사라진 스푼 — 주기율표의 자리가 원소의 성질을 정하는 까닭
화학 · 화학 결합 · 화학
책 소개
과학저술가 샘 킨이 주기율표에 실린 원소 하나하나에 얽힌 역사와 사람 이야기를 풀어내는 책입니다. 금, 텅스텐, 탄소처럼 익숙한 원소부터 잘 알려지지 않은 원소까지, 저자는 그것들이 전쟁과 의학, 예술, 과학자들의 삶에 어떤 흔적을 남겼는지 추적합니다. 그런데 이 모든 이야기의 바탕에는 한 가지 질문이 깔려 있습니다. 왜 어떤 원소는 금처럼 안정하고, 어떤 원소는 격렬하게 반응하며, 어떤 원소는 금속의 성질을 띠는가 하는 것입니다. 화학을 원소와 그 결합으로 세상을 설명하는 학문으로 처음 접하는 학생이, '원소의 성질은 무엇이 정하는가'라는 의문으로 탐구를 시작하기 좋은 책입니다.
책은 주기율표가 단순한 암기표가 아니라 원소의 성질이 규칙을 이루며 배열된 지도라는 점을 보여 줍니다. 저자는 같은 세로줄(족)에 놓인 원소들이 서로 닮은 성질을 갖는 까닭, 표의 왼쪽에 금속이 모이고 오른쪽에 비금속이 자리하는 까닭을 원소가 가진 전자의 배치로 설명합니다.
예를 들어 나트륨처럼 전자를 잃기 쉬운 원소와 염소처럼 전자를 얻기 쉬운 원소가 만나면 소금 같은 안정한 화합물을 이룹니다. 표의 위치가 곧 그 원소가 어떤 상대와 어떻게 결합하는지를 예고한다는 점을, 책은 여러 원소의 사연을 통해 풀어냅니다.
원자는 가장 바깥 전자 껍질에 전자 8개가 채워진 안정한 배치를 이루려는 경향이 있는데, 이를 옥텟 규칙이라고 합니다. 이 안정한 배치에 이르기 위해 원자는 전자를 잃거나, 얻거나, 서로 공유하면서 결합을 형성합니다.
금속 원소는 전자를 잃어 양이온이 되기 쉽고 비금속 원소는 전자를 얻어 음이온이 되기 쉬운데, 금속과 비금속이 만나면 양이온과 음이온 사이의 정전기적 인력으로 이온 결합을 이룹니다. 반대로 비금속끼리는 전자를 서로 내놓아 함께 쓰는 공유 결합을 이룹니다. 원자가 전자를 얼마나 강하게 끌어당기는지를 나타내는 값이 전기음성도이며, 이 값은 같은 주기에서 오른쪽으로 갈수록 커지고 같은 족에서 아래로 갈수록 작아집니다. 그래서 결합 유형은 두 원자의 전기음성도 차이로 가늠할 수 있습니다.
왜 어떤 원소는 금속처럼 행동하고 어떤 원소는 비금속처럼 행동할까요? 화학에서 배우는 전자 배치와 화학 결합으로 그 까닭을 설명할 수 있습니다.
원소의 성질은 가장 바깥 껍질에 전자가 몇 개 있느냐에서 출발하는데, 주기율표는 바로 이 전자 배치가 비슷한 원소끼리 모이도록 만든 표입니다. 그래서 같은 세로줄에 놓인 원소들은 바깥 전자 수가 같아 성질이 닮습니다. 표의 왼쪽 원소는 바깥 전자가 적어 그것을 잃고 양이온이 되기 쉽고, 오른쪽 원소는 전자가 거의 다 채워져 몇 개를 더 받아 음이온이 되기 쉽습니다.
그래서 원소가 표의 어디에 놓이는가가 곧 그 원소가 전자를 잃을지 얻을지를 정하고, 이것이 다시 어떤 상대와 이온 결합을 할지 공유 결합을 할지를 정합니다. 책에 나오는 나트륨이 격렬하게 반응하고 금이 좀처럼 변하지 않는 차이도, 바깥 전자를 얼마나 쉽게 내놓느냐로 설명됩니다. 결국 원소의 성질을 정하는 것은 신비한 무엇이 아니라 전자가 어떻게 배치되었는가이며, 그것이 주기율표의 자리로 드러나는 셈입니다.
주기율표의 자리가 성질을 정한다는 말은, 원소의 화학적 성질이 가장 바깥 껍질의 전자 배치에서 비롯된다는 뜻입니다. 원자는 전자 껍질에 전자를 채워 나가는데, 가장 바깥 껍질의 전자 수가 그 원소가 결합할 때 보이는 행동을 좌우합니다.
바깥 전자가 1~2개로 적은 원소는 그것을 잃어 양이온이 되는 편이 안정하고, 7개로 거의 다 찬 원소는 1개를 더 얻어 음이온이 되는 편이 안정합니다. 주기율표는 이 바깥 전자 수가 같은 원소가 같은 족에 오도록 배열되어 있어서, 같은 족 원소들이 닮은 성질을 보이는 것입니다. 또 같은 주기 안에서는 오른쪽으로 갈수록 양성자가 늘어 전자를 끌어당기는 힘이 세지므로, 금속의 성질이 약해지고 비금속의 성질이 강해집니다.
한 원소가 어떤 결합을 이룰지는 전기음성도 차이로 가늠할 수 있는데, 차이가 크면 전자가 한쪽으로 넘어가 이온 결합이 되고, 차이가 작으면 전자를 함께 쓰는 공유 결합이 됩니다. 이 책에서 본 여러 원소의 사연을 출발점 삼아, 같은 족에 속한 원소들을 골라 바깥 전자 수와 전기음성도를 견주어 보고, 그 값이 어떻게 결합 방식과 성질의 차이로 이어지는지를 화학의 관점에서 탐구할 수 있습니다.