30여개 원소 성질 따라 배치한 주기율표 화학을 예측 가능한 학문으로 만들어줘 최소 160번까지 원소 발견 계속될 듯 새 원소 이름은 발견자나 국가 이름 붙여“수(소), 헬(륨), 리(튬), 베(릴륨), 붕(소), 탄(소), 질(소), 산(소), 플(루오르), 네(온), 나(트륨)….” ●현재까지 알려진 원소는 118종 중·고등학교에서 화학을 처음 접하는 사람들이라면 누구나 한번 거쳐가야 할 관문이 있다. 바로 학생들에게 화학은 암기 과목이라는 잘못된 고정관념을 갖게 만든 ‘원소 주기율표’다. 주기율표는 원소들을 원자번호 순서대로 배치하되 반복되는 화학적 성질에 따라 배열한 것으로 현재까지 알려진 원소는 자연계에 존재하는 98종과 인공적으로 합성된 20종을 합쳐 118종이다. 우리가 알고 있는 주기율표는 러시아 화학자 드미트리 멘델레예프(1834~1907)가 1869년 당시 알려진 30여개의 원소들을 이용해 만든 것이다. 그 이전에도 원소들을 성질에 따라 배열한 ‘원시 주기율표’가 있었지만 멘델레예프의 주기율표는 원소들의 알려진 원자량을 원소 성질에 따라 배치해 만들어진 것이다. 특히 멘델레예프 주기율표를 보면 미발견 원소들의 원자량과 성질을 정확하게 예측할 수 있다는 장점이 원시 주기율표와의 가장 큰 차이점이다. 화학은 수학, 물리학, 생물학 같은 다른 자연과학보다 과학적 체계를 갖춘 것은 늦었지만 20세기 들어 현대 물리학의 양자론과 결합돼 양자화학이 만들어지고 새로운 합성법들이 개발되면서 눈에 띄게 발전했다. 이런저런 물질들을 혼합해 만드는 연금술 수준에서 화학을 예측 가능한 학문으로 만들어 주고 20세기를 ‘화학의 세기’가 될 수 있도록 한 것도 주기율표의 공이다. 이 때문에 유엔은 멘델레예프가 주기율표를 발표한 지 150년이 되는 것을 기념해 올해를 ‘국제 주기율표의 해’로 지정했다. 올해는 새로운 원소 발견을 검증하고 이름을 짓는 권한을 갖는 국제순수응용화학연합(IUPAC) 창립 100주년이 되는 해이기도 하다. 지난주 과학저널의 양대 산맥인 ‘네이처’와 ‘사이언스’는 주기율표와 화학의 발전을 나란히 커버 스토리로 다뤘다. 멘델레예프의 주기율표가 등장한 초창기에는 화학자들이 새로운 원소 발견을 주도했지만 자연계에 존재하는 원소들이 사실상 모두 발견된 이후 최근에는 물질을 구성하는 근본 원리와 힘에 대한 호기심 때문에 물리학자들이 인공원소 발견을 이끌고 있다. 원자번호 100번대가 넘어가는 인공원소들은 자연상에 존재하는 시간이 매우 짧아 활용 가치가 낮기 때문에 화학자들의 관심에서 벗어나고 있다. 그러나 물리학자들에 따르면 최소 원자번호 160번 원소까지 발견할 수 있을 것으로 보여 새로운 원소들은 앞으로도 계속 발견될 것으로 기대되고 있는 상황이다. 새로운 원소의 이름은 발견자나 발견한 국가가 붙이도록 돼 있다. 현재 주기율표 118개의 원소 중 나라 이름이 붙은 것은 31번 갈륨(Ga·프랑스의 옛 라틴어 이름인 갈리아), 32번 저마늄(Ge·독일), 44번 루테늄(Ru·러시아), 84번 폴로늄(Po·폴란드), 87번 프랑슘(Fr·프랑스), 95번 아메리슘(Am·미국), 113번 니호늄(Nh·일본)이다. 이처럼 주기율표에 이름을 올리는 것은 노벨과학상 수상에 버금가는 영광으로 받아들여지고 있다. ●“주기율표, 물질의 성질 알려주는 보물지도” 이덕환 서강대 화학과 교수는 “화학은 물질의 성질을 알려주는 ‘보물지도’인 주기율표를 바탕으로 물질의 변환, 분석, 합성을 다루는 학문”이라며 “주기율표를 통해 자연의 오묘한 규칙성을 이해하는 것이 아니라 원소 이름이나 외우는 암기 과목으로 취급받는 것은 입시 위주 교육의 폐해”라고 지적했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

