게 됩니다. 원전 사고에서 등장하는 세슘과 스트론튬은 우리 몸 안쪽에서 방사선을 마구 뿌려 내부 피폭을 일으킵니다. 세슘을 칼륨으로 착각해서 흡수하면 세슘이 전신의 모든 세포에 전달되어 위암, 폐암, 대장암, 백혈병 등 온갖 악성 종양의 원인이 됩니다.

주기율표의 세로 방향은 '원자가전자수', 가로 방향은 '주기'로 이해할 수 있습니다. 화학적 성질이 비슷한 원소들은 일정한 간격을 두고 주기적으로 나타난다는 것을 주기율표로 확인할 수 있습니다. 원소를 보면 우주의 탄생을 알 수 있고, 인체의 신비를 알 수 있습니다. 생명을 유지하는 데 필요한 원소와 독이 되는 원소가 무엇인지도 알 수 있습니다. 특히 요즘 첨단 기술 제품에 사용되면서 수요가 급증한 희토류(rare earth)라고 불리는 열일곱 종류의 원소가 눈에 띕니다. 땅에 아주 조금만 함유되어 있는 원소라는 의미에서 '희토류'는 사실 공급량도 적고 사용법도 몰랐다가, 근래 과학기술의 발전으로 희토류가 강한 자석의 재료가 된다는 사실이 밝혀지면서 매우 중요한 원소가 되었습니다.

이렇듯 이 책은 주기율표가 지닌 매력이 무엇인지를 확실하게 보여줍니다. 저자의 말처럼 주기율표 속 질서정연한 아름다움까지는 아니어도 매우 흥미로운 원소의 세계를 발견할 수 있습니다.

현재 중고등학교에서 주기율표를 어떻게 가르치는지 모르겠으나, 이 책의 내용을 참고한다면 좀더 재미있고 유익한 화학 시간이 될 것 같습니다.

주기율표의 재발견!!!