원소의 발견과 구성에 대한 연구 역사

원소의 발견과 구성에 대한 연구 역사

원소의 발견과 구성에 대한 연구 역사

1910년대에 들어오면서 물리학자들이 아주 기발한 분석법을 개발해냅니다. 그것은 바로 X선 회절 분석법이라는 기술인데요. 이 X선 회절분석법을회절 분석법을 이용하면 다이아몬드와 흑연과 같은 고체물질을 구성하고 있는 원자들이 어떤 배열로 모여 있는지를 들여다볼 수 있게 됩니다. 1910년대에 들어와 X선 회절 분석법을 통해서 다이아몬드와 흑연에서 탄소들이 어떤 배열로 나열되어 있는지를 볼 수 있게 되었습니다. 다이아몬드는 탄소들이 네 개의 결합을 하면서 모두 서로서로 3차원으로 연결되어서 굉장히 밀도가 높고 콤팩트한 구조를 가지고 있습니다. 그런데 흑연은 평면을 따라 한쪽으로만 반응이 일어나고 수직 방향의 다른 한쪽으로는 반응이 일어나지 않으면서 다이아몬드에 비해서 빈 공간을 많이 가지고 있어서 밀도가 낮고 빈 공간을 많이 가진 구조를 가지고 있습니다. 이 둘을 알기 쉽게 비교하기 위해 다이아몬드를 사탕에 비교합시다. 사탕의 부피를 늘려서 뻥튀기 시키면 솜사탕이 되겠지요. 조금 과장을 해서 다이아몬드를 사탕에 비교하면 흑연은 솜사탕에 비유할 수 있어서 굉장히 많은 빈 공간을 가지고 있는 것이죠. 제가 저희 아이한테 솜사탕을 사줬었는데요. 아이들은 솜사탕을 그대로 먹지 않더라고요. 솜사탕을 손으로 꼭꼭 눌러서 아주 딱딱하고 작게 만든 다음에 먹더군요. 솜사탕에 압력을 가해서 안에 있던 빈 공간을 없애서 마치 사탕처럼 만들어서 먹은 것이지요. 이제 우리는 다이아몬드와 흑연에 대한 화학적 지식을 손에 넣었습니다. 똑같은 종류의 탄소 원자들로 이루어져 있습니다.

원소 구조의 차이로 인한 달라지는 특성

다이아몬드와 흑연의 차이는 단지 구조의 차이입니다. 다이아몬드는 사탕처럼 굉장히 콤팩트한 구조를 가지고 있고, 흑연은 빈 공간이 많은 밀도가 낮은 구조를 가지고 있습니다. 그렇다면 흑연을 다이아몬드로 만들 수 있지 않을까요? 어떻게 하면 흑연을 다이아몬드로 만들 수 있을까요? 흑연이 가지고 있는 빈 공간을 마치 어린아이들이 솜사탕을 눌러서 사탕을 만들어 먹듯이 압력을 가해서 빈 공간을 없애주면 되겠죠. 실제로 그와 같은 방식을 통해서 우리는 흑연으로부터 인조 다이아몬드를 만들어냅니다. 빈 공간이 많고 밀도가 낮은 흑연을 높은 온도에서 굉장히 높은 압력을 가해줍니다. 그러면 이 흑연이 가지고 있던 빈 공간이 없어지면서 굉장히 콤팩트하고 밀도가 높은 다이아몬드가 만들어지는 것이죠. 실제로 이와 같은 공정을 통해서 전 세계적으로 굉장히 많은 인조 다이아몬드를 생산하고, 이렇게 생산된 인조 다이아몬드는 유전에 구멍을 판다든지, 돌을 자른다든지, 쇠를 자르는 등의 절삭과 표면을 깨끗하게 갈아내는 연마를 하는데 사용하는 도구에 굉장히 많은 양이 현재 사용되고 있습니다. 자, 흑연에서 인조 다이아몬드를 만들어냈죠. 이것이야말로 연금술사들이 수백 년 동안 실현하려고 했던 일이 아닌가요? 굉장히 흔하고 값싼 흑연이라는 물질로부터 굉장히 값비싸고 희귀한 물질인 인조 다이아몬드를 만들어낸 것이죠. 변질이 실현된 것이죠. 그러기 위해서 뭐가 필요했죠? 철학자의 돌이 필요했는데 우리가 실제로 적용했던 것은 철학자의 돌이 아니라 화학적 지식이었습니다. 따라서 원자의 세계를 들여다볼 수 있게 해주는 주기율표, 이것을 적용함으로써, 즉 화학적 지식을 적용함으로써, 흑연을 다이아몬드로 만드는 것을 가능케 만들었던 것입니다.