자연계 98종·합성된 20종 원소 성질에 따라 표로 배열“수(소), 헬(륨), 리(튬), 베(릴륨), 붕(소), 탄(소), 질(소), 산(소), 플(루오르), 네(온), 나(트륨), 마(그네슘), 알(루미늄), 규(소), 인, 황, 염(소)….” 중·고등학교에서 화학을 처음 접하는 사람들이라면 누구나 한 번씩은 거쳐 가야 할 관문이 바로 ‘원소 주기율표’이다. 주기율표는 원소들을 원자번호 순서대로 배치하되 반복되는 화학적 성질에 따라 배열한 것이다. 물질의 성질을 나타내는 기본 물질인 원소는 자연계에 존재하는 98가지와 인공적으로 합성된 20가지를 합쳐 118종이 알려져 있다. 러시아 화학자 드미트리 멘델레예프(1834~1907)가 1869년 당시 알려진 30여개의 원소들을 이용해 주기율표를 만들었다. 멘델레예프의 주기율표 이전에도 원소들을 성질에 따라 분류하려는 시도들은 많았지만 멘델레예프는 원소들의 원자량을 원소 성질에 따라 수정하는 과정을 거쳐 주기율표를 만들었다. 특히 그는 주기율표의 빈 공간으로 남아 있던 당시 미발견 원소들의 원자량과 성질을 예측했다. 학생들에게 화학을 암기과목으로 인식하게 만들어버린 주기율표는 화학을 예측 가능한 학문체계로 자리잡게 만든 공을 세웠다. 수학, 물리학, 생물학 등 다른 분야보다 늦게 출발한 화학이지만 20세기 들어서 현대 물리학의 양자론이 결합되면서 양자화학이 만들어지고 여러 새로운 합성법이 개발되면서 눈에 띄게 발전하게 된 것도 주기율표 덕분이다. 유엔은 멘델레예프가 주기율표를 발표한 지 150년 되는 것을 기념해 내년을 ‘국제 주기율표의 해’로 선정하기도 했다. 2015년 12월에는 미국, 러시아, 일본 연구진이 각각 113번 니호늄(Nh), 115번 모스코븀(Mc), 117번 테네신(Ts), 118번 오가네손(Og)을 새로 발견했다. 그런데 이듬해 5월 이들 원소의 이름을 주기율표에 공식적으로 올리기 위해 모인 심포지엄에서 벌어진 물리학자들과 화학자들 간 설전을 세계적인 과학저널 ‘네이처’가 최신호(6월 13일자)에서 공개했다. 새로운 원소 발견에 대한 검증과 이름을 짓는 작업은 국제순수·응용화학연합(IUPAC)과 국제순수·응용물리학연합(IUPAP)이 공동구성한 ‘합동실무위원회’(JWP)에서 이뤄진다. 1999년 이전까지만 해도 새로운 원소 발견과 관련된 작업은 화학자들이 중심이 된 IUPAC에서 주로 이뤄졌다. IUPAP는 물리교육과 관련한 작업들을 주로 했지만 최근 가속기를 이용한 물리학자들의 원소 발견이 잦아지면서 원소 작명과 검증 작업에 참여하게 됐다. 이들 두 단체가 함께하는 JWP 위원장은 화학자인 반면 위원들은 대부분 물리학자였기 때문에 새 원소 결정 과정에서 갈등은 내재돼 있었다고 네이처는 전했다. 