원소를 줄 세우면 — 주기율표 첫 만남 (멘델레예프 1869·1~20번 원소·주기와 족)

지난 시간에 우리는 여덟 원소 기호(H·O·C·N·Fe·Au·Cu·Na)를 같이 만났지요. 같은 원소를 어디에서나 같은 짧은 알파벳으로 적는 국제 공용 약속이었어요.

그런데 같이 생각해 봐요. 이 여덟 기호는 정말 일부예요. 과학자들이 오늘까지 같이 알아낸 원소는 백 가지가 넘어요. 백 가지! 이 많은 원소를 그저 한 줄로 늘어놓으면 어디에 어떤 원소가 있는지 한눈에 살펴볼 수 있을까요? 어렵겠지요?

그래서 같이 살펴봐요. 옛날 한 과학자가 원소들을 책상 위에 같이 늘어놓아 본 적이 있어요. 그런데 늘어놓다 보니 재미있는 규칙이 같이 나타났어요 — 같은 종류의 성질을 가진 원소가 같은 차례마다 다시 나타난 거예요. 오늘은 그 큰 표 — 주기율표를 같이 만나요.

원자·분자·원소·원소 기호를 차례로 지나, 오늘은 그 기호들이 가지런히 자리한 화학의 기축 다이어그램을 만나요. 멘델레예프 아저씨의 1869년 카드 책상 일화부터 1~20번 원소의 자리, 주기(가로)와 족(세로)의 약속, 금속·비금속 두 큰 모임까지 — 중1 화학의 절반을 지나는 자리를 부드럽게 같이 받아 들어요.

오늘의 한 문장#

주기율표는 백 가지가 넘는 원소를 차례 번호 순으로 가지런히 늘어놓아 성질이 같은 종류의 원소가 같은 열에 오도록 만든 큰 표예요.

원소 기호가 원소 하나하나의 짧은 명패였다면, 주기율표는 그 명패들을 책상 위에 가지런히 같이 늘어놓은 큰 자리예요. 한 칸에 한 원소가 들어가고, 같은 열에는 성질이 비슷한 원소가 같이 모여 있어요. 이 표 한 장이 화학의 거의 모든 자리에서 보조 자료로 같이 등장한답니다.

백 가지 원소를 어떻게 늘어놓을까 — 원자 번호#

먼저 새 말 두 개. 주기율표(원소를 차례 번호 순으로 늘어놓아, 성질이 같은 종류의 원소가 같은 열에 오도록 만든 큰 표). 원자 번호(원소마다 하나씩 약속해 놓은, 주기율표 안에서의 차례 번호).

같이 생각해 봐요. 백 가지가 넘는 원소가 다 같이 있어요. 그저 늘어놓기만 하면 어디에 어떤 원소가 있는지 찾기가 어렵겠지요? 그래서 과학자들은 같이 약속을 만들었어요. 원소마다 차례 번호를 하나씩 약속해 두기로요. 이 번호가 원자 번호예요.

수소가 1번, 헬륨이 2번, 리튬이 3번… 이렇게 모든 원소가 자기 차례 번호 하나씩을 같이 가지고 있어요. 이 번호 차례대로 원소를 같이 늘어놓고, 성질이 같은 종류의 원소가 같은 열에 오도록 가지런히 둔 큰 표가 주기율표예요. 한 칸에 한 원소가 들어가요 — 한 칸 = 한 원소의 1:1 약속이에요.

옛날 한 과학자의 이야기 — 멘델레예프#

같이 이야기 하나를 들어봐요. 새 말 세 개를 같이 배워요.

멘델레예프(원소를 같이 늘어놓아 주기율표를 처음 만든 옛날 한 과학자, 1869년). 원소 카드(원소 하나의 기호·이름·번호를 같이 적은 작은 카드). 빈자리(주기율표에서 아직 찾아내지 못한 원소가 들어갈 자리).

