<꿈이 알려주었다>
멘델레예프는 자신의 책을 출판하기 위해 다양한 자료를 모아 연구하는 동안 화학 원소의 성질들 사이에 비슷한 양상이 있음을 알았다. 그는 여러 가지 다른 화학 원소 사이의 관계를 조사⋅연구하였는데 이런 연구는 멘델레예프 이전에 실시되었던 연구였다.
1815년 영국의 윌리엄 푸르트는 모든 원소는 무게로 따져 수소의 정수 배가 된다는 것을 발표했으나 곧 잘못된 생각이라는 것이 밝혀졌고
1864년 영국의 존 뉴런즈는 원소를 순서대로 배열하면 8째에 성질이 비슷한 것이 나타난다는 옥타브설을 발표했지만 학자들로부터 인정받지 못하고 있었다.
멘델레에프는 당시까지 알려져 있는 원소 63개에 대한 정보를 바탕으로 다른 학자들이 찾아내지 못한 원소 사이의 상관관계를 분석하기 시작했다. 그는 존 뉴런즈가 제시한 삼조원소를 비판하며 원소들 간의 유사성과 차이점을 모두 설명할 수 있는 인자를 찾아야 한다고 생각했다.
그는 처음부터 큰 틀에서 주기율표는 유사한 특성을 보이는 원소들을 조직화시켜야 한다고 믿었다. 그는 같은 성질을 갖는 원소가 7번째마다 주기적으로 나타나는 것을 발견하고 원소의 성질을 원자량의 주기적인 함수라고 정의하였다. 그는 원소들의 성질을 점검해나가면서 할로겐, 알칼리금속, 알칼리토금속의 특성과 원자량의 패턴을 발견했다. 그는 자신의 발견을 토대로 다음과 같이 예견했다.
‘원자 질량과 원소 사이에는 분명 어떤 관련성이 있다. 그리고 궁극적으로 물질이 원자로 표현되듯이 그 기능도 원자량과 원소의 개별적 특성들 사이에 존재하며 이곳에서 발견될 것이다.’
그는 원자량만으로도 원소들의 유사성과 차이점을 설명할 수 있으리라 확신했다. 그러나 그는 가장 가벼운 원소로 원자량 1인 수소로부터 당시에는 가장 무거운 원소로 알려진 원자량 92인 우라늄에서 끝을 맺는 식으로 원소를 원자량에 따라 단순히 나열하는 것은 의미가 없다고 했다.
멘델레에프는 자신이 35살이 되는 1868년 2월 17일(러시아에서 사용하던 율리우스력으로 3월 1일) 꿈에서 자신이 원하던 원소의 모든 순서를 보았다고 적었다.
그는 꿈에서 깨어나 직사각형의 주기율표에서 종으로, 즉 북에서 남쪽으로는 특성이 비슷한 원소들을 배열시켰다. 좌측에서 우측으로 배열시킨 원소들은 점진적으로 복합적인 특성을 나타냈다. 그는 반응성이 좋은 금속들(리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘)을 1족으로 분류했고 거의 반응하지 않는 금속들(플루오르, 염소, 브롬, 요오드)은 7족으로 분류했다. 그는 자신의 기준에 따라 그전까지 이해되었던 17개의 원소들을 새로운 자리로 이동시켰다.
뉴런즈가 암시한대로 멘델레예프는 원자량의 ‘주기성’이 바로 원자의 특성이라는 사실도 알아냈다. 어떤 족에 속한 한 원소의 특성을 알아내면 그 족에 속한 나머지 원소들의 특성도 알 수 있다. 현재 주기율표의 수직 열을 ‘족’이라 하고 수평 열을 ‘주기’라고 하는데 놀라운 것은 멘델레예프는 직접 실험을 하지 않고도 주기율표를 작성했다는 점이다.
