주기율표 첫 만남 — 원소를 규칙대로 배열하기

지난 시간에 여덟 가지 원소 기호(H·O·C·N·Fe·Au·Cu·Na)를 만났습니다. 같은 원소를 어디에서나 같은 짧은 알파벳으로 적는 국제 약속이었습니다.

오늘은 그 짧은 기호들이 가지런히 자리를 잡고 있는 큰 표, 주기율표를 만납니다. 백 가지가 넘는 원소를 어떻게 한 장의 표에 정리했는지, 가로줄과 세로줄이 각각 어떤 의미를 갖는지 살펴봅니다.

주기율표란 무엇인가#

주기율표는 원소를 일정한 규칙에 따라 배열한 표입니다. 백 가지가 넘는 원소를 그저 한 줄로 늘어놓으면 어디에 어떤 원소가 있는지 찾기 어렵습니다. 그래서 과학자들은 다음 두 가지 약속을 정했습니다.

• 원소마다 고유한 번호를 정한다 — 원자 번호
• 성질이 비슷한 원소가 같은 세로줄에 오도록 가지런히 배열한다

이 두 약속을 따라 만든 큰 표가 주기율표입니다. 한 칸에는 한 원소만 들어갑니다.

표에서는 대표 일곱 원소만 보였지만, 실제 주기율표에는 백 가지가 넘는 원소가 자기 번호 자리에 모두 들어 있습니다.

멘델레예프의 카드 책상#

이 표를 처음 만든 사람은 1869년 러시아 과학자 멘델레예프입니다. 그는 원소 하나하나의 이름과 기호, 성질을 작은 카드에 적은 다음, 책상 위에 가벼운 원소부터 무거운 원소까지 차례로 늘어놓았습니다.

그러자 흥미로운 규칙이 보였습니다. 일정한 간격마다 성질이 비슷한 원소가 다시 나타난 것입니다. 그는 같은 성질의 원소가 같은 세로줄에 오도록 카드를 다시 정리했습니다.

카드를 늘어놓다 보니 어떤 자리는 비어 있었습니다. 멘델레예프는 그 자리를 그냥 비워 두고, 거기에 들어갈 원소의 성질을 미리 예측해 적어 두었습니다. 시간이 지나 다른 과학자들이 그 자리에 들어갈 새 원소(갈륨)를 찾아냈을 때, 멘델레예프가 예측한 성질과 거의 일치했습니다. 이 일을 계기로 주기율표는 화학의 표준이 되었습니다.

주기와 족 — 가로줄과 세로줄#

주기율표에서 가로줄과 세로줄에는 각각 이름이 있습니다.

가로줄이 주기, 세로줄이 족입니다. 같은 족에 있는 원소들은 위에 있든 아래에 있든 비슷한 방식으로 반응합니다. 이렇게 일정한 간격마다 비슷한 성질이 다시 나타나는 규칙을 주기성이라고 합니다.

1~3주기까지는 다음과 같이 채워집니다.

• 1주기: H, He (두 칸)
• 2주기: Li, Be, B, C, N, O, F, Ne (여덟 칸)
• 3주기: Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, Ar (여덟 칸)

같은 족(세로줄)을 따라 내려가면, 예를 들어 1족에는 H·Li·Na·K가 차례로 자리합니다. 18족에는 He·Ne·Ar이 자리합니다. 18족 원소들은 반응을 거의 하지 않는다는 공통 성질을 보이고, 1족 원소들(H 제외)은 물과 격렬하게 반응하는 공통 성질을 보입니다. 같은 세로줄에 있다는 사실만으로 성질의 큰 가닥을 짐작할 수 있는 셈입니다.

가로줄은 어떨까요. 같은 주기에 있는 원소는 성질은 서로 다르지만, 전자껍질 수가 같다는 공통점이 있습니다. 전자껍질 개념은 다음 단원에서 자세히 다루므로, 지금은 "가로줄을 따라가면 일정한 패턴으로 성질이 점점 변한다" 정도로 받아들이면 충분합니다.

금속과 비금속#

주기율표의 원소는 크게 두 모임으로 나눌 수 있습니다.

주기율표에서 금속은 왼쪽과 가운데에, 비금속은 오른쪽 위에 모여 있습니다. 백 가지가 넘는 원소 중 대부분이 금속에 속합니다.

지난 시간에 만난 여덟 기호를 두 모임으로 나누면 다음과 같습니다.

앞 네 원소가 비금속, 뒤 네 원소가 금속으로 가지런히 갈라집니다. 한 가지 주의할 점은 H입니다. 위치는 1족이지만 성질은 비금속이라, 같은 족의 Li·Na·K(알칼리 금속)와는 다릅니다. 위치와 성질이 늘 같지는 않다는 점을 기억해 둡니다.

오늘은 백 가지 원소가 흩어진 목록이 아니라, 원자 번호 순서와 성질의 주기성이라는 두 규칙으로 정리된 표라는 점을 확인했습니다. 가로줄은 주기, 세로줄은 족이고, 같은 족의 원소는 비슷하게 반응합니다. 원소의 배열을 이해하면, 여러 원소가 모여 만든 물질을 입자 모형으로 읽는 단계로 자연스럽게 이어집니다.