주기율표

주기율표는 어떻게 짜여 있나요?

원소를 원자 번호 순서로 배열하면 성질이 대략 되풀이돼요. 같은 족에 속하는 원소는 비슷한 화학적 특성을 보이고, 표는 구역이라 불리는 네 개의 직사각형 영역으로 나뉘어요. 각 원소는 원자핵의 양성자 수를 나타내는 고유한 원자 번호를 가지고, 수소는 1번, 헬륨은 2번, 리튬은 3번이에요.

어떤 경향이 있나요?

위키백과는 금속 특성이 족을 따라 아래로 갈수록, 주기를 따라 오른쪽에서 왼쪽으로 갈수록 강해진다고 설명해요. 비금속 특성은 표의 왼쪽 아래에서 오른쪽 위로 갈수록 강해져요.

누가 만들었나요?

일반적으로 받아들여지는 최초의 주기율표는 1869년 멘델레예프가 원자 질량에 따른 화학적 특성의 주기성으로 만들었어요. 당시에는 모든 원소가 알려지지 않아 표에 빈칸이 있었고, 멘델레예프는 주기율로 일부 미지 원소의 성질을 예측했어요.

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아직 확장되나요?

자연에는 원자 번호 94번까지의 원소만 존재하고, 더 높은 원소는 실험실에서 합성해야 해요. 새 원소가 발견되면 7줄을 넘어 확장할 수 있지만 몇 개나 더 합성할 수 있는지는 알려지지 않았어요. 이론 계산으로는 이 미지 영역이 지금까지의 패턴을 따르지 않을 수 있다고 해요.

18개 족에는 어떤 이름이 붙나요?

국제 명명 규칙에 따라 족은 가장 왼쪽 열인 알칼리 금속부터 가장 오른쪽 열인 비활성 기체까지 1번에서 18번으로 매겨요. f-구역 원소는 이 번호에서 빠져요. 1988년에 IUPAC가 이 1~18 번호 체계를 쓰기 시작하면서 로마 숫자(I~VIII)로 부르던 옛 족 이름은 폐기됐어요. 주요 족 이름은 아래와 같아요.

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3족은 스칸듐, 이트륨 아래에 루테튬과 로렌슘을 놓는 형태가 전자 배열과 더 잘 맞는다고 보며, 이 배치는 1988년과 2021년 IUPAC 보고서에서 지지됐어요. 그래도 란타넘과 악티늄을 놓는 표가 여전히 쓰이는데, 대부분의 교과서 저자가 이 문제를 알지 못하기 때문이라고 위키백과는 설명해요.

주기율표는 어떤 원리로 짜였나요?

주기율표는 원자의 전자 배열이 규칙적으로 되풀이된다는 사실을 그림으로 옮긴 표예요. 원소는 원자 번호 순서로 놓이고, 새로운 전자 껍질에 첫 전자가 채워질 때 새 줄(주기)이 시작돼요. 같은 열(족)의 원소는 특정 부껍질에 같은 수의 전자를 가져요. 예를 들어 산소, 황, 셀레늄은 모두 가장 바깥쪽 p 부껍질에 전자가 네 개라서 같은 족이에요.

전자는 껍질, 부껍질, 궤도에 차례로 채워져요. 궤도 하나에는 전자가 최대 두 개 들어가고, s 부껍질은 궤도 1개, p는 3개, d는 5개, f는 7개를 가져서 부껍질마다 최대 2개, 6개, 10개, 14개의 전자를 담아요. 껍질 하나가 담는 최대 전자 수는 그 껍질에 있는 부껍질의 합이에요. 세 번째 껍질은 2×1 + 2×3 + 2×5 = 18개, 네 번째 껍질은 2×1 + 2×3 + 2×5 + 2×7 = 32개예요.

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부껍질은 대체로 마델룽 규칙(전자가 n + ℓ 값이 커지는 순서로 들어가고, 값이 같으면 n이 낮은 궤도가 먼저 채워지는 규칙)에 따라 채워져요. 그래서 새 s 궤도가 채워질 때마다 새 주기가 시작되고, 첫 줄을 빼면 주기의 길이는 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32로 두 번씩 나타나요. 구역도 여기서 나와요. 1·2족은 s 궤도, 13~18족은 p 궤도가 채워지는 원소이고, 가운데 넓은 전이 금속은 d 궤도, 희토류는 f 궤도가 중요한 원소예요.

전자 배열이 되풀이되기 때문에 성질도 규칙적으로 바뀌어요. 아래 표는 주족 원소 기준의 경향이에요.

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이온화 에너지에는 예외도 있어요. 산소처럼 떼어 내는 전자가 쌍을 이루고 있으면 전자끼리 밀어내서 예상보다 쉽게 떨어져요.

멘델레예프의 예측은 어떻게 확인됐나요?

주기율표가 힘을 얻은 계기는 아직 발견되지 않은 원소의 성질을 미리 말한 예측이 실제 발견으로 확인된 일이에요. 멘델레예프는 1871년 논문에서 세 원소의 성질을 자세히 예측했어요. 각각 붕소, 알루미늄, 규소보다 무거운 동족체가 될 것이라서 산스크리트어로 '하나'를 뜻하는 '에카'를 붙여 에카-붕소, 에카-알루미늄, 에카-규소라고 불렀어요.

