멘델레예프의 꿈: 주기율표는 어떻게 탄생했는가

1869년 겨울, 헝클어진 수염으로 유명한 러시아의 한 화학 교수가 상트페테르부르크의 책상 앞에 앉아 손수 만든 카드 한 벌을 이리저리 섞고 있었다. 그는 카드마다 화학 원소의 이름과 함께 그 원자량, 그리고 알려진 몇 가지 성질을 적어 두었다. 드미트리 멘델레예프는 학생들을 위한 교과서를 쓰려던 참이었는데, 수십 년 동안 화학자들을 곤혹스럽게 했던 문제에 부딪혔다. 알려진 원소는 예순 개가 넘었고 저마다 독특한 성질을 지녔지만, 그것들이 왜 그렇게 행동하는지 아무도 설명하지 못했던 것이다. 그는 솔리테어 카드 게임을 하듯 카드들을 펼쳐 놓고, 혼돈 속에 숨겨진 어떤 질서를 찾아 몇 번이고 다시 배열했다.

훗날 그가 들려준 이야기에 따르면, 멘델레예프는 책상에서 잠이 들었고 꿈속에서 그 답을 보았다고 한다. 모든 원소가 제자리를 찾아 들어가는 표였다. 그 꿈이 문자 그대로의 진실이든 깔끔하게 다듬어진 전설이든, 결과만큼은 진짜였다. 잠에서 깬 그는 머지않아 과학을 통틀어 가장 강력한 정리 도구 가운데 하나가 될 배열을 스케치했다. 가장 대담한 부분은 그가 무엇을 넣었느냐가 아니라 무엇을 비워 두었느냐였다. 멘델레예프는 자신의 표에 일부러 빈칸을 남겨 두었고, 그런 다음 거의 어떤 과학자도 감히 하지 않는 일을 했다. 한 번도 발견된 적 없는 원소들의 성질을 세세하게 예측한 것이다.

패턴 이전의 수수께끼

1860년대에 이르러 화학은 틀 없는 사실들 속에 잠겨 있었다. 화학자들은 철과 구리 같은 익숙한 금속부터 최근에 분리해낸 별난 물질들까지 약 예순세 개의 원소를 알고 있었다. 그들은 각 원소의 원자량, 즉 수소를 기준으로 한 원자의 상대적 질량을 측정할 수 있었고, 각 원소가 산소, 염소, 물과 어떻게 반응하는지 목록으로 정리할 수 있었다. 그러나 원소들은 제각기 다른 성격을 지닌 무작위 집합처럼 보였다. 나트륨은 물속에서 격렬하게 거품을 일으켰고, 금은 수 세기 동안 꿈쩍도 하지 않은 채 가만히 있었으며, 염소는 황록색 기체가 되어 폐를 옥죄었다.

여러 사상가는 어딘가에 발견되기를 기다리는 구조가 있다고 직감했다. 독일의 화학자 요한 되베라이너는 염소, 브로민, 아이오딘처럼 가운데 원소의 질량이 나머지 둘의 평균에 가까운 세 원소의 묶음, 곧 "삼조원소"에 주목했다. 영국에서는 존 뉴랜즈가 "옥타브의 법칙"을 제안하며, 음계의 음들처럼 성질이 여덟 번째 원소마다 되풀이되는 것 같다고 관찰했다. 그의 동료들은 그를 비웃으며 회의장에서 쫓아냈는데, 한 사람은 원소들을 알파벳 순으로 배열해 보지 그러냐고 빈정대기까지 했다. 직관은 옳았지만, 그것을 뒷받침할 도구가 아직 준비되지 않았던 것이다.

멘델레예프의 통찰: 질량으로 정렬하고, 행동으로 묶다

멘델레예프를 남다르게 만든 것은 두 단서를 동시에 진지하게 받아들였다는 점이다. 그는 다른 이들이 시도했던 것처럼 원소를 원자량이 커지는 순서로 배열하면서도, 화학적 가족, 즉 비슷하게 행동하는 원소 무리에도 똑같이 주목했다. 리튬, 나트륨, 칼륨은 모두 무르고 반응성이 큰 금속이었다. 플루오린, 염소, 아이오딘은 모두 공격적인 비금속이었다. 멘델레예프의 표는 원소를 질량에 따라 가로줄로 배치하는 한편, 화학적으로 비슷한 원소들을 세로줄로 쌓아 올렸다.

