주기율의 발견

주기율의 발견
18세기 초반까지만 해도 발견된 원소의 종류는 20여 가지에 불과했으나 18세기 후반에 많은 종류의 원소들이 발견됨에 따라 원소의 분류에 대한 관심이 점점 높아져 갔다. 근대에 최초의 원소 분류는 1789년 라부아지에 (Antoine Laurent Lavoisier, 1743~1794)에 의해 시작되었으며, 19세기 중반에 이르러 대부분의 원소들의 물리적, 화학적 성질에 대한 연구 결과가 발표되자, 화학자들은 원소의 유사성을 찾아보려는 연구에 집중하였다.

(1) 라부아지에의 원소 분류 | 라부아지에는 그 당시에 원소로 알려진 33종의 물질을 성질에 따라 다음과 같이 (가)~(라)의 4종류로 분류하였다.

(가) 산소, 질소, 수소, 빛, 열
(나) 황, 인, 탄소, 염소, 플루오린
(다) 은, 코발트, 구리, 납, 수은, 니켈
(라) 생석회, 산화바륨, 알루미나, 마그네시아, 실리카

(가)는 동물, 식문, 광물에 포함된 원소, (나)는 산을 만드는 원소, (다)는 염기를 만드는원소, (라)는 염을 만드는 원소로 분류하였다. 그 당시의 기술로는 생석회(CaO), 마그네시아(MgO) 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2) 등의 화합물을 각각의 성분 원소로 분리할 수 없었으므로 원소로 분류했으며, 빛과 열도 원소로 분류하였다. 라부아지에가 원소를 분류한 기준은 현재의 시각으로 볼 때 큰 의미는 없으나, 근대에 원소를 처음으로 분류해 보았다는 데 의의가 있다.

(2) 되베라이너의 세 쌍 원소 | 독일의 천재적 시인이자 과학자인 괴테의 화학 선생이었던 되베라이너(Johann Wolfgang Dobereiner, 1780~1849)는 1829년 세 개의 원소로 이루어진 어떤 원소 무리들은 첫 번째 원소와 세 번째 원소의 물리량의 평균값이 두 번째 원소의 물리량과 같다는 것을 발견하였고, 이들을 세 쌍 원소라고 하였다.

다음 표는 되베라이너의 세 쌍 원소 관계에 있는 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba) 원소의 몇 가지 물리적 성질을 나타낸 것이다.
위 표에서 Sr의 물리량은 Ca과 Ba의 물리량을 합해 2로 나눈 평균값과 비슷하거나 같다는 것을 알 수 있다.
Sr의 원자량 = (Ca의 원자량 + Ba의 원자량) / 2 = (40.1 + 137.3) / 2 = 88.7
Sr의 밀도 = (Ca의 밀도 + Ba의 밀도) / 2 = (1.54 + 3.66) /2 = 2.60
되베라이너의 세 쌍 원소 관계를 만족하는 원소들은 칼슘 - 스트론튬 - 바륨 이외에도 염소 - 브로민 - 아이오딘과 리튬 - 나트륨 - 칼륨

(3) 뉴랜즈의 옥타브 법칙 |

위의 그림 자료는 옥타브 법칙을 증명한 주기율표다.

1863년 영국의 뉴랜즈 (John Alexander Reina Newlands, 1837~1898)는 원소들을 원자량의 순서로 배열하면 음악의 옥타브처럼 여덟 번째 원소마다 물리적 화학적 성질이 비슷한 원소가 나타나는 것을 발견하였다. 따라서 그는 '원소들은 여덟 번째마다 성질이 비슷한 원소가 나타난다.'라는 '옥타브 법칙'을 발표하였다.

당시에는 18족의 비활성 기체가 발견되지 않았기 때문에 옥타브 법칙이 성립할 수 있었다. 1865년 뉴랜즈가 이 논문을 영국 화학 회의에서 발표하였을 때 그는 학회의 웃음거리가 되었다. 그러나 옥타브 법칙은 맨델레예프의 주기율표가 등장하기에 앞서 매우 중요한 논문이였다. 이 논문이 발표된 지 22년이 지난 1887년에 영국 왕립 화학회는 그 중요성을 인정하여 뉴랜즈에게 영예의 데비 메달을 수여하였다.

(4) 멘델레예프의 주기율표 | 1869년 러시아의 화학자 멘델레예프(Dmitri Ivanovich Mendeleev, 1834~1907)는 당시에 알려진 63종의 원소들을 원자량이 증가하는 순서로 배열하면 비슷한 성질을 가지는 원소들이 주기적으로 나타나는 것을 발견하였다. 멘델레예프는 이러한 발견을 토대로 가로줄을 몇 개의 주기로 나누고, 세로줄을 8개의 족으로 분류한 주기율표를 발표하였다.

원소들의 화학적 성질은 원자량이 증가함에 따라 규칙적으로 변한다고 멘델레예프는 밝혔다. 아래의 그림은 멘델레예프의 주기율표.

그런데 이 주기율표에는 치명적인 문제가 있었는데, 1894년 영국의 레일리(John William Strutt Rayleigh, 1842~1919)와 램지(William Ramsay, 1852~1916)가 비활성 기체인 아르곤을 발견하면서 멘델레예프의 주기율표는 도전에 직면하였다. 이것은 발견된 아르곤(Ar)의 원자량이 칼륨(K)의 원자량보다 커서 원자량 순서로 나열했을 때 원소의 주기적 성질 변화와와 원자량 순서가 맞지 않는 부분이 존재하였기 때문이다.

멘델레예프는 고민 끝에 이유는 모르겠지만 이 부분은 예외적으로 원자량 순서에 맞지 않게 원소의 배열 순서를 바꾸어야 한다고 인정하였다.

(5) 모즐리의 주기율표 | 원자량 순서와 주기율이 맞지 않는 문제는 1913년 러더퍼드의 제자인 모즐리(Henry Gwyn Jefferys Moseley, 1887~1915) 에 의해 해결되었다.

모즐리는 음극선관 속에서 큰 운동 에너지를 가지는 전자를 금속판에 충돌시켰을 때 생성되는 X선의 파장이 금속 원자의 양성자 수(원자 번호)가 증가함에 따라 짧아지는 것을 발견하였다. 이것을 토대로 모즐리는원소들의 양성자 수로 원자 번호를 정하고, 원소들의 주기적 성질은 원자 번호가 증가함에 따라 규칙적으로 변한다는 것을 알아냈다. 이렇게 하여 모즐리는 원소들을 원자 번호 순서로 배열한 주기율표를 만들어 오늘날에도 모즐리의 주기율표가 사용되고 있다.