세상의 시작, 118개의 원소 이야기

석원경 지음

생각의힘 2023년 06월 23일 출간 종이책 : 2017년 09월 11일 출간

작품소개

책소개

『세상의 시작, 118개의 원소 이야기』에서는 자연계에 존재하는 원소들을 발견한 시대순으로 그리고 역사적으로 중요한 분기점이 되는 저서나 주기율표에 근거하여 모으거나, 인공적으로 만들어지는 것들을 하나로 묶어 큰 테두리 안에서 각 원소를 일목요연하게 조감하고 있다.

이를 위해 지구 곳곳에서 사용되는 탄소를 시작으로 하여, 청동기 시대나 철기 시대에 자연 상태에서 쉽게 얻을 수 있어 도구나 보석으로 사용된 원소들을 하나로 묶어 가장 먼저 다루고 있다. 이어서 물질이 타는 현상, 즉 연소를 어떤 물질에서 플로지스톤이 빠져나가는 것으로 설명한 플로지스톤설을 일축하고 연소설을 주창한 라부아지에의 저서『화학 요론』에 거론된 원소들을 알아본다.

다음으로 화학 혁명 이후 발견된 원소들로부터 화학을 예측 가능한 학문으로 만든 멘델레예프의 주기율표와 그의 저서 화학 체계의 개요에 포함된 원소를 살펴본다. 인공적으로 먼저 만들어지고 천연계에도 미량 존재하는 것으로 밝혀진 우라늄 이후의 원자 번호 93~98번의 원소들도 하나로 묶어 다루고 있다.

마지막으로, 미국의 로렌스 버클리 국립연구소와 로렌스 리버모어 국립연구소, 러시아의 합동핵 연구소, 독일의 중이온 연구소, 스웨덴의 노벨 물리학 연구소, 일본의 이화학 연구소에서 인공적으로 합성한 20개의 원소를 소개하고, 여기에 미래에 만들어질 원소에 대한 여러 과학자들의 생각을 덧붙였다.

목차

지은이의 말
들어가기 전에
우리말 원소 이름에 대한 일러두기

1장 기원전부터 사용된 원소
2장 라부아지에의 『화학 요론』에 수록된 원소
3장 멘델레예프의 주기율표에 포함된 원소
4장 『화학 체계의 개요』에 기록되었지만 1820년 이후에 확인된 원소
5장 천연 상태에서 발견된 나머지 원소
6장 인공적으로 만들어졌지만 천연 상태에서도 발견된 원소
7장 인위적으로만 얻어진 원소

원소 발견의 미래
결정 구조
참고자료
찾아보기

책 속으로

당시에는 기존의 5원소설과 겉보기 불꽃 현상을 플로지스톤설로 잘 설명할 수 있었다. 그런데 연소가 어떤 물질로부터 플로지스톤이 발생하는 것이라면, 가령 금속 재와 플로지스톤의 합으로 나타낼 수 있는 금속에 있어서 연소 후 금속 재의 무게가 늘어나는 이유를 설명할 수 있어야 하는데, 플로스지톤설로는 설명이 불가능하였다. 그렇다면 플로지스톤은 음의 무게를 가진 원소일까? 라부아지에는 수은을 가열하여 얻은 붉은색의 산화 수은을 더 높은 온도에서 다시 가열하여 원래의 수은으로 되돌리는 실험을 통해 플로지스톤설이 틀렸다는 것을 완벽하게 입증하였다. 질량 보존 법칙에 근거하여 연소는 물질이 공기 중의 한 성분과 결합하는 변화이며, 이로 인해 무게가 증가한다는 합리적인 설명으로 기존의 이론을 뒤집는 혁명적인 사고를 한 것이다. 라부아지에야말로 화학을 과학의 한 분야로 탄생시킨 위대한 화학자라고 할 수 있다.
_ 라부아지에의『화학 요론』에 수록된 원소, 68쪽

