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주기율표(Periodic Table)
대부분의 화학실험실 벽에는 주기율표가 걸려 있다. 화학자들은 모든 종류의 연구에서 매일 주기율표를 참고한다. 주기율표를 보면 원소의 기호와 이름, 어떠한 원소들이 유사한 성질을 갖는가 알 수 있고, 각 원소의 위치를 쉽게 기억할 수 있다. 화학을 공부하는 사람들에게 주기율표를 기억하는 것은 고향의 지도를 기억하는 것만큼이나 필요하다. 양쪽 모두 중요한 아이디어의 총체적인 착상에는 매우 도움이 되기 때문이다.
1869년 2월 17일 저녁 러시아의 St. Petersburg 대학의 일반화학 교수인 35세의 Dmitri Ivanovich Mendeleev (1834-1907)는 발간되자마자 유명해진 화학교과서의 한 단원을 쓰고 있었다. Mendeleev는 각 원소의 성질을 각각의 카드에 분류한 카드를 갖고 있었다. 그는 원고를 쓰기 전에 생각을 정리하기 위하여 그 카드들을 이리저리 배열해 보던 도중 원소들을 원자량 순서로 배열하면 주기적으로 같은 성질이 반복되는 경향이 있음을 알았다. 비록 1869년 당시에 알려져 있던 원소는 겨우 63가지(예를 들어 1893 년까지도 영족기체는 발견되지 않았었다)에 불과하였고 원자번호에 대한 명확한 개념이 1913년에 이르기까지 알려지지 않았지만 여기서 주기율 법칙과 주기율표가 탄생하게 되었다. Mendeleev의 착상과 교과서는 큰 성공을 거두었고 St. Petersburg 대학에서 계속적인 강의를 할 수 있는 특권과 명성을 얻었다. Memdeleev는 1869년 3월 6일 러시아의 Petersburg 대학에서 열린 러시아 화학회 석상에서 "원소의 원자량과 그 성질과의 관계"라는 논문을 발표하였다.
Mendeleev가 1869년에 주기율표를 발전시킨 시기인 1869년 12월에 독일 Tubingen 대학 화학과 교수이며 의사인 Lothar Meyer(1860-1895)는 Mendeleev의 주기율표와 유사한 주기율표를 만들었다. 명백히 두 학자 모두 상대방의 연구에 대하여 전혀 몰랐던 것이 확실하고 두 화학자는 발견되지 않은 원소에 대하여 공란으로 남겨 놓았다. Meyer의 주기율표는 주로 물리적 성질의 반복되는 경향에 근거를 두었다. 화학적 성질에 근거를 둔 Mendeleev의 주기율표가 보다 더 인정을 받았다. 그 이유는 Mendeleev의 주기율표가 발견되지 않은 원소의 성질을 예측하는데 사용되었기 때문이다. 그러나 Mendeleev는 Meyer의 주장을 평가해주었으며 1882년에 두 화학자는 영국 Davy Medal을 받았다. 1871년에 Mendeleev는 보다 정교한 주기율표를 출판하였다. 이것이 바로 여러분들이 교실과 교과서 등에서 현재 접하는 주기율표의 선조이다. Mendeleev의 천재성과 대담성은 아직 발견되지 않은 원소들을 위한 주기율표상의 비어 있는 자리에 의하여 입증된다. 빈 자리는 원소 성질의 주기성이 나타나게끔 표를 정리한 것에 근거한 것이었다. 예를 들어, 그 당시 알려진 원소의 원자량 순서는 구리(Cu), 아연(Zn), 그리고 비소(As)이며, 이들의 원자량은 각각 63, 65 그리고 75이 다. 비소를 아연 다음에 배치하면 비소는 알루미늄(Al) 밑에 있게 된다. 그러나 비소는 알루미늄이 아닌 인(P)이나 안티몬(Sb)과 비슷한 화합물을 형성한다. 따라서 Mendeleev는 아직 발견되지 않은 두개의 원소가 있다고 생각하여 두 칸을 띄우고 V족인 인(P)의 아래에 배열하였다. 그 이후 예측되었던 대로 갈륨(Ga)이 1875년에, 그리고 게르마늄(Ge)이 1886년에 발견되었다. 따라서 예측되었던 대로 1871년의 비어있던 주기율표가 채워졌다. Mendeleev는 빈칸에 채워진 원소들의 특성을 놀라울 정도로 정확하게 예측하여 새로운 원소들을 발견하는데 도움을 주었으며, 발견될 수 있는 원소를 함유한 광물이 묻혀있는 지리적 지역을 제안하기조차 하였다. 발견되지 않았던 원소들의 성질은 주기율표에서 그 주변에 있는 원소들의 성질을 기초로 예측한 것이었다. 발견되지 않았던 원소의 성질에 대한 Mendeleev의 예측의 예들이 아래의 표에 있다. 여기에서 그가 사용한 에카(eka)라는 말은 산스크리트(sanskrit)에서 따온 것으로서 "하나"를 뜻한다. 따라서 "에카실리콘(eka-silicon)"은 "실리콘에서 한 자리 떨어진 위치"를 의미한다. 주기율표에 비어있는 자리가 있고 또한 Mendeleev가 그 원소들의 성질을 예측하여 놓았기에 1870년대와 1880년대에는 그 원소들을 찾으려는 열풍이 불었다. 그 결과 갈륨과 게르마늄 이외에 1879년에 스칸듐(Sc), 사마륨(Sm), 홀뮴(Ho), 그리고 툴륨(Tm)이 발견되고, 1880년에 가돌리늄(Gd), 1885년에 네오디늄(Nd)및 프라세오디윰(Pr), 1886년에 디스프로슘(Dy)이 발견되었다. 이러한 원소들은 오늘날에도 흔히 얻을 수 있는 원소들이 아니다.