그런데 여기에는 다른 이야기도 있다. 꿈이 아니라 친구의 질문에 순간적인 직관으로 단 하루 만에 주기율표를 작성했다는 것이다. 알려진 이야기는 다음과 같다.
1869년 2월 17일 즉 그가 꿈에서 보았다는 그레고리력으로 3월 1일 아침, 멘델레예프는 오랜 연구 동료인 메슈토킨 박사로부터 한 장의 엽서를 받았다. 엽서에는 단 한 줄이 적혀 있었다.
‘삼조원소를 어떻게 생각하십니까?’
삼조원소란 1800년대 전반에 요한 되베라이너가 제창한 것으로 화학적 성질이 서로 닮은 세 가지 원소의 조합이었다. 친구가 문의한 글을 읽고 멘델레예프는 번뜩이는 생각이 떠올라 곧바로 서재로 가서 오전에 최초의 주기율표의 초안을 작성했으며 오후에 타이프로 정리했다.
삼조원소는 그보다 50년도 전에 제시된 것으로 당시 알려진 63개의 원소를 원자량 순서대로 나열하면 주기성이 있다는 것은 잘 알려진 사항이다. 그러나 이 63개의 원소를 나열한 ‘테이프’를 어디에서 잘라서 반복시키면 될까라는 결정적인 가설은 나오지 않았다. 멘델레예프는 테이프를 자르고 반복시켰을 때 삼조원소를 세로의 위치에 고정시켜야한다고 순간적으로 생각했다. 오늘날 말하는 ‘동족원소’이다.
그는 자신이 작성한 주기율표를 3월 6일(그레고리력으로 3월 18일)「원소의 설질과 그 원자량과의 관계」라는 제목으로 러시아 화학회 모임에 처음으로 발표했다. 엽서를 받은 지 단 2주일 후이다. 2년 후인 1871년, 96쪽에 달하는 장편의 논문으로 자신의 생각을 정리했다. 오늘날 화학 이론의 전부를 지배하고 있는 멘델레예프의 주기율표가 세상에 선보였는데 당시 그의 나이 35살 때의 일이다.
멘델레예프가 엽서를 보고 자신의 구상을 적었다는 것은 사실로 보여 진다고 야마다 히로타카는 적었다. 엽서를 받았을 때 멘델레예프는 엽서 위에 커피잔을 두었던지, 동그란 흔적이 남아 있는 엽서가 지금도 상트페테르부르크의 멘델레예프 박물관에 남아있다는 것이다. 여하튼 그가 발표한 주기율표를 정리하면 다음과 같다.
① 원소들을 원자량의 크기에 따라 순서대로 배열하면 화학적 성질에서 명확한 주기성이 나타난다.
② 원소들의 특성은 원자량의 크기에 의해 결정된다.
③ 아직 알려지지 않은 원소들이 있다. 예를 들면 원자량이 65～75이고 성질이 알루미늄이나 규소와 비슷한 원소들이다.
④ 원소들의 원자량은 그와 비슷한 원소들의 원자량을 알면 잘못 결정된 것을 발견할 수 있고 고칠 수 있다.
⑤ 약간의 원소들이 그와 비슷한 원소들의 원자량에 의해 발견될 것이다.
멘델레예프는 주기율표를 발표한 이후 계속하여 잘못 결정된 원자량들을 옳게 고쳤다. 코발트와 니켈, 텔루르와 요오드의 경우 원자량의 순서를 바꾸었다. 특히 멘델레예프는 아직 알려지지 않은 원소들의 특성을 예측했는데 그의 예언은 어김없이 들어맞아 그를 부동의 과학자 반열에 올려 놓았다.