최근 발견된 4개의 원소를 검증하는 과정에서 핵물리학자들은 115번 모스코븀과 117번 테네신에 대한 검증이 좀더 이뤄져야 하기 때문에 원소 발견을 확정 짓는 것은 시기상조라는 의견을 제시한 반면 핵화학자인 JWP 위원장은 멘델레예프가 만든 주기율표의 마지막 줄인 7주기를 채우게 됐다는 점 때문에 원소 발견을 공식화하는 데 적극적이었다고 한다. 우여곡절 끝에 새로운 원소 발견은 승인받게 됐지만 앞으로 주기율표의 8번째 줄(8주기)에 채워질 원소들에 대해서는 IUPAC와 IUPAP가 각각 과학적 검증을 한 뒤 그 결과를 놓고 통과 여부를 결정하기로 규정을 바꾸게 됐다. 새로운 원소를 발견하더라도 검증 과정이 더 까다로워지고 승인 기간이 길어지게 된 것이다. 이덕환 서강대 화학과 교수는 “주기율표가 나온 초창기에는 화학자들이 발견을 주도해 왔지만 최근에는 물질을 구성하는 근본원리와 힘에 대한 호기심 때문에 물리학자들이 인공원소 발견을 이끌어 나가는 형국”이라며 “그렇기 때문에 뒤늦게 원소 발견 인증 작업에 뛰어든 물리학자들과 기존에 원소 명명 주도권을 갖고 있는 화학자 간에 다소 갈등 양상을 빚는 게 사실”이라고 말했다. 또 이 교수는 “주기율표는 물질의 화학적 성질을 알려주는 ‘보물지도’인데 사람들이 만들어 낸 원자번호 100번대가 넘어가는 인공원소들은 자연상에 존재하는 시간이 매우 짧아 활용 가치가 낮기 때문에 화학자들은 별반 관심이 없다”면서도 “물리학자들에 따르면 최소한 원자번호 160번 원소까지 발견할 수 있을 것으로 장담하고 있어 화학계에서도 주목하고 있다”고 설명했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

최근 113번 원소의 명칭이 니호니움(nihonium)으로 정해지면서 국내에서도 화제가 됐다. 이는 기초과학에 많은 투자를 해온 결실로써 사실 하루아침에 이뤄진 성과가 아니라고 할 수 있다. 이와 같은 사실은 최근 이름이 정해지거나 앞으로 정해질 원소 역시 마찬가지다. 이 분야에 사실 가장 많은 투자를 하는 나라는 미국과 러시아이다. 아직 이름이 정해지지 않은 115번, 117번, 118번 원소의 명칭이 제안되었는데, 국제순수 및 응용 화학 연맹(International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC))의 승인을 받으면 정식 명칭으로 굳어질 가능성이 높다. 그런데 이 명칭을 들여다보면 핵물리 기초 과학의 강자가 누구인지 쉽게 알 수 있다. 114번에서 118번 원소의 발견은 모스크바 주에 있는 과학 도시 두브나(Dubna)에 있는 러시아 합동 핵연구소(JINR), 미국의 오크릿지 국립 연구소와 로렌스 리버모어 국립 연구소가 주도했다. 115번 원소는 두브나를 기념해서 모스코비움(Moscovium (Mc))이라는 명칭이 제안됐다. 두브나의 명칭을 직접 붙이지 않은 이유는 이미 붙였기 때문이다. 원자번호 105번인 더브늄 (Dudnium, Dd)이 그것이다. 117번 원소는 테네신(Tennessine (Ts))이라는 명칭이 제안되었다. 이 명칭은 미국의 테네시 주에서 유래한 것으로 이 원소를 발견하는데 주도적 역할을 한 오크릿지 국립 연구소와 테네시 주립 대학, 밴더빌트 대학을 기려 붙여졌다. 사실 두 대학은 테네시 주에 있어도 오크릿지 국립 연구소는 캘리포니아에 있다. 