주기율표의 역사 (1) 원소의 규칙성

 

주기율표의 역사 (1) 원소의 규칙성

 

 

0. 들어가기

  독일의 조셉 폰 프라운호퍼(Joseph von Fraunhofer, 1787-1826)는 군용 망원경을 통해 햇빛 스펙트럼을 관찰하고, 무지개 빛 스펙트럼 속에 다양한 선들이 나타난다는 사실을 알았다. 그는 밤하늘의 별 스펙트럼에서도 비슷한 선들이 나타남을 관찰했는데, 이런 '프라운호퍼의 선'들은 새로운 원소 구별 도구가 되었다.

  19세기 중반까지 알려진 원소는 약 60 가지 정도였는데, 당시 분석 기술로는 광물 속 미량 원소들 스펙트럼까지 밝혀내기는 어려웠다. 그러다 1860년 분젠과 키르히호프의 분광법이 개발되고, 더 많은 종류의 원소 발견를 발견하는 것이 가능해졌다.

분젠과 키르히호프가 만든 최초의 분광기(1860) [출처] https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Kirchhoff-Bunsen.Spectroscope.jpg

  분젠과 키르히호프는 새로운 분광법을 통해 다양한 원소의 스펙트럼을 손쉽게 측정할 수 있었다. 그들은 세슘(₅₅Cs)과 루비듐(₃₇Rb)을 처음으로 검출, 분리하였다. 이후 영국의 크룩스(William Crooks, 1832-1919)는 1861년에 탈륨(₈₃Tl)을, 독일의 화학자 라이히(Ferdinard Reich, 1799-1882)와 리히터(H. T. Richter, 1824-1898)는 1863년에 인듐(₄₉In)을 발견했다.

  발견되는 원소가 늘어감에 따라, 과학자들이 원소의 체계적인 분류법을 고민하는 것은 지극히 자연스러운 일이 되었다.

 

1. 라부아지에의 분류

  근대 최초의 원소 분류는 라부아지에(Antoine-Laurent de Lavoisier, 1743-1749)에 의해 이루어졌다. 라부아지에는 1789년 발표한《 화학 개론, Traité Élémentaire de Chimie 》을 통해 당시 알려진 33종*의 원소를 산소 화합물 성질에 따라 4 그룹(금속과 비금속 원소 포함)으로 구분하였다. 

* 당시 라부아지에가 분류한 원소는 총 33종이지만, 여기에는 빛(light)과 열(heat) 등 현재의 원소 개념에 적합하지 않은 것들과 기술 부족으로 분리할 수 없었던 마그네시아(MgO), 알루미나(Al₂O₃), 실리카(SiO₂) 등의 화합물들도 포함되어 있었다.

라부아지에의 원소 분류 [출처] http://chem125-oyc.webspace.yale.edu/125/history99/2Pre1800/Lavoisier/Nomenclature/Lavoisier_on_Elements.html

  이후 1816년, 프랑스의 물리학자 앙페르(Andre Marie Ampere, 1775-1836)는 라부아지에의 분류법에 린네(Carl von Linne, 1707-1778)의 식물 분류법을 접목한 새로운 방법을 제안했다. 이 방법은 각각의 원소를 마치 식물의 '종(species)'처럼 생각하는 것이었다. 비슷한 '종(원소)'들끼리 모아 '속(genus)'으로 묶고, 비슷한 '속'들은 더 큰 분류 체계인 '과(family)'로 묶었다.

린네의 식물 분류법 :  종 < 속 < 과 < 목 < 강 < 문 <계

  앙페르의 분류법에 따르면, '루콜라이트(Leucolytes)'라는 '과'에 '칼사이드(Calcides)'라는 '속'이 있고, 칼사이드 속에는 바륨(Ba), 스트론튬(Sr), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg) 등의 '종(원소)'이 속한다.

  원소 분류법의 등장은 화학적 유사성이 큰 원소들을 일정 기준에 따라 묶게 하고, 같이 묶인 원소들의 원자량과 성질 사이의 상관관계를 찾게 하는 계기가 되었다.

 

2. 되베라이너의 세 쌍 원소

  비슷한 화학적 성질을 갖는 원소들과 그 원소의 원자량 사이 상관관계를 찾으려 시도했던 최초의 인물은 시인 괴테의 화학 선생으로 알려진 되베라이너(Johann Wolfgang Döbereiner, 1780-1849)다. 그는 1816년, 스트론튬(Sr)의 원자량이 칼슘(Ca)과 바륨(Ba)의 평균값에 가깝다는 것을 알아냈다.

볼프강 되베라이너 (1780-1849)

  또한, 당시 알려지지 않았던 브롬(Br)의 원자량이 염소(Cl)와 아이오딘(I)의 평균값에 가까울 것이라 예상했다. 이후 1826년 베르셀리우스가 발표한 원자량 표에 의해 되베라이너의 원자량 예측이 맞았음이 확인됐다. 

  되베라이너는 1829년, 유사한 성질을 갖는 세 원소 그룹을 더 찾을 수 있다는 주장을 담은 논문을 발표한다. 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K)으로 이루어진 그룹(Alkali-forming Elements), 황(S), 셀레늄(Se), 텔루륨(Te) 그룹(Acid-forming Elements)을 발견하고, 이들 사이 관계를 세 쌍 원소(triads of elements)라 이름 붙였다.

D&ouml;bereiner, J. W. (1829). Versuch zu einer Gruppirung der elementaren Stoffe nach ihrer Analogie. Annalen Der Physik Und Chemie, 91(2),&nbsp; 301&ndash;307.

 

3. 뉴랜즈의 옥타브 규칙

  미국 하버드 대학의 화학 교수 뒤마(Jean-Baptiste Dumas, 1800-1884)와 쿠크(Josiah Parsons Cooke, 1827-1894)는 되베라이너가 찾아낸 원소들 사이의 원자량 관계를 수식화하려는 시도를 하고 있었다. 그리고, 당시 원자량 기준으로 산소(O), 황(S), 셀레늄(Se), 텔루륨(Te) 원자량이 모두 8의 배수임을 알아내었다.

  거의 비슷한 시기에 영국의 뉴랜즈(John Alexander Reina Newlands, 1837-1898)는 1863년부터 1866년까지 논문 몇 편을 발표했는데, 그도 뒤마처럼 원소의 원자량과 화학적 성질 사이 상관관계를 연구했다. 그리고 역시, 성질이 비슷한 원소들의 원자량 차이가 8의 배수라고 결론 내렸다. 그리고 이 원소들을 순서대로 나열하려는 시도를 했다.

존 뉴랜즈 (1837-1898)

  이후 뉴랜즈는 원소들을 원자량 순서대로 나열하면 피아노의 옥타브처럼 어떤 원소로부터 여덟 번째 오는 원소 성질이 처음 원소와 비슷하다는 것을 알아냈다. 뉴랜즈는 이를 '옥타브 법칙(Law of octaves)'이라 이름 붙였다.

뉴랜즈의 원소표 (1866)

  뉴랜즈의 원소표는 현대 주기율표의 시작과도 같지만, 당시 과학자들에게는 감명을 주지 못했다. 당시 발견되지 않았던 원소들로 인해 맞지 않는 부분이 여럿 있었고, 영국 왕립화학회의 여러 화학자들은 "아무렇게나 배열해도 우연의 일치는 있을 테니 원소들을 알파벳 순서대로 배열해보는 것은 어떠한가?"라며, 조롱하기도 했다. 이러한 혹평으로 인해 의기소침해진 뉴랜즈는 더 이상 연구를 진행하지 않았다.

  그러나, 이후 등장한 멘델레예프의 주기율 법칙이 인정(1882) 받으면서 자연스레 과거의 뉴랜즈 연구가 재조명되었고, 결과적으로는 왕립화학회 메달(Davy Medal)을 수상(1887)하였다.

 

 

'주기율표의 역사 (2) 멘델레예프의 주기율 법칙에서 계속 …

 

 

---

[참고한 글]

* John Hudson(고문주 옮김), The History of Chemistry(화학의 역사), 북스힐

 

* 2021-08-28 추가

https://stachemi.tistory.com/243

주기율표의 역사 (2) 멘델레예프의 주기율 법칙