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부아보드랑은 멘델레예프의 예측을 모른 채 섬아연석 광물 시료에서 갈륨을 찾았어요. 논문을 읽은 멘델레예프가 갈륨이 자신이 예측한 에카-알루미늄이라는 편지를 보내자 처음에는 의심했지만, 나중에 멘델레예프가 옳았다고 인정했어요. 갈륨, 스칸듐, 저마늄의 특성은 멘델레예프가 예측한 것과 일치했어요. 19세기 말 멘델레예프가 예측하지 못한 비활성 기체가 발견됐을 때도 그의 체계에 여덟 번째 주족으로 깔끔하게 들어맞았어요.

원소 순서를 정하는 기준은 20세기 초 실험으로 바로잡혔어요. 1913년 안토니우스 반 덴 브록이 원자핵의 전하가 원소의 위치를 정한다고 제안했고, 이듬해인 1914년 헨리 모즐리가 엑스선분광학으로 알루미늄부터 금까지 각 원소의 핵 전하를 재서 이를 실험으로 확인했어요. 원자핵 전하는 양성자 수와 같고 원소의 원자 번호가 돼요. 이 결과로 텔루륨과 아이오딘처럼 원자 번호는 늘어나는데 원자량은 줄어드는 불일치도 해결됐어요.

주기율표는 어떻게 발전해 왔나요?

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위 표는 위키백과를 바탕으로 하고, 2016년 11월 28일 항목은 IUPAC 발표로 맞췄어요.

1960~1970년대에는 102번부터 106번 원소를 두고 앨버트 기오소가 이끈 미국 로런스버클리국립연구소 팀과 게오르기 플료로프가 이끈 소련 팀이 서로 먼저 발견했다고 주장해, 이름 논란이 수십 년 이어졌어요. 이 논란은 1997년에 이름이 최종 정해지며 마무리됐고 시보그를 기린 시보귬(106번)도 이때 포함됐어요.

최근 이름 붙은 원소와 앞으로 찾을 원소는 무엇인가요?

2016년 11월 28일 IUPAC는 113번 니호늄(Nh), 115번 모스코븀(Mc), 117번 테네신(Ts), 118번 오가네손(Og)을 공식 승인했어요. 발견자가 제안한 이름을 5개월 동안 공개 검토한 뒤 IUPAC 집행부(Bureau)가 승인했어요.

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원소 이름 끝은 규칙이 있어서, 113번과 115번은 '-ium', 17족의 117번은 '-ine', 18족의 118번은 '-on'으로 끝나요. 114번은 플료로프를 기려 플레로븀으로, 106번은 시보그를 기려 시보귬으로 이름 붙었어요.

여덟 번째 줄을 채울 119번 이후 원소는 아직 만들어지지 않았어요. 일본 이화학연구소는 2018년부터 바나듐(23번)을 퀴륨(96번)에 충돌시켜 119번 원소를 만드는 연구를 이어가고 있어요. 2024년 4월에는 미국 로런스버클리국립연구소 연구팀이 티타늄-50 빔으로 116번 리버모륨을 합성하는 데 성공했고, 같은 방식으로 칼리포늄에 티타늄 빔을 쏴 120번 원소를 만든다는 계획이에요. 연구팀은 칼리포늄을 충분히 확보한 뒤 100~200일 동안 쏴야 하며 현실적으로는 2~3년이 걸릴 것이라고 밝혔어요. 지금까지 114~118번은 모두 칼슘-48을 90번대 원소에 충돌시켜 만들었고, 118번 오가네손은 칼리포늄(98번)에 칼슘(20번)이 합쳐져 만들어졌어요.

주기율표는 일상에서 어떻게 쓰이나요?

주기율표는 눈에 보이는 물건의 재료를 고르는 지도로 쓰여요. 어떤 원소의 화학적 특성은 주변 원소의 특성만 알면 비교적 쉽게 예측할 수 있어요. 아래는 일상과 닿아 있는 사례예요.

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네오디뮴이 강력한 자석 재료가 된 이유는 전자 배열에 있어요. 네오디뮴은 전자 14개를 담을 수 있는 f 궤도에 짝 없는 전자(홀전자)를 4개 가졌고, 이 f 궤도가 원자 바깥이 아니라 안쪽에 있어서 열이나 화학 반응에도 자력이 잘 유지돼요. 1960년대에는 사마륨-코발트 자석이 쓰였는데, 1978년 당시 세계 코발트 생산의 70%를 차지하던 자이르에서 내전이 일어나 코발트 공급이 마비되고 가격이 20배 넘게 올랐어요. 이를 계기로 일본의 사가와 마사토 박사가 코발트 대신 철에 희토류를 결합하고 붕소를 소량 넣는 방법으로 네오디뮴 자석을 만들었다고 해요.

주기율표와 함께 알아 둘 개념은 무엇인가요?

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주기율표의 주요 수치는 얼마나 되나요?

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