하지만 이미 캘리포니아 대학 버클리 캠퍼스에서 원자 번호 97번 버클륨과 98번 캘리포늄을 명명한 데다, 아메리카 역시 95번 아메리슘에 붙인 상태라 이렇게 명명한 것이다. 118번 원소는 러시아의 핵물리학자인 유리 오가네시안 (Yuri Oganessian, 사진에 있는 과학자)의 이름을 딴 오가네손 (Oganesson (Og))이 제안되었다. 그는 두브나에서 핵물리학 연구를 주도적으로 이끈 과학자로 올해 83세다. 보통 생존한 과학자의 명칭을 원소로 붙이지 않지만, 이전에도 106번 시보귬(미국 과학자인 글렌 시보그의 명칭을 붙임) 같은 예외가 있어서 특별한 이변이 없다면 채택될 가능성이 높다. 참고로 앞서 명명된 114번 플레로븀(flerovium) 역시 두브나 합동 연구소 산하 플레로프 핵반응 연구소의 설립자인 러시아 핵물리학자 플레로프의 이름을 단 것이다. 116번 원소인 리버모륨(Livermorium)은 미국의 로렌스 리버모어 국립 연구소의 명칭에서 나왔다. 이 분야에서 러시아와 미국의 역할이 매우 주도적이므로 한동안 새로운 원소의 명칭은 대부분 이들에 의해 결정될 가능성이 높다. 물론 이것은 오랜 세월 기초 과학 분야에 꾸준한 투자를 한 덕분이다. 우리나라의 명칭을 딴 원소가 한동안 나오기 힘든 이유가 바로 여기에 있다. 사진=미국 로렌스 리버모어 국립 연구소 고든 정 통신원 jjy0501@naver.com

지난 8일 국제순수·응용화학연합(IUPAC)은 원소 주기율표의 마지막 비어 있는 4개의 공간인 113, 115, 117, 118번 원소의 이름이 각각 니호늄(Nh), 모스코븀(Mc), 테네신(Ts), 오가네손(Og)으로 제안됐다고 발표했다. 이번에 제안된 원소의 이름은 5개월 동안 관련 연구자들의 의견을 들은 뒤 이견이 없으면 올해 11월 8일 공식 명칭으로 결정돼 전 세계 과학교과서에 실리게 된다. 미국과 러시아, 일본 연구진이 서로 자신들이 먼저 발견했다고 주장한 113번 원소 니호늄은 2004년 모리타 고스케 일본 이화학연구소(니켄) 그룹장 겸 규슈대 교수가 30번 원소 아연(Zn) 원자핵을 83번 원소인 비스무트(Bi)에 충돌시켜 만든 것으로 존재시간이 0.000344초에 불과하고 동위원소만도 6개나 돼 검증에 시간이 오래 걸렸다.　115번 원소는 러시아 핵연구공동연구소(JINR)의 중이온가속기가 설치된 러시아 수도 모스크바의 이름을 따서 모스코븀으로 명명됐고, 117번 원소는 연구에 참여한 미국 오크리지 국립연구소, 밴더빌트대, 테네시대가 위치한 테네시주에 착안해 테네신이라고 이름 붙였다. 테네신은 지금까지 알려진 118개의 원소 중 가장 질량이 큰 원소로 밝혀졌다. 미국 로런스리버모어 국립연구소와 러시아 JINR의 공동 연구로 만들어진 118번 원소는 연구진 리더인 유리 오가네시안 교수의 이름을 따 오가네손으로 불리게 됐다. 오가네손은 살아 있는 과학자의 이름을 따서 원소 이름이 지어진 두 번째 사례로, 첫 번째는 106번 원소 시보귬(Sg)으로 원소를 합성 및 발견한 미국 로런스버클리 국립연구소 글렌 시보그(1912~1999) 박사의 이름을 따서 지었다.　이번에 명명된 113번과 115번 사이에 있는 114번 원소인 플레로븀(Fl)은 1998년 러시아 JINR에서 처음 만들어진 인공원소로 94번 원소 플루토늄(Pu)과 20번 원소 칼슘(Ca)을 충돌해 생성됐다. 116번 원소인 리버므륨(Lv)도 2000년 러시아 JINR과 미국 로렌스리버모어 연구소에서 공동으로 만들어진 원소로 96번 원소 퀴륨(Cm)과 칼슘(Ca)을 충돌시켜 만들어졌다.　