화학 원소 주기율표와 하나님의 질서

[변강쇠]

화학 원소 주기율표와 하나님의 질서

하나님의 창조의 아름다움과 구성은 우리 주변 어디에서나 볼 수 있다. 식물, 별, 동물, 바위, 공기, 물에서 우리가 관찰하는 모든 것들은 원자(atoms)로 알려진 90개의 자연에 있는 건축 블록으로 구성되어 있다. 질서는 원자로부터, 그리고 그것을 구성하는 하위 입자로부터 시작한다. 이러한 질서 정연함은 지적인 원인 없이, 사고나, 우연히 생겨난, 임의적이거나, 위험스러운 입자들의 조합이 아니다. 원자의 성질을 들여다보면, 창조의 경이로움을 분명히 살펴볼 수 있다. 하나님이 천지 만물을 창조하셨을 때, 그 분은 우주에 가장 작은 것이라 할지라도 질서를 부여하셨다. 왜냐하면 하나님은 어지러움의 하나님이 아니시기 때문이다(고린도전서 14:33).

Dream idea: Dmitri Mendeleev (1834~1907).

멘델레예프는 원소주기율표에서 규소와 주석 사이에서 틈새가 있음을 관찰하고, 그가 ‘에카실리콘(ekasilicon)’이라 불렀던 잃어버린 원소의 발견을 논문에서 예측했었다.

드미트리 멘델레예프(Dmitri Mendeleev, 1834-1907)는 꿈을 꾼 후에, 1869년에 원소들의 규격화된 조직(표)를 생각해냈던 러시아의 화학자이다.[1] ”나는 꿈속에서 한 표(table)를 보았는데, 거기에는 모든 원소들에 필요했던 공간이 있었다. 잠에서 깨어, 나는 즉시 종이에 그것을 적었다. 나중에 단지 한 군데만 수정이 필요했다”[2] 멘델레예프의 원소주기율표는 매우 가치있는 것이었다. 왜냐하면 그것은 모든 원소들의 배열에 대한 경향을 인식하도록 해주는, 원자들의 질량에 대한 가장 정확한 값을 나타내주고 있기 때문이었다.

멘델레예프는 주기율표에서 당시 알려진 65개의 원소가 불완전하지만, 화학의 핵심부에 위치할 것으로 보았다. 거기에는 원소들이 위치할 수 있는 공간이 있었는데, 당시에는 어느 누구도 그것을 발견하지 못했었다. 멘델레예프는 원소주기율표에서 규소(silicon)와 주석(tin) 사이에 틈새가 있음을 발견하고, 그가 ‘에카실리콘(ekasilicon)’이라 불렀던 잃어버린 원소의 발견을 논문에서 예측했다. 새로운 원소가 발견되고, ‘게르마니움(germanium)’으로 이름 붙여졌을 때, 그것의 성질은 멘델레예프가 예측했던 ‘에카실리콘'과 원자질량, 밀도, 융점에 있어서 거의 들어맞았다.

원소주기율표(The Periodic Table)

원소주기율표에서는 질서와 패턴을 분명히 볼 수 있는데, 과학의 도구로서 가장 강력한 것 중 하나이지만, 아마도 가장 이해되지 못하고 있다. 원자의 조직화된 구조는 예측 가능한 특성과 화학적 행동을 이끌고, 그래서 원자가 DNA와 같은 복잡하고 수많은 원자들로 되어있는 원소화합물을 형성하기 위해, 어떻게 다른 원자들과 결합하고 반응하는지를 예측할 수 있게 해준다. 원자는 주기성을 갖는데, 왜냐하면 아원자 입자가 각 원자에 더해지고 정렬되는 방식 때문이다. 때문에 그것들이 주기율표에 조직적으로 위치할 수 있는 것이다. 화학자들은 그들의 연구에서 이 주기율표를 사용하며, 누구나 창조주 하나님께로부터 온 구조적인 아름다움을 이해할 수 있다.

그 주기율표는 우리에게 많은 것을 말해준다. 가장 중요한 것은 원자의 종류로, 두 개의 문자 심볼로 독특하게 나타내지고, 그것의 어원적 의미(etymology)는 주로 라틴어와 그리스어 약어로 나타내거나, 혹은 그 원소의 발견자로부터 왔다. 그리고 한 원소 Z3의 원자수는 핵의 양성자 수와 동일하다. 그 원자의 무게는 핵에서 발견되는 중성자와 양성자의 총합이다.

   그림 1.

원소주기율표의 구성을 이해하는 것은 벅찬 일처럼 보일지 모르지만, 근본적인 이해는 원자 구조를 이해하고 나면 알 수 있다. 한 원자(atom)는 물질의 최소 단위인데, 그것은 특정 물질의 화학성분 모두를 가지고 있다. 이 물질은 바꾸어 말하면 한 원소(element)로 알려져 있는데, 화학적 수단으로 깨뜨리거나 다른 물질로 바꿀 수 없다. 한 원자의 구조는 핵속의 양성자와 중성자, 그리고 전자껍질(shells)로 알려진 특정 에너지 수준 안에서 핵 주변을 움직이는 전자들로 구성된다.

전자껍질은 또한 근본에너지 수준으로 불리며, K, L, M, 혹은 1, 2, 3으로 나타낸다. 이것은 다시 4개의 전자궤도인 s, p, d, f로 나뉜다(때로는 종속 전자껍질로 부름). 각각은 최대 2개의 전자를 붙잡을 수 있다. 첫 번째 가장 안쪽의 전자껍질 s는 두 개의 다른 전자를 붙잡을 수 있고, 두 번째 전자껍질은 8개(2s2+2pl) 전자를 붙잡을 수 있고, 3번째 전자껍질까지 18개(3s2+3pl+3d10)의 전자를 붙잡을 수 있다. 일반적인 공식은 n번 째 전자껍질은 원칙적으로 2n2의 전자를 잡을 수 있다. 원소의 원자 수가 증가함에 따라서 전자들이 시스템적으로 더해지고, 전자배치 원리(Aufbau principle)로 불리는 양성자가 핵에 더해지는 식으로, 특이적이고 질서정연한 방식으로 궤도에 더해진다. 이것은 일반적으로 바깥쪽을 채우기 전에 전자껍질의 안 쪽을 먼저 채운다. 전자들이 가장 낮은 에너지 공간 궤도를 우선적으로 채운다는 사실은 원소주기율표의 그 원소와 구조의 전자적 원자배열을 결정하는 토대가 된다. 그림 1은 전자껍질을 채우는 순서를 결정하는데 도움을 주는 간단한 도식이다. 이 도식에서 어떤 원자의 전자 배열이 결정될 수 있다. 궤도의 형태는 그림에서 보여주는 것처럼 그들 자신의 특징적인 모양을 가진다.

  그림 2.

주기율표에서, 열 1-7로 나타낸 수평의 주기는 수소(H)와 리튬(Li)으로 시작을 하고, 한 원자 내의 전자껍질의 수를 나타낸다. 수소는 한 개 전자와 한 개 양성자를 지닌 가장 단순한 원자이다. 리튬(Li)은 3개의 전자와 3개의 양성자와 4개의 중성자를 지닌 핵을 가진다. 한 원소의 화학적 성질의 1차적 결정요소는 전자껍질의 균형 혹은 최외각 층 전자이다.

주기율표의 왼쪽 측면에 있는 원자는 그들의 전자를 느슨하게 붙잡고 있는 것 같으며, 반면 오른쪽 측면의 원소들은(비활성 기체들은 예외로 하고[5]) 전자들을 쉽게 유치하여 다른 원소들과 쉽게 결합을 한다. 화학적인 반응이나 결합은 바깥쪽의 전자가 다른 원자와 공유할 때 생긴다. 수소로부터 무거운 원자의 조립은 질량수의 필요에 따라서 핵으로 양이온으로 충전된 양성자, 그리고 중성으로 충전된 중성자로, 하나하나씩 더해져 나간다. 각각의 양성자는 음이온으로 충전된 전자가 더해져 결합이 된다. 이러한 시스템적인 더해짐은 중성적인 원자 충전을 유지시켜, 비슷한 성질의 원소족, 예로써 불소(fluorine)로 시작되는 할로겐(halogens) 같은 족(family)을 만든다.