그 천재성은 두 규칙이 충돌할 때 일어난 일에 있었다. 그가 카드를 질량 순으로 내려놓자, 화학적 가족들이 일정한 간격마다 거듭 나타났다. 성질이 주기적으로 되풀이되었던 것이고, 바로 여기서 주기율표의 "주기"라는 말이 나왔다. 핵심 원리는 이것이다. 원소의 특성은 그 원자량의 주기 함수다. 일정한 수의 원소를 지나면, 마치 일주일의 요일처럼 행동의 패턴이 다시 돌아온다. 멘델레예프는 단지 원소를 정렬한 것이 아니라, 그 아래에서 작동하는 자연의 법칙을 들춰낸 것이다.

빈칸을 남기는 용기

대부분의 화학자라면 여기서 데이터를 억지로 끼워 맞췄을 것이다. 엄격하게 원자량 순으로 배열하면, 몇몇 원소는 아무 공통점도 없는 이웃 옆에 놓여 엉뚱한 가족에 들어가게 된다. 게으른 해결책은 어깨를 으쓱하며 그 엉망인 상태를 받아들이는 것이었다. 멘델레예프는 거부했다.

어떤 원소가 엉뚱한 세로줄에 떨어질 위기에 놓이면, 그는 거짓말을 하는 것은 원소가 아니라 표라고, 그러니까 그 순서에서 빠진 미발견 원소가 분명히 있을 것이라고 추론했다. 그래서 그는 빈칸을 하나 남겨 두고, 어긋난 원소를 더 뒤쪽의 제 가족 자리로 옮겨 놓았다. 그의 도박은 이것이었다. 이 빈 칸들은 오류가 아니라 예약석이며, 자연에는 존재하지만 아직 어떤 실험실에서도 찾아내지 못한 원소들을 위해 남겨 둔 자리라는 것이었다. 구멍이 숭숭 뚫린 표를 발표하면서 화학이 언젠가 그 구멍들을 채울 것이라고 주장하기란 보통의 자신감으로는 어림없는 일이었다. 그의 동료들 대부분에게 그 빈칸들은 결함처럼 보였다. 멘델레예프에게 그것은 핵심 그 자체였다.

보이지 않는 것을 예측하다

그 빈 칸들 덕분에 멘델레예프는 영리한 분류를 예측의 개가로 바꿔놓을 일을 해낼 수 있었다. 원소의 성질은 그 위치에 의해 결정되므로, 그는 빈칸을 좌표처럼 읽어낼 수 있었다. 한 원소의 이웃, 즉 위, 아래, 왼쪽, 오른쪽에 놓인 원소들이 그 원소를 단서로 에워쌌고, 그 성질들의 평균을 내면 누구도 손대 본 적 없는 원소를 미리 묘사할 수 있었다.

그의 가장 유명한 예측은 규소 아래의 빈칸에 관한 것이었다. 멘델레예프는 그 자리에 "에카규소"라는 이름을 붙였는데, 대략 "규소 다음의 하나"라는 뜻이었고, 이를 놀라우리만큼 상세하게 묘사했다. 그는 원자량이 72에 가깝고 밀도가 세제곱센티미터당 5.5그램쯤 되는 회색빛 금속이며, 특정 조성을 지닌 산화물과 염화물을 만들 수 있고, 심지어 분광 분석을 통해 발견되리라고까지 예측했다. 그 보상은 이렇게 돌아왔다. 1886년, 독일의 화학자 클레멘스 빙클러가 새로운 원소를 분리해냈고 그것을 저마늄이라 이름 붙였다. 측정된 그 성질은 멘델레예프의 예측과 놀라울 만큼 정확하게 일치했는데, 밀도는 약 5.35, 원자량은 72.6에 가까운 값까지 맞아떨어졌다. 그는 "에카알루미늄"과 "에카붕소"라는 다른 두 미발견 원소도 예측했는데, 이들은 각각 갈륨(1875년 발견)과 스칸듐(1879년 발견)으로 밝혀졌다. 세 번의 예측, 세 번의 확증. 그 표는 단순한 서류함이 아니라, 아직 탐험되지 않은 영토의 지도였다.

만든 이를 넘어 자라난 표

멘델레예프의 배열은 걸작이었지만 최후의 결론은 아니었고, 그도 자신의 체계에 풀리지 않은 매듭이 있다는 것을 알고 있었다. 몇몇 원소는 원자량만으로는 정당화할 수 없는 자리에 앉은 채 끝내 고집스럽게 따르기를 거부했다. 이를테면 텔루륨은 아이오딘보다 무겁지만, 그 화학적 성질은 텔루륨이 먼저 와야 한다고 요구한다. 멘델레예프는 원자량이 그저 잘못 측정된 것이라고 생각했다. 그가 진짜 이유를 몰랐던 것은 용서받을 만한 일이었는데, 그 설명은 원자 자체의 내부, 곧 수십 년 뒤에야 발견될 입자들 속에 있었기 때문이다.