새로운 원소를 발견할 경우 발견한 국가나 발견자가 이름을 짓도록 돼 있다. 현재 주기율표 118개의 원소 중 나라 이름이 붙은 것은 31번 갈륨(Ga·프랑스의 옛 라틴어 이름인 갈리아), 32번 저마늄(Ge·독일), 44번 루테늄(Ru·러시아), 84번 폴로늄(Po·폴란드), 87번 프랑슘(Fr·프랑스), 95번 아메리슘(Am·미국)이다. 주기율표에 이름을 올리는 것은 노벨과학상 수상에 버금가는 영광으로 받아들이고 있다.　과학자들 특히 현대 화학자들은 세상의 모든 물질은 원소로 이뤄져 있다고 본다. 화학책을 한 번이라도 본 사람은 누구나 알고 있는 주기율표는 이런 화학자들의 세계관을 바탕으로 원소들을 원자번호 순서와 반복되는 화학적 성질에 따라 배열한 표다. 현재까지 알려진 원소는 총 118개로 자연계에 존재하는 원소는 92종, 나머지 26종은 인공적으로 만든 것이다.　주기율표는 1869년 러시아의 화학자 멘델레예프(1834~1907)가 처음 만든 것으로 알려져 있지만 그 이전에도 원소들을 성질에 따라 배열한 ‘원시 주기율표’는 있었다. 멘델레예프의 주기율표가 중요한 것은 여러 원소들의 알려진 원자량을 원소 성질에 따라 제대로 배열했을 뿐만 아니라 당시 알려지지 않은 여러 원소들의 원자량과 성질까지 정확하게 예측했기 때문이다. 　이덕환 서강대 화학과 교수는 “화학은 물질의 물성과 변환, 분석, 합성을 다루는 학문인데 이는 주기율표를 바탕으로 하고 있다”며 “주기율표는 물질의 화학적 성질을 알려주는 ‘보물지도’로 우리나라 중고등학교에서는 아직도 원소 이름을 외우는 것에만 집중하고 있는데 그보다 주기율표를 통해 나타나는 자연의 오묘한 규칙성을 이해하는 것이 더 중요하다”고 설명했다.　현재도 많은 과학자가 주기율표를 채우기 위해 인공원소를 만드는 연구에 뛰어들고 있다. 미국 로런스버클리 연구소와 러시아 JINR, 독일 중이온연구회의 3파전이던 것이 20세기 말부터는 일본 리켄도 투자를 늘리면서 4파전으로 바뀌고 있다. 우리나라도 기초과학연구원(IBS)에서 중이온가속기 건설을 추진하고 있어 2022년 본가동이 시작되면 인공원소 연구에 본격적으로 뛰어들게 될 전망이다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

일본은 주기율표에 이름을 올린 아시아 첫 번째 나라가 될 가능성이 커졌다. 원소 주기율표 113번째 자리는 일본 국명이 붙은 ‘니호늄’(Nh)으로 채워지는 것이 거의 확정적이다. 이는 일본이 기초과학 강국의 면모를 또 한번 각인시키는 계기이기도 하다. 국제순수·응용화학연합(IUPAC)은 8일 오후(현지시간) 홈페이지를 통해 113번 니호늄과 함께 115, 117, 118번 등 새로운 원소들의 이름을 공개했다. 115번 원소는 모스코븀(Mc), 117번 원소는 테네신(Ts), 118번은 오가네손(Og)로 제안됐다. IUPAC은 원소의 원자량, 화합물의 이름, 표준 실험 방법 등 화학과 관련한 중요 문제를 결정하는 국제기관이다. 원소 이름은 발견자나 발견 국가에서 제안할 수 있는데 이번에 나온 원소 이름들은 5개월 동안 학자들의 의견을 듣는 과정을 거쳐 이견이 없으면 올해 11월 8일 공식 명칭으로 결정된다. 전 세계 교과서에도 실린다. 