Mendeleev는 몇 가지 원소를 원자량 증가 순서로 배열했을 때 유사한 화학성질을 갖는 다른 원소에 적합하지 않음을 알았다. 원소를 적절하게 배열하기 위하여 Mendeleev는 여러 원자량이 부정확함을 예측하였다. 예로서 그는 원자량 순서가 바뀌어도 화학적 성질의 유사성을 근거로 하여 텔루르(Te)는 황(S)과 같은 족에 배치시키고 요오드(I)는 염소 (Cl)와 같은 족에 배치하였다. 현대 주기율표에서 볼 수 있는 바와 같이 텔루르(Te)는 요오드(I)보다 큰 원자량을 갖는다(127.6 대 126.9). 이 점은 "원자량인 주기성을 좌우하는 성질이 아님"을 나타낸다. 이 점이 H.G.J. Moseley(1888-1915)에 의하여 1913년에 발견되었다 (Ernest Rutherford와 연구하던 젊은 과학자). Moseley는 음극선관 안에서 많은 다른 금속을 전자로 때리고 이때 금속에서 방출되는 X-선의 파장은 그 원소의 원자번호와 정확한 관계가 있음을 발견하였다. 그리고 원자가 갖는 그밖의 성질들이 원자번호와 관계가 있고 원자량과는 관계가 없음을 알았다. 실제로, 원소가 원자번호 증가순서로 배열된다면 Mendeleev주기율표의 문제들이 해결된다.
원자량 역순의 예
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원소 |
원자량 |
원자번호 |
|
아르곤 Ar
칼륨 K |
39.95
39.10 |
18
19 |
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코발트 Co
니켈 Ni |
58.93
58.69 |
27
28 |
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텔루륨 Te
아이오 딘 I |
127.6
126.9 |
52
53 |
|
토륨 Th
프로탁티늄 Pa |
232.0
(231) |
90
91 |
|
우라늄 U
넵투늄 Np |
238.0
(237) |
92
93 |
Mendeleev의 예언과 실제 원소의 성질
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Mendeleev 예언(1871)
Es(에카실리콘) |
Winkler 발견(1886)
Ge |
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원자량
원자가
비중
녹는점
색
산화물
염화물
염화물의 끓는점 |
(Si+Sn+Zn+Se)/4=72
4
5.5
높다
회색
XO2
XCl4
90℃ |
72.56
4
5.35
952℃
회색
GeO2
GeCl4
84℃ |
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Ea(에카알루미늄) |
Boisbaudran 발견(1875)
Ga |
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원자량
비중
녹는점
공기중 안정성
화학반응
산화물
염화물 |
68
6.0
낮다
안정하다
산,알칼리에 용해
Ea2O3
EaCl3 |
69.6
5.94
30℃
쉽게 산화안됨
산, 알칼리에 용해
Ga2O3
GaCl3 |
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Eb(에카보론) |
Nilson 발견(1879)
Sc |
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원자량
비중
산화물
염화물
염화물 성질
염화물 용해도
황산염
황산염 성질 |
44
3.0
Eb2O3
EbCl3
승화성
물에 녹음
Eb2(SO4)3
물에 녹지 않음 |
43.97
-
Sc2O3
ScCl3
800℃에서 승화
물에 녹음
Sc2(SO4)3
물에 녹지 않음 |
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Mendeleev 이름 |
예측
원자량 |
예측밀도 |
원소명 |
원자량 |
밀도 |
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Eka-manganese
(1871)
Eka-niobium
(1871)
Eka-caesium
(1871)
Tri-manganese
(1871)
Dvi-tellurium
(1889)
Dvi-caesium
(1871)
Eka-tantalum
(1871)
Coronium0.4
(1902)
Ether
(1902) |
100
146
175
190
212
220
235
0.17
|
+11
-
+9.3
|
Technetium
(1939)
Rhenium
(1925)
Polonium
(1898)
Francium
(1939)
Protactinium
Ionized iron
|
99
186
210
223
231
|
20.5
9.4
15.4
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