원소와 원자의 구별과 주기율표의 이해

매우 즐겨하여 ‘스핀오프’ 드라마까지 모두 찾아본 드라마로 ‘브레이킹 배드’는 여전히 제 마음의 첫 번째 미드입니다.

 

드라마가 시작될 때 독특한 울림과 함께 원소 주기율표가 낱개의 원소기호들로 분산되며 드라마가 시작됩니다. 드라마속 주인공 월트가 화학전공자로 고등학교 화학선생이며 마약을 제조하게 되는 인물이기 때문입니다.

 

 

최근에 유튜브에 출연이 잦은 광운대 화학교수 장홍제에 의하면 원소를 이용하여 구리로 금도 만들 수 있다고 하는데요. 물론 비용 때문에 안하는 거랍니다. 여하튼 그분 덕에 화학의 역할과 기능에 감탄할 때가 있습니다.

 

가장 인기있는 과학자 '리처드 파인만'은 만약 지구 멸망 직전에 후대에게 단 한 문장만 남겨야 한다면, 그 문장속 한 단어는 "원자"라고 했다고 합니다. 그의 이 말은 우리에게 던져진 지구를 이해하는 물질세계의 근본적인 단위가 원자라는 것을 강조하며, 우주의 구조와 모든 물질의 기초를 이루는 것이 원자임을 나타냅니다.

 

이 부분에서 인문학이 아무리 많고 깊은 사유로 세상은 무엇으로 이루어졌는가를 고민해도 과학이 밝혀낸 이치를 따라잡기 힘들다고 고백한 유시민의 '과학공부'에도 동감하게 됩니다. 많은 과학자들이 이에 동의하며 자신의 분야와 관련하여 원자의 이해에 대한 설명을 늘어놓는 프로그램을 보다 궁금증이 생겨 알아보았습니다.

 

헛갈리면서 이해도 될 듯 아닌 듯 원자와 원소를 다시 한 번 알아보았습니다.

원자와 원소

 

**원자**와 원소는 화학에서 자주 혼동되는 개념이지만, 명확한 차이가 있습니다.

 

원자(atom): 물질을 이루는 가장 작은 입자입니다. 실제로 존재하는 개별 단위로, 원자핵(양성자와 중성자)과 그 주위를 도는 전자로 이루어져 있습니다. 원자는 더 이상 화학적으로 쪼갤 수 없는 기본 단위입니다. 우리가 아는 아톰입니다.

나무위키

 

원소(element): 같은 종류의 물질의 종류 또는 집합을 의미합니다. 원소는 화학적으로 더 이상 분해할 수 없는 기본 물질로, 주기율표에 있는 수소, 산소, 철, 금 등 각각이 하나의 원소입니다. 원소는 추상적인 개념으로, '종류'를 나타냅니다.

 

간단한 구분

원자: 셀 수 있는 실제 입자 (예: 산소 원자 1개)

원소: 같은 종류의 원자들의 집합 또는 물질의 종류 (예: 산소라는 원소)

 

비유

요약

원자: 물질을 구성하는 실제 최소 단위

원소: 같은 종류의 원자들이 모인 집합, 물질의 종류

 

1. 레고 블록 비유

원자: 하나하나의 레고 블록입니다.

각각의 블록(원자)은 실제로 만질 수 있고, 독립적으로 존재합니다.

 

원소: 같은 색깔, 같은 모양의 레고 블록 종류입니다.

예를 들어, 빨간색 2x4 레고 블록이 있다면, 이 '빨간색 2x4 블록'이 바로 하나의 원소입니다.

 

정리

레고 블록 하나하나 = 원자

같은 종류의 레고 블록 = 원소

 

이처럼, 원자는 구체적이고 셀 수 있는 입자이며, 원소는 그 원자의 종류 또는 집합을 의미하는 추상적 개념입니다.

