주기율표: 원자 번호로 정렬된 화학 원소의 표 배열

주기율표(週期律表, 문화어: 주기률표, 영어: periodic table) 또는 주기표(週期表)는 원소를 구분하기 쉽게 성질에 따라 배열한 표로, 러시아의 드미트리 멘델레예프가 처음 제안했다. 1915년 헨리 모즐리는 멘델레예프의 주기율표를 개량시켜서 원자번호순으로 배열했는데, 이는 현대의 원소 주기율표와 유사하다. 원자 번호가 커짐에 따라 성질이 비슷한 원소가 주기적으로 나타나는 성질인 주기성을 기준으로 원소들을 배열하였다. 주기율표의 가로행은 주기라 부르고, 세로열은 족이라 부른다. 주기마다 같은 성질의 원소가 반복적으로 나타나기 때문에, 같은 족의 원소들은 서로 유사한 화학적 특성을 보인다. 전자를 가지고 있으려 하는 비금속성은 대체로 오른쪽이 더 높으며, 반대로 전자를 주려고 하는 금속성은 대체로 왼쪽이 더 높다. 이러한 화학적 성질은 각 원소의 전자 배치에 기인한다.

1869년 러시아의 화학자 드미트리 멘델레예프가 원자 질량에 따라 원소의 화학적 성질이 주기적으로 변화하는 것에 착안하여 주기율표를 처음으로 만들었다. 당시에는 모든 원소가 발견되지 않았기 때문에 원소 사이에 공백이 남아있었는데, 멘델레예프는 원소의 주기성에 착안하여 원소를 새로 발견하기도 하였다. 원소의 주기성은 19세기 후반에 사실로 인식되었으며, 원자 번호가 발견되고 20세기 초에 양자역학을 통해 원자의 내부 구조를 탐구하며 재확인되었다. 글렌 T. 시보그가 1945년에 악티늄족이 d-블록 원소가 아닌 f-블록 원소라는 사실을 발견함으로써 현대의 주기율표 틀이 완성되었다.

주기율표는 과학의 발전에 따라 계속 개정되고 있다. 자연계에서는 원자 번호 94까지 존재하는 원소들만 존재하는데, 과학자들은 실험실에서 원자번호 94보다 더 무거운 원소들을 합성하고 있다. 현재에는 118개의 원소들이 알려져 있으며 표의 처음 일곱 주기를 빈틈 없이 채우고 있다. 이 일곱 줄을 넘어서 표가 얼마나 뻗어나갈지, 표의 알려진 부분의 주기율이 언제까지 이어질지는 아직 알려지지 않았다. 또한 일부 원소가 주기율표에 올바르게 배치되었는지에 대한 과학적 논의가 계속되고 있다.

되베라이너의 세 쌍 원소

주기율표의 역사는 요한 볼프강 되베라이너의 "세 쌍 원소"로부터 시작된다. 그는 실험을 통해 세 개의 원소로 이루어진 무리 중 어떤 원소들은 첫 번째 원소와 세 번째 원소의 물리량 평균이 두 번째 원소의 물리량과 같음을 확인했다. 그 구체적인 예로는 '칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba)'의 세 원소가 있다 여기서 스트론튬(Sr)의 물리량은 칼슘(Ca)과 바륨(Ba) 원소의 물리량을 합하여 2로 나눈 평균값과 비슷하거나 같다. 되베라이너는 이들을 세 쌍의 원소라고 불렀다. 이러한 세 쌍 원소 관계를 만족하는 원소들은 칼슘-스트론튬-바륨, 염소-브로민-아이오딘, 그리고 리튬-나트륨-칼륨이 대표적인데 이를 만족하는 원소수가 적어 인정받지 못하였다. 세 쌍 원소는 현대 주기율표에서 같은 족에 해당된다.

뉴랜즈의 옥타브 설

영국의 과학자 존 뉴랜즈는 원소들을 원자량의 순으로 배열하면 8번째 원소마다 비슷한 성질의 원소가 나타나는 것을 발견하였고, 이를 피아노의 개념에 대입하였지만 이 대응성은 3번째 줄에서부터 어긋나기 시작했고, 처음 이 이론이 발표되었을 때만 해도 그는 웃음거리가 되었으나 이후 여러 가지 실험이 뉴랜즈의 법칙의 중요성을 보였다. 현대 주기율표에서 주기개념의 시초가 되었다.

드미트리 멘델레예프(1834~1907)

 

드미트리 멘델레예프는 화학 교수였다. 멘델레예프는 원소의 규칙을 밝히기 위해 이런저런 시도를 하다가 결국 원소들을 원자량순으로 나열하면 되베라이너의 세쌍원소, 뉴랜즈의 옥타브 법칙을 만족하게 된다는 것을 알게 되었다. 그는 원소가 어떤 함수의 결과라는 것을 확실히 믿었지만 비활성 기체가 발견되면서 그의 주기율표는 바뀌기 시작했다. 멘델레예프가 만든 주기율표에는 빈자리가 있었다. 그리고 그 빈자리에 언젠가는 빈 칸을 채울 원소가 발견될 것이라고 주장했다. 멘델레예프의 주기율표는 양성자의 수의 순서로 첫 칸부터 118번째 칸까지 채워지게 된다.

모즐리의 법칙

 

멘델레예프의 문제는 영국의 모즐리에 의해 풀렸다. 그는 음극선관을 이용하여 생성되는 X선의 파장을 연구하여 양성자 수에 따라 화학적 성질이 달라진다는 것을 밝혀냈다. 이를 모즐리의 법칙이라하며, 이것을 기본으로 현대적 의미의 주기율표가 탄생하였다.

