용어사전(공통성을 가진 원소)

읽을거리

리튬

세슘과 루비듐

염소

플루오르

나트륨

수은

인간과 물

리튬

주기율표 제1족의 첫머리에는 리듐이 놓여 있다. 이 원소는 1817년 스웨덴 학자 알페르손이 발견하였다. 엽장석이라는 광물을 연구하고 있었던 알페르손은 분석을 끝마치고 매개 성분들의 비율을 전부 합해 보았더니 분량이 처음 물질의 96%밖에 되지 않았다. 그는 실험 착오로 생각하고 여러 번의 실험을 다시 해왔지만 결과는 마찬가지 였다. 그리하여 알페르손은 "이 원인은 내가 연구하고 있는 광물에 아직 알려지지 않은 원소가 포함되어 있으며 잃어버린 4%는 그 원소가 차지하고 있을 것이다"라고 가정하였다.그리고 더욱 자세히 엽장석을 분석함으로써 새로운 원소인 리듐을 발견하였다. 그 원소는 일련의 화학적 성질이 나트륨이나 칼륨과 비슷하였으나 황산염용액을 만들 때에는 여러 가지 성질에서 뚜렷한 차이가 나타났다. 예를 들면 이 원소의 황산염의 물에 대한 용해도는 나트륨이나 칼륨의 황산염보다 약 6.5배 작았다. 알페르손이 이 성질을 이용하여 비로소 새 원소의 황산염을 분리해냈던 것이다. 리듐은 돌을 의미하는 그리스어 '리토스'에서 나온 말이다. 리듐은 비중이 0.53이다. 물의 무게 절반밖에 안되는 가벼운 은백색 금속이다. 리듐은 금속 중에서 가장 가볍다. 예를 들어 리듐의 비중은 알루미늄 비중의 5분의 1밖에 안된다. 그러므로 리듐은 나무와 같이 물에서 뜨며 심지어 등유에서도 뜬다. 그러나 리듐은 물과 작용하여 곧 산화리듐으로 되기 때문에 물에 넣어서는 안 되며 공가 중에서는 산회되어 표면이 흐려진다.

세슘과 루비듐

세슘은 재미있는 성질이 있다. 이 원소는 사람의 손바닥에서도 녹는다. 금속 중에서 가장 낮은 녹는 점을 가지고 있다.그러나 금속의 일반적인 성질을 모두 갖추고 있다. 세슘은 대단히 활성이 강해서 공기 중에서도 불붙으며 심지어 얼음과도 반응한다. 그러므로 세슘은 자연계에서는 유리상태로는 있지 못하며 대단히 널려 있다. 지각의 함량은 0.0007%이다. 이러한 이유로 보통 화학적 방법으로 세슘을 발견해 낼 수 없는데, 1859년에는 독일 학자 분젠과 킬호프가 스펙트럼 분석을 발명함으로써 이 난관은 극복되었다. 스펙트럼 분석은 대단히 예민하기 때문에 극히 적은 양이 포함되어 있는 성분도 알아낼 수 있다. 분젠이 하이델베르크 대학에 초정되어 그곳에 머무르는 1854년 하이델베르크에 가스공장이 세워져 분젠의 연구실에도 가스가 들어오게 되었다. 그 때문에 가스버너를 설치할 필요가 생겼고 분젠은 여러 가지 구조의 버너를 실험해 보았으나 어느 것도 만족스럽지 못했다. 그래서 자신이 새로운 가스버너를 발명하였고 버너에 칼륨, 바륨, 나트륨 등을 집어 넣어 불꽃색을 관찰하기도 하였다. 불꽃의 스펙트럼을 잘 관찰 할 수 있기 위해 분젠과 킬호프는 분광기를 만들어 순수한 원소를 가려낼 수 있었다. 우연한 기회에 분젠은 두르크하임의 온천의 약수를 얻어 이것을 연구 했으며 연구결과 두르크하임의 약수에 있는 새로운 원소인 푸른 빛의 세슘과 제비꽃색의 루비듐을 발견했다.

염소

염소 화합물은 사람이 살아가는 데 매우 중요한 물질 이어서 먼 옛날부터 이용되어왔다. 그렇지만 원소가 발견된 지는 그다지 오래 되지 않았다. 1684년 독일 화학자 요한 글라우버는 젖은 소금을 숯과 함께 가열하여 얼마간의 기체를 얻고 그것을 응축시켜 강산을 만들었다. 그는 이것을 '소금의 정액'이라고 불렀다. 1772년에 프리스틀리는 소금의 정액에 대하여 연구하고 그것을 염산이라고 불렀다. 그러나 그때까지는 그 누구도 염소를 유리시키지 못했다. 1774년에야 셸레가 염소를 유리시키는 데 성공하였다. 셸레는 염산에다 납망간광을 섞고 가열하여 황록색의 기체를 얻었던 것이다. 이것이 바로 염소 기체였다. 염소는 자연계에 무게로 약 0.045%나 포함되어 있지만 활성이 강하기 때문에 유리상태로 있지 못한다. 자연계에서 염소의 가장 중요한 화합물은 소금이다. 소금은 수천 년 전부터 사람들이 음식물을 만들고 저장하는 데 사용하였다. 우리 선조들은 고조선시대에 소금과 철을 생산하였고 물고기를 소금에 절였다고 기록되어 있다. 염소의 또 하나의 중요한 화합물은 염화수소이다. 염화수소는 소금에 황산을 작용시키고 가열하면 얻을 수 있다. 소금을 전기분해하여 가성소다를 만들 때 부산물로 만들 수도 있다. 염화수소는 염화비닐합성에서 기본 원료로 쓴다. 염산은 화학공업, 식료품공업 등에서 많이 쓰이고 있다. 염소는 독가스를 만드는데도 쓰인다. 염소가스는 몹시 자극성이 있고 그 기체를 호흡하면 참을 수 없이 기침이 나고 가슴이 답답하며 숨이 막한다. 그리고 공기 보다 거의 2.5배 무겁기 때문에 지표면에 낮게 떠돈다. 염소는 할로겐족 원소 중에서 가장 중요한 원소이다. 그 것은 위에서 이야기한 외에도 의약품 공업, 무기와 유기합성공업, 농약 제도, 합성수지 공업 등에 많이 쓰인다.

플루오르

플루오르는 벌써 16세기에 알려졌다. 즉 1529년에 아그리콜라는 형석에 대하여 이야기하면서 이 물질을 야금공업에서 융제로 사용할 수 있다는 것을 이야기하였다. 1771년에 프리스틀리와 셸레가 서로 독립적으로 플루오르화수를 만들어 냈다. 그후 암페아는 염산과 플루오르화수소산이 서로 비슷하지만 그것은 염소와는 다른, 아직 알려지지 않은 어떤 원소와 수소의 화합물이라는 것을 밝혀냈다. 1810년에 데이비는 플루오르화수소를 전기분하여 플루오르를 얻으려다가 은과 백금으로 만든 실험장치만 못쓰게 만들고 자신도 몹시 중독되었을 뿐 성공하지 못했다. 그러나 학자들은 이런 곤란에도 굴하지 않았고 1886년에 프랑스 학자 무아상이 드디어 플루오르를 얻어내고 말았다. 플루오르(F)는 할로겐 원소의 첫머리에 놓여 있다. 따라서 플루오르는 어느 할로겐 원소보다도 활성이 강하며 거의 모든 금속과 대부분의 비금속 원소들과 직접 화합한다. 그러나 구리, 니켈, 마그네슘, 기타 금속들과 작용하면 표면에 플루오르화물의 얇은 껍질이 생겨서 더 작용하지 못하게 보호하므로 습기가 없다면 안정하다. 그러나 비금속, 규소, 인, 유황, 숯 등과 작용할 때에는 기체 물질이 생기므로 반응은 계속된다. 그리고 수화 화합물, 예컨대 물과 작용하면 수소를 배앗고 유리시키면서 불붙는다. 플루오르는 지각에 0.027%가 포함되어 있는데 다른 할로겐 원소들과는 달리 대부분 육지에 있다. 동물들에서는 털, 뼈, 이 등에 포함되어 있으며 동물이나 사람들에게 반드시 필요한 원소이다. 플로오르의 화학기호는 라틴어 '플루울'에서 나왔다. 이것은 '흐른다'라는 뜻인데 중세기 야금등들이 형석을 유제로 써서 광석을 쉽게 녹도록 하였기 때문에 이러한 이름을 달게 되었다.

나트륨

처음에 나트륨과 칼륨의 화합물은 서로 구별되지 못하였다. 1702년에 와서 '연소설'의 창시자 슈탈이 처음으로 소금을 이루고 있는 물질을 '나트라', 포타슈를 이루고 있는 물질을 '칼리'라고 나누어서 부르기 시작하였다. 나트륨 원소를 발견한 사람은 데이비였다. 데이비는 가성칼리의 분해에 성공하자 곧 또 하나의 가성알카리인 가성소다의 연구에 몰두했다. 그리하여 이것을 전류에 분류하는 데 성공하였다. 그리고 그것은 가성칼리와 마찬가지로 복합 물질이었던 것이다. 그리고 그것은 가성칼리와 같이 산소, 수소와 또 하나의 알지 못하는 금속으로 이루어졌다는 것을 알았다. 이 두 번째 금속이 바로 나트륨이다. 나트륨 금속은 놀랄만큼 칼륨과 비슷하다. 그것은 칼륨보다 조금 무겁기는 하나 역시 대단히 가볍고, 은색 광택을 내며 칼륨보다 조금 굳었긴 했지만 역시 칼로 쉽게 베어낼 수가 있다. 나트륨은 로켓 엔진, 원자반응기 등을 냉각한는 데 적합한 물질이다.

수은

수은은 아주 독성이 강한 중금속 중의 하나로써 체내에 축적되어 신경계통에 심각한 영향을 미친다. 그러나 수은의 독성은 수은원소의 물리, 화학적 상태에 따라 크게 다르다. 순수한 금속성 수은은 독성이 그리 크지 않다고 알려져 있다. 사실상 소량의 수은을 섭취하면 나쁜 효과가 눈에 띨 만치 나타나지 않는다. 금속수은은 분명 어떠한 화학적 변화도 거치지 않고 몸을 통과함이 분명하다. 그러나 위험한 것은 수은증기이다. 수은증기는 폐조직을 자극하고 파괴시키기 때문에 매우 위험하다. 수은은 보통의 온도에서 10^-3torr의 증기압을 갖고 온도에 따라 증기압은 크게 증가한다. 이러한 수은 증기에 장기간 노출되면 아주 위험하다. 수은은 형광등(수은증기), 도료(주홍빛의 주사라는 화합물, 황과 수은의 화합물), 수은온도계, 압력계, 혈압계 등 가정이나 실험실에서 아주 많이 사용되며 이들이 깨져 수은이 퍼지는 일이 종종 일어난다. 따라서 아주 주의깊게 다루어야 한다. 예를들어 3ml정도의 수은이 큰 방에 퍼지게 되면 1주일 이내에 이 방을 수은 증기로 포화시키게 되며 이럴 경우에 이 방은 폐쇄되어야 한다. 바닥에 흩어진 수은은 바닥의 틈새로 아주 작게 쪼개져 들어가 버리기 때문에 완전히 회수하는 것은 거의 불가능하다. 통상적인 처리 법은 황가루로 수은을 덮는 것이다. 이는 수은의 표적을 감소시킴으로써 증기화 속도를 늦추고 또한 서서히 해가 없는 황화수은으로 변하게 하기 때문이다.

멘델예프의 생애

러시아의 화학자 멘델예프의 17명의 형제들 중 막내로 태어나 시베리아의 토볼스크에서 자랐다. 멘델예프가 어릴 때 시골학교의 교사였던 그의 아버지가 실명하고 가족을 부양하던 어머니의 사업마저 화재로 몰락하여 그는 어린 시절의 대부분을 경제적인 어려움 속에서 보내야 했다. 그러나 이미 독립한 형제들의 도움으로 레닌그라드 대학의 과학부에 진학하여 수석으로 졸업하였고, 프랑스와 독일에서 대학원 공부를 계속하였다. 외국에서 대학원을 마친 그는 1866년에 존경받는 과학자가 되어 러시아로 돌아가서는 그의 모교인 레닌그라드 대학의 교수가 되어 제자들을 가르치는데 힘을 기울였다. 기존 교과서에 불만을 품고 있었던 그는 1870년에 '화학의 원리'라는 새로운 책을 출판하였다. 이 책에 관련된 자료를 연구하는 동안 그는 화학 원소의 성질들 사이에는 규칙성이 있음을 알았고, 다른 원소와의 관계도 조사하였다. 그 당시 알려져 있던 63개의 원소를 원자량 순으로 나열하여 주기율표를 만들었다. 그는 원소들의 성질이 주기적으로 나타난다는 사실과 원소의 원자량이 규칙적으로 증가한다는 것을 지적하였으며, 주기율표에 빈 자리를 미리 만들어 둠으로써 앞으로 새로이 발견될 원소를 미리 암시하였던 것이다. 그의 연구로 화학자들은 화학적 성질과 물리적 성질이 모두 비슷한 원소들의 '족'을 알아낼 수 있었고, 족에서 채워지지 않는 빈 칸을 남겨두어 그 때가지 발견되지 않은 어떤 원소를 예측하게 하였다. 멘델예프의 연구로 밝혀진 원자량이 기본적인 중요성은 물리학자들로 하여금 원자 구조를 새로이 탐구하도록 하고, 물질의 성질을 결정하는데 있어 획기적인 역할을 하였다.

염소를 좋아하는 발암 물질

물은 생명을 유지하는 데 있어 필수적인 물질로서, 생명체 내에서 일어나는 모든 화학 반응은 예외 없이 물에서 일어난다. 그러나 우리가 마시는 물에는 기생충이나 박테리아와 같은 병원 미생물이 살고 있는데, 이러한 미생물을 없애기 위해서는 보통 염소 기체를 사용하며, 가정의 수도꼭지를 통하여 나오는 물 속에는 잔류 염소의 농도가 0.2mg/L(ppm) 정도 유지되도록 염소를 주입하고 있다, 그러나 이러한 염소가 제대로 제거되지 않을 경우, 염소 이온이 물 속에 있는 다른 물질과 반응하여 배수지나 물 탱크 내에서 THM(Tri-halo Methane) 과 같은 유해 염소 화합물이 생성될 수 있는데, 이것은 암을 유발할 수 있는 물질로 독성이 매우 강하다. 따라서, 우리 나라처럼 수돗물에 염소를 사용하는 곳에서는 반드시 물을 끓여 먹어야 한다. 왜냐하면 THM은 끓는점이 낮아서 물이 끓으면 날아가기 때문이다. 그러므로 물을 끓일 때에는 뚜껑을 열어 놓아야 한다. 또한 염소는 피부 표피의 지방을 제거하기 때문에 피부 수분의 발산이 심하여 피부가 건조해지기 쉽다. 따라서 염소는 피부 건조증이나 피부가 가려운 피부 소양증을 일으킬 수 있고 심하면 습진을 유발하기도 한다. 그러므로 수영 후에는 반드시 맑은 물로 몸을 깨끗이 씻어야 한다.