주기율표의 기능

주기율표는 또 다른 중요한 기능을 하는데요. 우리 화학자들은 화학 언어를 사용합니다. 소위 케미컬 랭귀지죠. 근데 이 화학 언어를 구사하는데 있어서 사용하는, 마치 컴퓨터에서 우리가 문장을 써 내려가고 글을 쓰는 데 사용하는 자판과 같은 것이 바로 이 주기율표입니다. 여러분이 보시는 이 사진은 애플 매킨토시 컴퓨터의 자판 위에다가 원소기호들을 다 붙여놓은 것인데요. 실제 주기율표 모양하고 비슷하죠? 주기율표라는 것은 우리 화학자들이 화학 언어를 구사하기 위해서 자판으로 사용하게 됩니다. 예를 들어보죠. 소설가가 문장을 쓸 때 어떤 원리로 문장을 쓰나요? 일단 알파벳을 조합하게 되죠. 알파벳이라는 것은 가나다라 아야어여, 이런 것이죠. 그래서 어떻습니까? 알파벳을 조합해서 단어를 만들어내죠. 예를 들어서 “수소”라고 하면, ㅅ(시옷), ㅜ(우), ㅅ(시옷), ㅗ(오), 이와 같이 알파벳을 자판에서 칩니다. 자판을 쳐서 “수소”라는 단어를 쓴 것이죠. 그리고 또 ㅅ(시옷), ㅏ(아), ㄴ(니은), ㅅ(시옷), ㅗ(오),라고 자판을 칩니다. 알파벳을 쳐서 “산소”라는 단어를 만든 것이지요. 마찬가지로 “물”이라는 단어를 만들어내고 “만나면”이라는 단어를 쓰고, “된다”라는 단어를 쓰죠. 이와 같이 알파벳을 조합해서 여러 개의 다양한 단어를 만들어내고, 이런 단어들을 적절하게 배열함으로써 소설가는 문장을 써 내려갑니다. 우리 화학자들도 마찬가지 원리로 이와 같이 문장을 써 내려가죠. 바로 이 주기율표라는 자판을 이용해서 쓰게 되는 것이죠. 그래서 이 주기율표의 원소기호들은 바로 알파벳에 해당합니다. 그래서 이들 원소기호를 조합해서 화학식을 쓰게 됩니다. 예를 들어서 수소(H₂) 같은 분자의 경우에는 원소기호 H를 그리고 그 밑에 2를 쓰죠. H를 두 번 쓰는 셈이죠. 그렇게 해서 수 소원자 두 개가 결합된 분자 상태의 수소라는 화학식을 쓰게 됩니다. 마찬가지로 산소의 원소기호(O)를 사용해서 산소 분자를 쓰죠. O₂라는 산소 분자의 화학식을 쓰게 됩니다. 물도 마찬가지입니다. 물은 원자의 집합체죠. 두 개의 수소 원자와 하나의 산소 원자가 함께 있습니다. 그래서 수소를 나타내는 원소기호 H와 산소를 나타내는 원소기호 O를 조합해서 H₂O라는 화학식을 쓰죠. 이러한 화학식들은 문장을 쓸 때 사용하는 단어에 해당됩니다. 그래서 이렇게 다양한 단어를 쓰고 그러한 단어들을 적절하게 배열을 합니다. 그렇게 하고 나면 보시는 바와 같이 수소가 산소를 만나는 부분에 “플러스”를 넣죠. 그리고 “화살표”를 넣습니다. 이와 같은 방식으로 “수소가 산소를 만나면 물이 된다. ”라는 문장을 써 내려가는 것입니다. 이렇게 써 내려간 문장을 우리는 “화학반응식”이라고 합니다. 이처럼 우리 화학자들은 주기율표 상의 원소기호를 알파벳으로 삼아서 화학식을 쓰게 되고, 이 화학식들을 여러 개 나열 함으로써 화학반응식을 써 내려갑니다. 문장을 통해서 의사전달을 하는 것처럼 우리 화학자들은 화학반응식을 통해서 의사전달을 하게 되는 것입니다.