더 깊은 진실은 20세기 초에 찾아왔다. 1913년, 젊은 영국 물리학자 헨리 모즐리는 원소의 자리를 진정으로 좌우하는 성질이 그 질량이 아니라 원자 번호, 즉 핵 속 양성자의 개수임을 보여주었다. 원소를 질량이 아니라 원자 번호 순으로 배열하면, 텔루륨과 아이오딘을 포함한 모든 고집스러운 예외가 깔끔하게 제자리에 들어맞는다. 모즐리의 연구는 멘델레예프의 빛나는 근사를 정확한 법칙으로 탈바꿈시켰다. 또한 멘델레예프가 전혀 예상하지 못했던 가족도 통째로 있었다. 헬륨, 네온, 아르곤 같은 비활성 기체로, 1890년대에 발견되어 완전히 새로운 세로줄로 끼워 넣어졌다. 이 뜻밖의 무리는 표를 무너뜨리기는커녕 너무도 깔끔하게 들어맞아, 그 밑바탕에 깔린 패턴의 새로운 증거가 되었다.

그것이 여전히 화학을 지배하는 이유

한 세기 반이 넘게 지난 지금도 주기율표는 지구상 거의 모든 화학 교실 벽에 걸려 있으며, 단순한 암기용 도표를 훨씬 뛰어넘는 존재로 남아 있다. 그 배치에는 물질이 어떻게 행동하는지를 설명하는 가장 깊은 논리가 새겨져 있다. 같은 세로줄에 있는 원소들은 바깥쪽 전자 배열을 공유하며, 그래서 비슷한 방식으로 반응한다. 한 가로줄을 가로질러 보면, 원자가 왼쪽의 반응성 큰 금속에서 시작해 중간 성질을 거치는 전이를 지나, 오른쪽의 반응성 큰 비금속과 비활성 기체로 옮겨가는 모습을 볼 수 있다. 이 표 덕분에 화학자는 어떤 원소의 주소를 한눈에 훑어보고 그것이 어떻게 결합할지, 그 이온이 어떤 전하를 띨지, 그리고 어떤 원소와 친해지거나 맞붙을지를 추론할 수 있다.

이 표는 또한 멘델레예프가 의도했던 그 정신 그대로 계속 자라났다. 현대판은 확인된 원소 118개를 담고 있는데, 그중 가장 무거운 것들은 자연에 존재하지 않으며 입자 가속기에서 원자 하나하나씩 만들어진 것이다. 101번 원소는 그를 기려 멘델레븀이라 이름 붙여졌으니, 화학에게 아직 보지 못한 것을 예측하는 법을 가르친 사람에게 어울리는 헌사였다. 1869년 이후 발견되거나 합성된 모든 새 원소는 그가 손수 만든 카드 한 벌로 스케치한 그 패턴 안에서 제자리를 찾았다. 그토록 오래가고, 그토록 예측력이 뛰어나며, 그토록 아름답게 단순한 과학적 발상은 좀처럼 없었다.

핵심 요점

드미트리 멘델레예프의 주기율표가 오래도록 살아남은 것은 과학에서 좀처럼 보기 드문 일을 해냈기 때문이다. 서로 동떨어진 사실들의 엉킨 실타래를 예측 가능한 법칙으로 바꿔놓은 것이다. 그는 원소를 정렬하고 화학적 가족으로 묶음으로써 그 성질이 주기적으로 되풀이된다는 사실을 드러냈으며, 표의 빈칸들을 실수가 아니라 약속으로 다룰 용기를 지녔다. 갈륨, 스칸듐, 저마늄처럼 미발견 원소에 대한 그의 상세한 예측은 그의 생전에 실현되어, 그 표가 자연 그 자체를 들여다보는 창임을 입증했다. 훗날 헨리 모즐리의 연구는 정렬 원리를 원자량에서 원자 번호로 다듬었고, 비활성 기체라는 뜻밖의 발견은 그 패턴의 견고함을 확인해 주었을 뿐이다. 1869년 어쩌면 꿈에서 본 카드 배열에서 오늘날의 원소 118개에 이르기까지, 멘델레예프의 통찰은 우주가 처음에는 아무리 혼란스러워 보일지라도 발견되기를 기다리는 패턴 위에 세워져 있음을 가장 명료하게 보여주는 증거로 남아 있다.