1869년, 옛날 한 과학자 멘델레예프가 같이 했던 일이에요. 그는 원소 하나하나에 작은 카드를 만들었어요. 카드 안에 원소의 이름과 기호와 그 원소의 성질을 같이 적어 놓았어요. 이것을 원소 카드라고 해요. 그리고 그 카드를 책상 위에 같이 늘어놓았어요. 가벼운 것부터 무거운 것까지 차례로 가지런히요.

그러자 재미있는 일이 같이 나타났어요! 같이 살펴보니, 같은 종류의 성질을 가진 원소가 같은 차례마다 다시 나타났어요. 한 줄을 같이 늘어놓고 다음 줄로 넘어가면, 그 위 줄에 있던 것과 같은 종류의 원소가 또 같은 자리에 오는 거예요!

그런데 카드를 늘어놓다 보니 한 자리가 같이 이상했어요. "이 자리에 어떤 원소가 와야 하는데, 아직 그 원소를 알아내지 못했네!" 멘델레예프는 그 자리를 같이 비워 두었어요. 이 자리가 빈자리예요.

옛날 옛적, 멘델레예프는 빈자리에 들어갈 원소가 있을 거라고 같이 약속해 두었어요. 그리고 그 원소의 성질도 같이 적어 두었지요. 시간이 지나서 다른 과학자들이 그 빈자리에 들어갈 새 원소(갈륨이라고 해요)를 같이 알아냈는데, 멘델레예프가 적어 둔 성질과 거의 정확히 같았어요!

표의 길과 줄 — 주기와 족#

같이 주기율표의 모양을 살펴봐요. 새 말 다섯 개를 같이 배워요.

행(가로로 같이 놓인 한 줄). 열(세로로 같이 놓인 한 줄). 칸(표에서 한 가지가 자리하는 자리). 주기(주기율표에서 한 행에 같이 있는 원소의 모임). 족(주기율표에서 한 열에 같이 있는 원소의 모임, 성질이 같은 종류의 원소들).

주기율표는 큰 표예요. 안에 작은 칸이 가지런히 같이 놓여 있어요. 한 칸이 한 원소예요. 표에는 행과 열이 있어요 — 행은 가로로 놓인 한 줄, 열은 세로로 놓인 한 줄이지요. 한 자리는 칸이라고 해요.

주기율표에서 행과 열에는 화학 어휘 이름이 따로 있어요. 한 행에 같이 있는 원소들을 주기라고 부르고, 한 열에 같이 있는 원소들을 족이라고 부르는 거예요.

위 그림 한 장이 1~20번 주기율표를 한자리에 같이 정리해 줘요. 1주기는 두 칸(H·He), 2주기와 3주기는 각각 여덟 칸씩이에요. 같은 색 칸은 같은 족 — 성질이 같은 종류의 원소들이에요!

같은 족에 있는 원소들은 위에 있든 아래에 있든 비슷하게 움직여요. 한 족 안에서 같은 모습이 다시 나타나는 셈이에요. 이렇게 같은 차례마다 같은 종류의 성질이 같이 다시 나타나는 규칙을 주기성(같은 차례마다 같은 종류의 성질이 다시 나타나는 규칙)이라고 해요. 한 주의 일곱 날이 같은 차례로 다시 오는 것과 같지요. 시간의 주기든 공간의 주기든 자연 어디에나 같은 약속이 살아 있어요.

1~20번 원소와 두 큰 모임 — 금속과 비금속#

마지막으로 새 말 두 개를 같이 배워요. 금속 원소(철·금·구리처럼 반짝반짝 빛나고 단단한 원소). 비금속 원소(수소·산소·탄소처럼 금속이 아닌 원소).

주기율표 안에 있는 백 가지가 넘는 원소를 같이 보면 두 큰 모임으로 같이 나눌 수 있어요. 금속 원소와 비금속 원소예요.

금속 원소는 반짝반짝 빛이 나고 단단해요. 손으로 만지면 차갑지요. 자석에 붙는 것도 많아요. 주기율표 안에 금속 원소가 가장 많이 있답니다.

비금속 원소는 금속이 아닌 원소예요. 반짝이지 않거나, 단단하지 않거나, 기체로 있는 것이 많아요. 우리가 숨쉴 때 들이쉬는 산소와 질소, 풍선 안의 가벼운 기체 수소, 연필 안의 검은 조각 탄소 — 다 비금속 원소예요.