유사한 성질을 가지는 원소들의 집합을 일컫는 용어가 여럿 있다. 그중 IUPAC이 인정하는 것은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 질소족, 칼코젠, 할로젠, 비활성 기체가 있다. 원소의 성질이 주기적으로 반복되기 때문에, 각 집합은 각각 하나의 족에 대응된다. 대응되는 이름이 없는 족의 경우, 가장 첫 번째 원소의 이름을 따 부르기도 한다. 예를 들어 6족 원소의 경우 크롬으로부터 따와 크롬족(chromium group)이라고 부르기도 한다. 이와는 반대로 IUPAC이 깔끔히 정의내리지는 않았지만 통용되는 원소의 분류로는 금속, 비금속, 준금속의 분류가 있다. 이에 대해 일치된 견해는 없다. 전이 금속의 뒤를 잇는 금속들을 부르는 용어 역시 제대로 된 합의가 이루어지지 않았기 때문에 전이후(post-transition) 금속 또는 불량(poor) 금속이라고 불린다. 일부 논문에서는 상당히 다른 화학적 특성을 간혹 보인다는 이유로 12족 원소를 전이 금속에서 제외하지만, 보편적인 인식은 아니다.

란타넘족은 란타넘 (57번, La)에서 루테튬 (71번, Lu)까지의 희토류 원소이다. 란타넘족은 원자번호가 늘어나면서 4f 오비탈을 채운다. 과거에는 세륨(Ce)부터 루테늄까지를 한묶음으로 분류했지만, 현대에는 란타넘까지 묶는 표기가 일반적으로 사용되고 있다. 여기에 스칸듐과 이트륨을 더해 희토류 원소라고 부른다. 이와 마찬가지로 악티늄족은 악티늄(89번, Ac)에서 로렌슘(103번, Lr)까지의 원소를 가리킨다. 악티늄족은 원자번호가 늘어나면서 5f 오비탈을 채운다. 이 역시 과거에는 토륨(Th)부터 로렌슘까지를 한묶음으로 분류했지만, 현대에는 악티늄까지 묶는 표기가 일반적으로 사용되고 있다. 란타넘족 원소보다는 같은 족 원소끼리의 성질차이가 훨씬 크다. IUPAC는 -ide 접미사가 일반적으로 음이온을 나타내므로 모호성을 피하기 위해 란타노이드와 액티노이드라 부를 것을 권고한다. 루테튬과 로렌슘을 3족 원소로 생각하는 일부 학자들은 란타넘족 원소를 란타넘에서 이터븀(Yb)까지로 정의하고, 악티늄족 원소를 악티늄에서 노벨륨(No)까지로 정의하여 f-블록과 일치시키기도 한다.

위에 나열한 분류 외에도 분야에 따라서 여러 분류를 사용한다. 천체물리학에서는 원자 번호가 2보다 큰 원소, 즉 수소와 헬륨을 제외한 모든 원소를 금속이라 부른다. 반금속이라는 분류도 물리학에서 화학에서 서로 다르게 분류한다. 예를 들어 비스무트는 물리학의 정의에서는 반금속이지만, 대부분의 화학자들은 금속으로 간주한다. 중금속처럼 널리 사용되지만, 실제로는 엄밀하게 정의되지 않은 분류도 존재한다.

학자들마다 사용하는 용어에도 차이가 있다. 예를 들어, IUPAC는 매우 방사성이 강한 초중금속 오가네손을 포함한 모든 18족 원소를 비활성 기체로 분류한다. 그러나 오가네손의 실제 화학적 성질을 계산한 결과는, 오가네손이 상대론적 효과로 인해 비활성이 아닐 것이며 심지어는 상온에서 기체도 아닐 수 있다고 예측한다. 일본의 학자들은 알칼리 토금속에 베릴륨과 마그네슘을 포함시키지 않는 경우가 있는데, 이는 마그네슘보다 더 무거운 2족 원소들과 성질에 차이가 있기 때문이다.

주기율표에는 현대에도 여러 논쟁거리가 남아있다. 주기율표 전체를 외울 필요가 있냐는 목소리가 있지만, 대학교에서 전이금속을 배우는 것이 아니라면 원자번호 1번부터 20번까지만 외우면 충분하다.

수소의 위치

수소와 헬륨의 위치에 대한 논쟁이 이어지고 있다. 현재의 주기율표에서는 수소를 알칼리 금속과 마찬가지로 가장 바깥쪽 껍질에 전자를 하나 가진 리튬 위에 배열한다. 그러나 일부에서는 수소는 금속 원소가 아니며 수소가 전자의 구조 면에서는 알칼리 금속이 아닌 할로겐에게 가깝고 할로젠 원소와 성질이 비슷하다고 주장하며, 수소의 위치를 17족 원소로 옮겨야 한다고 주장한다.

마찬가지로 생각해서, 수소가 1족 원소라면 헬륨도 베릴륨 위에 2족 원소로 배치해야 한다는 설이 있다. 그러나 헬륨은 비활성 기체이므로 현재처럼 네온 위인 18족 원소가 가장 적당하다고 한다.

인용주

내용주

• 주기율표 (표준)
• 확장 주기율표
• 원소
• 주기율표 (표준 원자량)

• IUPAC 웹사이트의 주기율표
• 대한화학회 웹사이트의 주기율표
•   위키미디어 공용에 주기율표 관련 미디어 분류가 있습니다.