스웨덴의 베르셀리우스는 원소 기호를 창안하고 원자들의 상대적인 질량인 원자량을 결정하였다. 러시아의 멘델레예프는 원소들 간에 일정한 규칙이 있다는 생각을 하고, 각 카드에 원소의 이름, 무게, 다른 특징적인 요소들을 적고 이를 원자량에 따라 배열하였다. 그러던 중 비슷한 성질을 가지는 원소들은 일정한 규칙과 주기성을 가진다는 사실을 파악하고, 당시 알려져 있던 66개의 원소들을 하나의 표로 만들었다. 여기에서 무엇보다 중요한 사실은 기존에 알려진 원소들의 원자량을 과감히 수정하였을 뿐만 아니라, 심지어 그 당시 알려지지 않은 여러 원소들의 원자량과 성질을 그가 예측하였다는 점이다.
_ 3장 멘델레예프의 주기율표에 포함된 원소, 122쪽

‘바깥 마을’이란 뜻을 가진 스웨덴의 이테르비(Ytterby) 마을은 특이하게도 광물과 원소 이름을 도로명으로 사용하며 ‘원소 표본실’의 명소라고 불리어 많은 관광객들이 방문하는 곳이다. 스톡홀름 동쪽에 있으며, 스웨덴과 발트해 사이의 많은 섬들 중 하나인 레사뢰(Resar?) 섬의 끝자락에 있다. 도자기를 만들 때 사용하였던 오래된 장석 광산과 영국까지 수출되었던 유리를 만들기 위한 석영 광산이 있는 곳이기도 하다. 비록 이 광산들은 1933년에 폐광되었지만, 이곳을 찾는 화학자와 광물학자들의 행렬이 끊이지 않고 있다. 이 채석장에서 발견된 가돌리나이트(gadolinite, (Ce,La,Nd,Y)2FeBe2Si2O10) 광석에서 분리된 이트륨 산화물인 이트리아(yttria, Y2O3)에서 발견된 원소들이 무려 9가지-원자 번호 21번 스칸듐(scandium), 39번 이트륨(yttrium), 65번 테르븀(terbium), 66번 디스프로슘(dysprosium), 67번 홀뮴(holmium), 68번 에르븀(erbium), 69번 툴륨(thulium), 70번 이테르븀(ytterbium), 71번 루테튬(lutetium)-나 되기 때문이다.
_ 3장 멘델레예프의 주기율표에 포함된 원소, 128쪽

헬륨은 가벼우면서 폭발성이 없어 풍선, 기구, 비행선용 기체로 사용되며, 화학 분석에 사용되는 기체 크로마토그래피의 운반 기체로도 사용된다. 또한 신경 조직에 대한 용해도가 낮기 때문에 잠수부가 사용하는 산소통의 질소 대체 물질로서 잠수병을 예방하는 데도 사용된다. 고진공 장치 또는 고압 용기의 누출을 검출하는 보호 기체로도 쓰이며, 아주 낮은 끓는점을 이용하여 의료 진단용 자기 공명 이미지나 NMR 분광기의 자석을 극저온으로 냉각시켜 초전도의 성질을 갖도록 하는 데도 사용된다. 이 밖에 헬륨-네온 레이저의 제조, 암석 및 광물의 연대 측정, 핵반응기 열전달체, 로켓에서 연료와 산소를 밀어내는 데 쓰인다.
_ 5장 천연 상태에서 발견된 나머지 원소, 264쪽

출판사 서평

근원에 대한 탐구, 세상 만물은 무엇으로 이루어졌는가?
세상을 바꾼 위대한 발견의 역사를 바탕으로 쓴 원소 세계의 조감도

근원에 대한 탐구, 세상 만물은 무엇으로 이루어졌는가?