지난 시간에 만난 여덟 기호를 두 모임으로 같이 나누어 봐요!

앞 네 원소(H·O·C·N)는 다 비금속, 뒤 네 원소(Na·Fe·Cu·Au)는 다 금속이에요. 가지런히 같이 갈라지지요! 그리고 H·O·C·N·Na는 1~20번 안에 자리해 있고, Fe·Cu·Au는 21번 이후의 전이금속이라는 자리에 있어요 — 전이금속의 자세한 이야기는 중2·중3에서 같이 만나요.

다음 시간에는#

다음 시간 "세 가지 상태를 원자·분자로"에서는 오늘 정식 도입한 주기율표 위에서 우리가 만난 백 가지 넘는 원소들이 모이고 움직이는 자리를 같이 살펴봐요.

앞에서 우리는 분자를 같이 만났지요? 같은 분자가 모이면 물질이 됐어요. 그런데 같이 생각해 봐요 — 같은 물 분자(H₂O)인데, 어떤 때는 얼음, 어떤 때는 물, 어떤 때는 수증기예요. 같은 분자인데 왜 모양이 다를까요?

다음 시간에는 원자·분자라는 작은 알갱이로 고체·액체·기체 세 가지 상태를 같이 다시 살펴봐요. 백 가지 원소가 모여 만들어진 분자가 어떻게 움직이느냐에 따라 모양이 같이 달라진답니다. 또 만나요. 👋

📖 오늘의 낱말#

🎯 헷갈리지 마세요 — 시험 함정 박스#

한국 중학교 시험에서 주기율표 자리에서 가장 자주 헷갈리는 자리는 주기(가로)와 족(세로)의 방향과 수소의 정체예요. 오늘 정식으로 같이 정리해요.

함정 1 — 주기(가로) vs 족(세로) (방향이 만드는 의미)

가장 흔한 함정이에요. "주기"라는 말이 시간이 흐르듯 세로로 흘러가는 느낌을 줘서 학습자가 종종 잘못 연결하지만, 약속은 정확히 반대예요.

같이 외워 두는 한 줄 — "주기는 가로, 족은 세로". 정확히 반대가 되지 않도록 주의해요. 한 주기를 같이 끝까지 읽어 보면 가로로 한 줄을 같이 읽는 일이고, 한 족을 같이 따라가 보면 세로로 한 줄을 같이 따라가는 일이에요.

함정 2 — 수소(H)는 1족이지만 알칼리 금속 아님

수소는 주기율표에서 1족 자리에 있어요. 그런데 같은 1족인 나트륨(Na)·칼륨(K)은 알칼리 금속이지만 수소(H)는 비금속이에요. 위치만 1족일 뿐이지 성질은 1족 다른 원소와 같지 않아요.

"같은 족이면 다 같은 성질"이라는 첫 직관이 너무 단순한 일반화임을 보여주는 예외 자리예요. 1족에서는 H만 비금속, 나머지는 알칼리 금속. 위치(자리)와 성질이 늘 같지 않을 수 있다는 점을 한 번 짚고 가요.

함정 3 — 빈자리는 우연이 아니라 예측 가능한 자리

멘델레예프의 빈자리에 대해 학습자가 종종 "그냥 발견 안 된 자리"로 단순화해요. 사실은 다음 한 줄이 맞아요 — 빈자리 = 주기성 덕분에 그 자리 원소의 성질을 미리 알 수 있는 자리.

멘델레예프의 표가 화학의 표준이 된 까닭이 바로 이거예요. 그가 빈자리에 적어 둔 성질이 나중에 다른 과학자들의 발견에서 맞아떨어졌기 때문이에요. 주기율표는 단순한 분류표가 아니라 예측 도구예요.

오늘은 "주기는 가로(행), 족은 세로(열) — 같은 족이면 성질이 같은 종류 (수소 H는 예외) — 빈자리는 주기성으로 예측 가능"이라는 세 가지만 머릿속에 두면 충분해요!