정보화 시대를 이끌어 가는 게르마늄

멘델예프는 원자량 70의 자리에 들어갈 미발견의 원소를 에카규소라고 이름을 붙이고, 표-a와 같은 성질을 가질 것이라고 자세하게 예언하였다. 뿐만 아니라 이 원소를 어디에서 찾을 것인가 하는 것까지도 예언하고 자신이 이 원소를 찾아내려고 열심히 연구하였다. 실제로 에카규소에 해당하는 원소는 독일의 빙클러에 의하여 1886년에 발견되었다. 그는 이 원소를 자기의 조국인 독일(당시에는 게르마니아라고 불렀다)을 기리기 위하여 게르마늄이라고 발표하였다. 게르마늄의 성질은 멘델예프가 예언한 에카규소의 성질과 놀랄 만큼 비슷했다. 실물을 한 번도 본 일이 없는 그가 이와 같이 실제와 거의 같게 성질을 예언한 것은 정말 놀라운 일이다.

[표-a] 멘델예프가 예언한 에카규소와 게르마늄의 성질

구분	에카규소(Es)	게르마늄(Ge)
원자량	72	72.5
비중	5.5	5.4
산화물	EsO₂	GeO₂
산화물의 비중	4.7	4.23
염화물	EsCl₄	GeCl₄
염화물의 비중	1.9	1.84
염화물의 끓는점	100℃ 이하	84℃

게르마늄은 지각에 약 0.007%정도 포함되어 있는 회백색의 금속으로 단단하면서도 부스러지기 쉬운 금속이다. 녹는점은 938℃, 끓는점은 2,700℃이며, 전기를 잘 통하지 않는 전기의 부도체이다. 그러나 빛이나 열을 받으면 전기가 흐르기 때문에 오늘날 규소와 함께 반도체 소재로 이용되고 있다. 반도체가 등장하기 전, 진공관을 사용한 최초의 컴퓨터는 큰 건물 하나를 모두 차지할 정도로 부피가 컸다. 그러나 요즘 반도체 소자를 이용한 노트북과 같은 컴퓨터는 책 한 권 정도의 부피와 무게를 가질 만큼 작고 가벼워 들고 다니면서 이용할 수 있게 되었다. 또한 손톱만한 크기의 반도체 집적 회로(IC)가 개발되어 전자 산업의 발전과 더불어 그 용도가 다양화되어 라디오, 텔레비젼, 태양 전지, 전자 계산기, 자동 제어 장치, 우주 항공용 로켓의 조정 및 통신 장치 등에 폭넓게 쓰이고 있다. 수십 Km 밖에 있는 비행기의 위치를 정확히 알아내고 빙산의 이동이나 바다속의 암초, 잠수함의 위치 등을 찾아내며, 달의 거리까지도 측정 할 수 있는 전파 탐지기도 게르마늄의 도움을 받고 있다. 게르마늄은 앞으로 우주를 정복하려고 할 때 꼭 필요한 물질이 될 것이다. 우리가 사는 지구상에서 우주 비행선이나 우주 정거장을 조정하려면 게르마늄 합금으로 만든 반도체 재료들이 있어햐 한다. 또한 앞으로 게르마늄 정류기를 따로 설치하지 않아도 매우 편리하게 다닐 수 있으며, 많은 전기를 절약할 수 있게 될 것이다. 이와 같이 게르마늄은 앞으로 지동화 시대를 여는데 선도적 역할을 하는 소재로 각광받게 될 것으로 기대된다.