사람들이 즐겨 말하는 ‘코페르니쿠스적 전환’이라는 말에서 알 수 있듯이 위대한 발견은 그 자체로 한 시대의 패러다임을 바꾼다. 코페르니쿠스의 지동설 외에도 뉴턴의 만유인력의 법칙, 다윈의 진화론 등과 같은 위대한 발견의 시작점은 당연하다고 생각되어 왔던 관념들에 대한 물음이다. 원소의 발견은 그중에서도 가장 근원적인 것으로, ‘세상 만물은 무엇으로 이루어졌는가?’, ‘어떻게 생성되었는가?’라는 질문은 ‘우리는 어디에서 왔는가?’와 연관된 중요한 문제 제기이다. 그렇다면 원소의 발견은 우리의 인식과 세계관을 어떻게 바꾸어 왔을까.

아리스토텔레스의 4원소설은 과학이라기보다 세상을 설명하기 위한 관념적인 시도임에도 거의 천 년 동안 서양의 물질관을 지배하였다. 그 시대에 살던 사람들은 4원소설을 통해 세상을 보았고, 세상 만물의 변화를 그것에 맞추어서 설명하려고 하였다. 또한 값싼 금속을 귀한 금속으로 바꾸려는 연금술의 유행도 있었다. 지금에 와서는 연금술의 신비가 완전히 벗겨졌지만 당대에는 세상을 설명하는 가장 유력한 시도이자 방법이었다. 이후 원소의 발견으로 인해 우리는 세상 만물의 근원을 과학적 근거를 통하여 설명할 수 있게 되었다.

원소의 발견으로 인한 물질세계에 대한 풍부한 이해는 우리들의 생활을 더욱 윤택하게 하였으며, 세상을 바라보는 새로운 관점을 제공하였다. 원소를 공부한다는 것은, 곧 이 세상을 이루고 있는 기본적인 무언가를 공부하는 것이다. 원소 발견의 역사와 그 쓰임을 공부함으로써 우리는 세상의 시작을 가늠할 수 있고, 또한 미래의 모습도 그려볼 수 있다. 그것은 세상을 바라보는 또 하나의 눈을 갖는 것과 같다. 나아가 우리가 세상과 어떻게 관계되어 있는지를 살피기에 좋은 공부이기도 하다.

원소 번호 순서대로 나열된 기계적인 설명이 아닌
발견 시기와 중요 저서를 기준으로 한 원소 세계의 조감도

이 책에서는 자연계에 존재하는 원소들을 발견한 시대순으로 그리고 역사적으로 중요한 분기점이 되는 저서나 주기율표에 근거하여 모으거나, 인공적으로 만들어지는 것들을 하나로 묶어 큰 테두리 안에서 각 원소를 일목요연하게 조감하고 있다.

이를 위해 지구 곳곳에서 사용되는 탄소를 시작으로 하여, 청동기 시대나 철기 시대에 자연 상태에서 쉽게 얻을 수 있어 도구나 보석으로 사용된 원소들을 하나로 묶어 가장 먼저 다루고 있다. 이어서 물질이 타는 현상, 즉 연소를 어떤 물질에서 플로지스톤이 빠져나가는 것으로 설명한 플로지스톤설을 일축하고 연소설을 주창한 라부아지에의 저서『화학 요론』에 거론된 원소들을 알아본다.

다음으로 화학 혁명 이후 발견된 원소들로부터 화학을 예측 가능한 학문으로 만든 멘델레예프의 주기율표와 그의 저서 화학 체계의 개요에 포함된 원소를 살펴본다. 인공적으로 먼저 만들어지고 천연계에도 미량 존재하는 것으로 밝혀진 우라늄 이후의 원자 번호 93~98번의 원소들도 하나로 묶어 다루고 있다.

마지막으로, 미국의 로렌스 버클리 국립연구소와 로렌스 리버모어 국립연구소, 러시아의 합동핵 연구소, 독일의 중이온 연구소, 스웨덴의 노벨 물리학 연구소, 일본의 이화학 연구소에서 인공적으로 합성한 20개의 원소를 소개하고, 여기에 미래에 만들어질 원소에 대한 여러 과학자들의 생각을 덧붙였다.