1875년 프랑스의 르코크 드 부아보드랑이 아연광석을 스펙트럼 분석하면서 그동안 알려지지 않은 새로운 특수한 선을 발견했다. 그는 이 새로운 원소를 분리하여 자기 조국 프랑스를 기념하는 의미로 갈륨(라틴어로 프랑스는 갈리아)이라고 명명했다. 이 보고는 곧 멘델레예프에게도 알려졌는데 그는 갈륨의 성질이 자기가 예언한 에카알루미늄의 성질과 유사하다는 것을 발견했다. 그는 1871년에 주기율표 제3족 즉 아연 다음 자리가 비어 있다는 것을 설명하면서 이 자리에 놓일 원소는 원자량이 68에 가깝고 원소의 성질은 알루미늄과 인듐의 중간이라고 하였다. 그러나 부아보드랑이 발표한 원소의 비중은 4.7이었다.
멘델레예프는 부아보드랑에게 편지를 써서 그가 예언한 에카알루미늄의 성질을 이야기하면서 비중은 4.7이 아니라 5.9～6.0으로 추정되니 비중을 다시 한 번 재 측정해보라고 조언했다. 부아보드랑이 그의 편지를 받고 곧바로 갈륨의 비중을 재 측정했는데 결과는 멘델레예프가 예언한대로 5.96이었다. 부아보드랑은 갈륨을 단 한 번도 측정해보지도 않고 정확하게 원소의 성질을 예언한 데 놀라움을 표명하며 그의 주기율표가 옳음을 모든 학자들에게 알렸다.
갈륨의 발견은 주기율표가 거둔 첫 승리이자 과학의 진정한 승리로 알려졌지만 그의 성가는 닐손이 1879년 스칸듐을 발견하여 더욱 높아진다. 닐손은 란탄족 원소 레르븀을 분리하는 실험을 하다가 새로운 원소가 들어있다는 것을 발견하고 스칸디나비아 반도를 기념하여 스칸듐이라고 명명했다. 그런데 닐손은 스칸듐을 연구하면서 스칸듐이 멘델레예프가 예언한 에카붕소와 성질이 똑같다는 것을 발견했다. 멘델레예프가 예언한 에카붕소의 원자량과 비중은 44와 3.5였는데 닐손이 발견한 원자량은 45.1, 비중은 3.8이었다. 놀라운 것은 멘델레예프가 분리 방법도 예시했다는 점이다.
‘에카붕소가 이트륨광물에 존재하며 그것을 분리하는 것은 간단한 일이 아니다. 다만 그들의 몇 가지 염들이 용해도가 약간씩 다르므로 그러한 성질을 이용하면 분리가 가능할 것이다.’
멘델레예프의 예언은 사실이었다. 멘델레예프는 게르마늄 발견으로 세계 과학계에 결정타를 안긴다. 그는 에카규소에 대해 자세히 예언한 것은 물론 심지어 그것을 어디에서 찾을 수 있는지도 발표했다. 멘델레예프 자신도 직접 에카규소를 찾으려 노력했지만 실패할 정도였는데 1886년 독일의 빙클러가 휘은게르마늄광을 분석하고 있었다. 그런데 여러 차례 실험해도 매번 조성 성분들의 비율 총합이 100퍼센트가 되지 않았다. 단순한 오차나 분석 방법이 불완전하기 때문에 생길 수도 있었지만 여러 가지 상황을 종합해 볼 때 오히려 새로운 원소일 가능성이 있었고 그의 생각은 옳았다. 그는 새로운 원소를 자기 조국 독일을 기념하여 게르마늄이라 명명했다.
게르마늄의 성질은 멘델레예프가 예언한 에카규소의 성질과 놀랄만큼 유사했다. 게르마늄이 발견됨으로써 그의 주기율표는 결정적인 승리를 거두었고 아무도 멘델레예프의 과학적 선경지명에 대해 의심을 품는 사람은 더 이상 없었다. 멘델레예프의 예언과 결과가 얼마나 놀라운 일인지 ‘프란시스베이컨상’을 수상한 버나드 자폐(Bernard Jaffe)는 다음과 같이 적었다.