원소 분류 체계의 변천

원소들이 발견되어 그 종류가 많아지자, 화학자들은 원소들 중에는 비슷한 성질을 가진 것을 알게 되었다. 1817년 독일의 화학자 되베라이너는 당시에 발견된 여러 가지 원소 중에서 칼슘, 스트론튬, 바륨이 화학적으로 매우 비슷한 성질을 가진 사실을 발견하였다. 또한, 그는 스트론튬의 원자량이 칼슘과 바륨이 가지는 원자량의 중간값을 가진다는 것도 알게 되었다. 그 후에도 그는 염소, 브롬, 요오드 그리고 리튬, 나트륨, 칼륨도 각각 비슷한 성질을 가지고 있음을 발견하였다. 이와 같은 세쌍 원소에 속하는 원소는 당시 알려진 원소들 가운데 극히 일부였지만 원소들간의 관계가 각 원소들의 원자량과 관련이 있다는 것을 알아 내는 데 중요한 기여를 하였다. 이 후 19세기 중엽에 이르러 과학자들은 원소의 성질과 원자량 사이에 어떤 관계가 있는지를 찾기 시작하였다. 1863년 영국의 화학자 뉴렌즈는 당시까지 알려진 원소들을 원자량 순소로 배열하여 여덟 번째마다 성질이 비슷한 원소가 온다는 '옥타브설'을 제안하였다. 앞에서 학습한 멘델예프의 주기율표에는 당시까지 알려진 원소가 60여 종의 원소밖에 없어서 주기율표에 빈 자리가 있었으나, 주기율표의 위치로부터 빈 자리의 원소의 성질을 정확히 예측하였던 것이다. 그 후 많은 연구자들이 이 주기율표를 이용하여 그 때까지 발견되지 않았던 원소들을 대부분 찾아낼 수 있었는데, 그 후에 실제로 발견된 원소들의 성질이 예측과 거의 일치함을 알 수 있었다. 이 후 모즐리에 의해 원자 번호에 따라 원소의 주기적 성질이 보다 정확히 나타나는 사실이 발견되어 오늘날의 주기율표가 만들어졌다.

인간과 물

사람들은 매일 같이 땀과 오줌으로 하루에 약 2L의 물을 몸 밖으로 내보내고 있다. 따라서, 다시 그 만큼의 물을 외부로부터 보충해야 한다. 사람이 태어나서 생명을 유지하기 위해서는 반드시 물을 마셔야 한다. 음식물은 먹지 않고서도 약 50~60일 까지는 살 수 있지만, 물을 마시지 않고는 5일 내지 10일을 넘길 수 없다, 우리가 매일 수돗물을 통해서 얻어지는 물은 원래 어디에서 오는 것일까? 강이나 호수 바다에 있는 물은 태양열에 의해 증발되어 대기 중에 흩어지며, 이 수증기들이 높이 올라가 기온이 내려가면 응축되어 구름이 된다. 이구름을 이룬 물방울들이 비가 되어 지상에 떨어져 강이나 바다로 가고 또는 직접 강이나 바다에 떨어지기도 하며, 일부는 지하에 스며들어 지하수를 이룬다. 우주 탐사선을 타고 오랫동안 우주 탐사 여행을 하는 우주인들은 많은 양의 물을 필요로 한다. 그러나 우주인들은 우주선에 물은 전혀 싣지않고 대신 로켓에 있는 두 개의 엔진 연료 탱크에 액체 수소와 액체 산소를 가득 채우고 우주 여행을 떠난다. 그러면 이들은 왜 액체 수소와 액체 산소만을 가지고 갈까? 물은 어떻게 공급받는 것일까? 액체 수소는 로켓의 연로로 사용하며, 연소 후 음료수로 쓸 수 있는 순수한 물이 다량으로 생성된다. 2H₂ + O → 2H₂O 이 때, 액체 산소는 수소의 연소에 조연제로 이용되며, 우주인들의 호흡용으로 쓰인다. 이와 같이, 우주 탐사선에서는 로켓 엔진의 추진 연료로 사용한 액체 수소를 이용하여 우주인들이 필요로 하는 물을 자체에서 만들어 사용하고 있다.