다른 한 편으로 원소 각각의 발견과 명명에 얽힌 이야기들을 소개하여 흥미를 더하고 있다. 연소설을 주창한 라부아지에의 연소 실험이나, 멘델레예프가 주기율표를 만들며 예언한 원소들에 얽힌 이야기들, 새로운 원소를 발견하기 위한 노력들에 관한 일화는 과학적 탐구 과정의 일면을 보여준다. 또한 원소의 성질과 쓰임을 제시하여 독자들로 하여금 원소의 세계를 온전히 이해하는 데 큰 도움을 주고, 그러한 기본지식을 바탕으로 과학의 즐거움에 가까이 다가갈 수 있게 하였다.

[책속으로 추가]

1944년에 미국의 시보그, 제임스, 모건, 기오르소는 사이클로트론을 이용하여 플루토늄-239에 가속된 중성자를 쪼인 후 얻은 물질의 β 붕괴 생성물로 새로운 원소 아메리슘-241을 발견하고, 이와 동시에 알파 붕괴로 넵투늄-237이 생성되는 것을 알아냈다. 실제로 시카고의 야금 연구소(Metallurgical Laboratory, 지금의 아르곤 국립 연구소)에서 이 물질을 확인하였다. 뒤이어 아메리슘-241에 중성자를 쪼여 또 다른 아메리슘-242를 얻었는데, 이 물질은 β 붕괴로 퀴륨-242가 된다. 하지만 아메리슘-241과 퀴륨-242를 분리하는 것은 매우 힘들기 때문에 그들은 처음에 이 원소 이름을 ‘지옥’을 뜻하는 그리스어 ‘pan daimonion’에서 따와 ‘Pandemonium’으로 명명할 생각까지 하였다고 한다.
_ 6장 인공적으로 만들어졌지만 천연 상태에서도 발견된 원소, 316쪽

지금까지 그 이름이 확정된 118개 원소 이후의 원소들은 인공적으로 만들 수 없을까? 아니면 어떤 시도가 이루어지고 있을까? 최근 발견 된 원소들은 모두 방사성 원소이며 반감기가 1분이 채 되지 않는다. 그러나 원자 번호 120~126의 원소들은 그 핵이 가질 ‘신비’한 양성자와 중성자의 수가 핵 부준위(shell)을 채우게 되어 주기율표에 안정 한 ‘섬’을 이룰 것으로 기대되고 있다. 즉 부준위가 모두 채워진 비활 성 기체들이 안정하듯이 양성자 수와 중성자 수를 동시에 가질 원자 번호 126번의 원소는 다른 원소들보다 수명이 길 것으로 예측되고 있다.
_ 원소 발견의 미래, 359쪽

작가정보

저자(글) 석원경

저자 석원경은 서울대학교와 한국과학기술원 화학과를 졸업한 후 미국 노스캐롤라이나 대학교 채플힐 캠퍼스에서 박사학위를 받았다. 미국 노스웨스턴 대학교에서의 박사후 연구원을 거쳐 현재 동국대학교 화학과 교수로 재직하면서 무기화학 및 전이금속화학과 관련된 연구와 강의를 하고 있다. 미국 펜실베니아 대학교와 독일 뮌헨 대학교에서 방문 교수를 지냈으며, 동국대학교 자연과학연구원 원장과 중앙도서관 관장, 대한화학회 실무이사, 학술부회장, 조직 부회장을 맡았다. 전공은 촉매, 전이금속 화학, 염료-감응형 태양 전지이며 이와 관련된 학술논문 100여 편을 발표하였다. 저서로 『전이금속화합물의 반응과 메커니즘』 『대한화학회 50년사』가 있고, 옮긴 책으로 『무기화학』 『멘델레예프와 주기율표』 외 다수가 있다.