‘화학 분야에서 한 예언자의 창시(創始)적 일갈이 러시아에서 들려왔다. 아직까지 발견된 적 없는 한 원소가 있으며 나는 이를 에카-알루미늄이라 명명했다. 그 원소는 알루미늄과 비슷한 성질로써 판별할 수 있을지니 찾아라, 그러면 발견할 것이다. 이 놀라운 예언에서 더 나아가 러시아의 현인은 붕소라는 원소와 닮은 또 다른 원소의 존재를 예언했는데 이번에는 대담하게도 원자량까지 언급했다. 곧이어 세 번째로 물리화학적 성질을 상세히 기술한 또 다른 원소의 존재를 예언했다. 예언자인 러시아인 자신은 물론 어떤 사람도 그때까지 이러한 미지의 물질을 본 적이 없었다. 고대 예언자처럼 예지력을 갖춘 그는 성직자는 아니었다. 그는 불타오르는 나무덤불(성경의 모세가 보았던 불을 의미)의 연기가 아니라 실험로의 불꽃 연기 속에 파묻혀 위대한 화학의 일반 법칙을 통찰해오던 조용한 실험실에서 이런 예언들을 발표했던 것이다.’
현재 주기율표를 보면 103개가 채워져 있다. 이것은 지금까지 인간이 발견한 원소가 103가지라는 뜻이다. 그리스 시대 4원소설과 비교하면 무려 99개의 원소가 새롭게 등장한 것이다. 인간이 파악한 우주의 모든 물질이 103개라는 설명이지만 이것도 모두 자연 상태에서 발견한 것은 아니다. 가장 가벼운 원소인 수소에서부터 원자 번호가 92인 우라늄까지는 자연계에 존재하는 원소이지만 93번 넵투늄부터 103번 로렌슘까지 11가지 원소는 인공으로 만든 원소들이다. 또한 원자번호가 43인 테크네튬과 원자번호 63인 프로메튬은 안정한 동위원소를 가지고 있지 않아 92번보다 앞에 있는 원소이지만 자연계에서 발견되지 않고 입자가속기를 이용하여 인공적으로 만든 것이다.
인공으로 만들어 낸 나머지 11가지 초우라늄 원소(원자번호 93에서 103번까지 인공으로 만든 원소)는 매우 불안정해서 짧은 시간 동안만 원자의 자격을 유지하고 붕괴된다. 물론 이런 붕괴 현상은 인공 원소에만 있는 것은 아니다. 모든 원소는 더 안정한 원소로 붕괴되거나 융합될 수 있기 때문이다.
우주에 존재하는 원소가 103가지라고 하지만 학자들이 궁금한 것은 아직도 인간이 발견하지 못한 원소가 있느냐이다. 대다수의 과학자들은 자연계에 안정한 형태로 존재하는 원소가 지금까지 발견된 것 외에 더 이상 존재한다고는 생각지 않는다. 그러나 가속기를 이용하면 더 많은 원소들을 만들어낼 수 있을지 모른다는 희망을 버리지 않는다. 실제로 미국과 러시아의 과학자들은 104번, 105번의 원소를 만들어냈다고 주장한다. 물론 이들의 주장은 객관적으로 인정받지 못했다.
원자번호가 100번 이상이 되면 이 원소들은 매우 불안정해서 단 몇 분을 견디지 못한다. 그러므로 원자번호가 더 큰 원소를 합성한다면 이 원소들은 불과 몇 초 이상을 견디지 못한다고 예상한다. 이런 짧은 시간만 존재하는 것을 원소라고 불러야 할지는 원소의 정의에 관한 문제지만 현실적으로 인간에게 별 의미가 없는 존재임은 틀림없다. 일단은 과학자들은 원자번호 114 부근에 원소의 의미를 부여할 수 있는 수명을 가진 무거운 원소가 존재할 가능성을 제시한다. 그러나 이들이 아직도 발견되지 않았다.
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