원자들은 그들의 조합(구성)에서 혼돈스럽지 않으며, 전자들은 전자궤도에 그리고 양성자와 중성자는 핵에 더해지는 방식으로 질서정연하게 배열되어 있다.

한 그룹, 혹은 원소의 족은, 수직 칼럼 1~18의 각각으로 나타나는데, 최외각 층 원자껍질의 전자 수를 가리킨다. 그룹 1을 아래로 내려가면, 수소 밑에 알칼리 금속인 리튬, 나트륨 등이 있으며, 그것은 화학반응의 의미에서 비슷한 화학적 성질을 가진다. 그들은 모두 물과 쉽게 반응하는 연질금속(soft metals)이다. 이것은 그들 모두가 쉽게 소실될 수 있는 하나의 느슨하게 연결된 전자를 가지고 있기 때문이다. 두 번째 그룹은 알카리 토금속(alkaline earth elements)으로 알려져 있는데, 베릴륨(beryllium)으로 시작되며, 쉽게 소실되는 2개의 전자를 가진다. 주기율표의 나머지 오른쪽으로 가로지르는 칼럼의 다른 원소들에 있어서도 동일하게 말할 수 있다. 전자와 원자의 수는 수소(H) Z=1로 시작하며, 가장 무거운 합성 원소인 우측 아래 구석의 Z-116 리버모륨(Lv)로 끝날 때까지 연속적이다. 무거운 합성 원소들은 또한 Z=118까지 발견될 수 있을 것이다.

주기율표 왼쪽의 가장 가벼운 원소로부터, 주기율표 우측의 가장 무거운 원자로 진행하면서, 원소의 어떤 특성은 앞에서 제시한 원소의 특성과 유사하다. 이러한 특성들은 그룹에서 2, 8, 18, 32의 규칙적인 간격으로 나타난다. 예로써 18 그룹의 원소 헬륨은 화학적 성질이 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논과 그 아래의 라돈과 유사하다. 크립톤과 크세논은 일부 화합물을 형성하지만, 불활성 가스로 알려진 그들은 불활성이거나 잘 반응하지 않는다. 그룹 17의 할로겐족으로 불리는 화학 족은 불소(Z=9), 염소(Z=17), 브롬(Z=35), 요오드(Z=53), 그리고 아스타틴(Z=85) 원소로 구성되어 있으며, 매우 활성적이고 전자를 수용함으로써, 그룹 1과 2의 원소들과 쉽게 결합한다.

결론

하나님이 조직하신 우주는 가장 작은 물질 단위인 원자에서조차 찾아볼 수 있다. 그것들은 모든 물질들을 구성하는 기본 빌딩 블록이다. 원자들은 그들의 조합에서 무질서하지 않으며, 전자들은 전자궤도에 더해지고, 양성자와 중성자는 핵에 더해지는 방식으로, 질서 정연하게 배열되어 있다. 이러한 주기적이고 예측 가능한 특성들은 우연히 생겨난 것이 아니라, 질서의 하나님이 창조하셨음을 가리키고 있는 것이다.

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References and notes
1.Garret, A. B., Lippincott, W.T., Chemistry A Study of Matter, Blaisdell Publishing Co., Watham, MA, 1968.
2.Sharpe, M.E., The Soviet Review Translations, Summer 1967, Vol. VIII, No. 2, p. 38, digitalcollections.library.cmu.edu.
3.Z from the German Zahl meaning number.
4.These letters originally came from description of lines in atomic spectra: sharp, principal, diffuse, and fundamental.
5.Noble gases all have filled orbitals and are in a stable configuration.
6.In chemistry, a synthetic element is a chemical element that does not occur naturally but is created artificially.