주기율표를 새로 채운 4개의 원소 중 113번 원소는 2004년 처음 발견됐다. 당시 미국과 러시아, 일본이 서로 자기들이 먼저 발견했다고 주장해 주목받았다. 그러다 지난해 12월 31일 IUPAC이 ‘113번 원소의 주인은 일본’이라고 최종 판정하면서 일본이 권리를 가지고 갔다. ‘우눈트륨’이라는 임시명으로 불린 113번 원소 명칭으로는, 1~16족 원소에 붙는 ‘-이움’(ium) 앞에 일본의 영어식 명칭을 접목한 ‘자포늄’, 원소를 발견한 일본이화학연구소(리켄)의 이름을 딴 ‘리케늄’도 물망에 올랐다가 결국 니호늄으로 수렴됐다. 현재 주기율표 118개의 원소 중 나라 이름이 붙은 것은 31번 갈륨(Ga·프랑스의 옛 라틴어 이름), 32번 저마늄(Ge·독일), 44번 루테늄(Ru·러시아) 등 6개뿐이다. 인공원소를 만드는 연구와 관련해서는 미국 로런스버클리연구소와 러시아 핵연구공동연구소, 독일 중이온연구회가 치열하게 경쟁해 왔는데 20세기 말부터 일본 리켄도 투자를 늘리면서 바짝 추격하고 있다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

고등학교 화학 수업 때 지겹도록 외워야 했던 주기율표의 마지막 비어 있는 4개 공간을 일본과 미국, 러시아가 채우게 됐다. 특히 미국과 러시아, 일본이 서로 자기가 먼저 발견했다고 주장해 주목받은 113번 원소의 주인은 일본이라는 최종 결론이 났다. 이로써 일본은 주기율표에 이름을 올린 아시아 첫 번째 나라가 돼 기초과학 강국으로서의 면모를 다시 한 번 드러냈다. 국제순수·응용화학연합(IUPAC)은 지난달 31일 “주기율표 113번 원소의 이름을 지을 수 있는 권리는 일본에 있다”고 최종 판정했다. ‘우눈트륨’이라는 임시 이름을 가진 113번 원소는 2017년 7월 브라질 상파울루에서 열리는 IUPAC 총회에서 일본이 제안하는 이름으로 최종 결정된다. 현재 113번 원소의 이름으로 유력한 것은 일본의 영어 이름을 딴 ‘자포늄’이나 원소를 발견한 일본이화학연구소(리켄)의 이름을 딴 ‘리케늄’이다. 주기율표 118개의 원소 중 나라 이름이 붙은 것은 31번 갈륨(Ga·갈리아), 32번 저마늄(Ge·독일), 44번 루테늄(Ru·러시아), 84번 폴로늄(Po·폴란드), 87번 프랑슘(Fr·프랑스), 95번 아메리슘(Am·미국) 등이다. 인공 원소를 만드는 연구는 미국 로렌스버클리 연구소와 러시아 핵연구공동연구소, 독일 중이온연구회가 치열하게 경쟁해 왔는데 20세기 말부터 일본 리켄이 투자를 늘리면서 바짝 추격하고 있다. 주기율표는 현재까지 알려진 118개의 원소를 화학적 성질에 따라 배열한 것으로 92종은 자연계에 존재하는 원소이고 나머지 26종은 인공적으로 만들어진 것이다. 이덕환 서강대 화학과 교수는 3일 “113번 원소는 30번 아연(Zn) 원자핵을 83번 원소인 비스무트(Bi)에 충돌시켜 만든 것으로 존재 시간이 0.000344초에 불과하고 동위원소만도 6개나 있어 검증이 쉽지 않다”고 설명했다. 그는 “2004년에 일본과 러시아, 미국이 113번 원소의 존재를 발견했다는 연구결과를 발표했지만 국제학계가 검증한 결과 미국과 러시아의 실험이 완벽하지 않은 데다 제출한 실험데이터도 충분치 않다고 판단한 것”이라고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr