새로운 주기율표 등장…화합물 포함

신물질‧신소재 개발하는데 통찰력 얻을 수 있어

주기율표란 원소를 배열한 표를 말한다.

원자핵 속에 들어있는 양성자수인 원자번호와, 전자 배열, 그리고 화학적 특성에 따라 원소를 배열하고 있다.

주기율표를 만드는 것을 처음 시도한 사람은 독일의 화학자 마이어(Julius Lothar Meyer, 1830~1895)다. 그는 1964년 원자가(valence)를 기준으로 49가지 원소들을 배열한 표를 만들었다.

원자를 세밀하게 들여다볼 수 있는 시대로 접어들면서 과학자들이 신소재, 첨단 재료공학자들이 통찰력을 얻을 수 있는 주기율표를 제작하고 있다. 사진은 유럽화학회(ECS)에서 작성한 주기율표. ⓒEuropean Chemical Society

기존 표준형 주기율표에 대한 논란 이어져

그러나 주기율표를 완성한 사람은 러시아 화학자인 멘델레예프(Dmitri Mendeleev, 1834~1907)다.

그는 1869년 3월 6일 원소의 성질에 따라 여러 원소들의 원자량을 분류해 ‘원소의 구성 체계에 대한 제안’이란 제목의 논문으로 63개의 원소가 배열된 주기율표를 발표했는데 이것이 최초의 주기율표다.

당시 화학자들이 역점을 둔 것은 원소와 화합물 간의 차이였다.

산소, 수소와 같은 원소는 화학적으로 나눌 수 없는 반면, 이산화탄소와 같은 화합물은 두 개 이상의 원소가 결합되어 원소와는 매우 다른 특성을 지닌다.

이 같은 점을 고려해 화학자들은 당시 알려진 원소들을 원자 질량 순으로 나열할 수 있었다. 그러나 ‘경험적 관찰에 의해’ 화학적 유사성을 기반으로 주기율표를 작성한 만큼 많은 수의 원소들을 포함할 수 없었다.

그러나 20세기 들어서면서 상황이 바뀐다. 양자 이론이 발전하고 과학자들은 원자 이하의 세계를 이론적으로 이해하기 시작했다.

이런 변화 속에서 주기율표에도 변화가 이어졌다.

1913년 영국의 물리학자 헨리 모즐리(Henry Moseley)는 멘델레예프의 주기율표를 개량해 원자질량 대신 양성자 수인 원자번호순으로 배열하며 현대적 의미의 주기율표를 탄생시켰다.

현재 널리 사용되고 있는 주기율표는 멘델레예프 식의 단(short) 주기형이 아니고 18개의 세로 기둥(족)을 갖는 장(long) 주기형이다. 1923년 미국의 화학자인 호레이스 데밍(Horace Deming)이 작성한 것이 가장 널리 사용되고 있는 표준형이 됐다.

그러나 현재 사용하고 있는 주기율표의 효율성에 대해 모든 과학자들이 동의하고 있는 것은 아니다.

인터넷을 검색하면 짧은 버전, 긴 버전, 원형 버전, 나선형 버전, 심지어 3차원 버전에 이르기까지 다양한 버전의 주기율표가 검색되는데, 이는 과학자들 간에 주기율표에 대한 논란이 있다는 것을 말해주고 있다.

원자 속성 새로운 방식으로 도출, 번호 매겨

과학자에 따라 주기율표에 대한 견해가 다른 것은 강조하려는 부분이 다르기 때문이다.

원자를 구성하고 있는 전자 구조에 우선권을 부여하는 과학자들이 있는 반면 특정한 화학적, 혹은 물리적 특성을 강조하는 과학자들도 있다.

원소에 대한 정의에 따라 배열이 달라질 수 있다. 일부 과학자들은 수소 전자의 구조가 알칼리 금속이 아닌 할로겐에 가깝다고 주장하고 있는데 그 결과 표준 주기율표처럼 수소를 1그룹이 아닌 17그룹에 배치하고 있다.

지난달 30일 공개된 ‘컨버세이션’ 지에 따르면 일부 과학들 중심으로 더 근본적인 차원에서 주기율표를 작성하려는 노력이 이어지고 있다.

원자번호를 포함하지 않으면서 전자 구조를 반영하지 않는 매우 색다른 방식으로 1차원의 원소 목록을 만들자는 것. 이런 시도를 하고 있는 과학자들은 러시아 스콜코보 과학기술연구소 연구팀이다.

재료과학자인 자헤드 알라 히아리(Zahed Allahyari), 결정학자인 아르템 오가노프(Artem Oganov) 박사 등 연구진은 원소를 분류할 수 있는 ‘새로운 숫자’를 도출하기 위해 두 가지 기본 양의 조합을 사용하고 있다.

하나는 원소의 원자 반경(atomic radius)과 다른 하나는 원자가 전자를 얼마나 강하게 끌어당기는지를 말해주는 전자음성도(electronegativity)란 속성이다. 연구진은 이렇게 도출된 숫자를 ‘멘델레예프 넘버(Mendeleev Number, MN)’라 부르고 있다.

MN을 기준으로 원소를 정렬하면 원소의 속성과 가장 가까운 주기율표를 작성할 수 있다고 보고 있다. 또한 여기서 더 나아가 염화나트륨(NaCl)과 같은 이원 화합물(binary compounds)을 2차원의 격자로 구성해나갈 수 있다고 주장하고 있다.

논문은 최근 미 화학회(ACS) 회보에 게재됐다. 논문 제목은 ‘Nonempirical Definition of the Mendeleev Numbers: Organizing the Chemical Space’이다.

연구팀은 새로 고안한 주기율표를 사용할 경우 기존의 기술은 물론 미래 기술에 사용할 수 있는 새로운 재료를 찾는데 매우 유용할 수 있다고 설명하고 있다. 특히 신소재 탐색에 큰 도움을 줄 것으로 예상된다는 것.

연구팀은 “실제로 휴대폰을 만들기 위해 다수의 재료들을 개발해야 하는데 현재의 주기율표로는 새로운 아이디어를 창출하는 데 도움을 주지 못하고 있다”고 지적했다. 이에 연구팀은 “MN을 기반으로 한 이 새로운 주기율표를 통해 과학자들이 통찰력을 얻기를 기대한다”고 말했다.

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