 

더 적절한 비유가 없을까요? 헛갈립니다. 이해되는 듯하면서도 말로 하기가 참 어렵습니다.

 

원자와 원소의 차이 - 비유로 쉽게 이해해보겠습니다.

 

2. 알파벳과 글자 비유

사과라고 하는 apple는 원자로 본다면 거기엔 원소 a,p,l,e 있다는 것입니다. (이 비유가 저는 가장 이해가 쉽습니다.)

 

원소주기율표

이번엔 원소주기율표를 알아보려합니다. 고등학교때 이과라고 엄청 외웠던 기억이 있습니다. 다시 브레이킹 배드에 나오는 원소주기율표로 되돌아가 봅니다. 원소주기율표에 잇는 원소들의 배열 순서는 어떤 기준으로 이루어져 있는 걸까요?

 

원소 주기율표에 있는 118개 원소의 순서는 '원자 번호(atomic number)'의 오름차순에 따라 결정된다고 합니다. 원자 번호는 각 원소의 원자핵에 들어 있는 양성자(proton)의 개수를 의미하며, 이는 해당 원소의 고유한 정체성을 결정하는 가장 기본적인 값입니다.

 

주기율표의 배열 원리

원자 번호 순서: 주기율표는 가장 가벼운 원소인 수소(원자 번호 1)부터 가장 무거운 오가네손(원자 번호 118)까지, 원자 번호가 1씩 증가하는 순서로 배열되어 있습니다. 이는 원소의 성질이 원자 번호에 따라 주기적으로 반복됨을 보여줍니다.

 

전자배치와 에너지 준위: 원자 번호가 커질수록 전자가 하나씩 추가되며, 전자는 에너지 준위가 낮은 오비탈부터 차례로 채워집니다(오프바우 원리). 이 과정에서 전자배치의 규칙성이 주기율표의 구조에 반영됩니다.

 

역사적 배경

최초의 주기율표는 멘델레예프가 원자량(atomic mass) 순으로 배열했으나, 현대에는 '원자 번호'가 기준입니다. 이는 모즐리(Moseley)의 실험을 통해 원자 번호가 원소의 본질을 결정한다는 사실이 밝혀진 이후 확립되었습니다.

 

결론

주기율표의 원소 순서는 '원자 번호'의 오름차순이며, 이는 각 원소의 원자핵에 들어 있는 양성자의 수를 의미합니다. 이 배열 방식은 원소의 전자배치와 화학적 성질의 주기적 반복성을 가장 잘 반영하기 때문입니다.

 

자연계에 존재하는 원소와 존재하지 않는 원소

 

이들 원소들중 자연계에 존재하는 것과 그렇지 않은 것은 어떻게 구분될까요? 모든 주기율표의 원소가 자연계에 자연적으로 존재하는 것이 아니란 걸 많은 사람들이 알고는 있습니다만 어디까지일까 궁금하여 알아보았습니다.

 

원소 주기율표에 있는 118개 원소 중 자연계에 존재하는 원소와 존재하지 않는 원소는 다음과 같이 구분합니다.

 

광운대 화학교수 장홍제의 설명으로는 92번까지가 자연계원소라고 들은 것이 기억나서 알아보앗습니다.

"자연계에 존재하는 원소"의 기준에 따라 의견이 다를 수 있다고하는군요,

대부분의 교과서와 자료에서는 **원자번호 92번 우라늄(U)**까지를 자연계에 존재하는 원소로 봅니다. 그 이유는 우라늄이 지구상에 비교적 널리 분포하며, 자연에서 쉽게 채취할 수 있는 마지막 원소이기 때문입니다.

 

하지만 실제로는 93번 넵투늄(Np), 94번 플루토늄(Pu) 등 우라늄보다 원자번호가 큰 일부 원소도 자연계에서 극미량이지만 발견된 바 있습니다. 이들은 천연 우라늄 광석의 방사성 붕괴 과정에서 아주 소량 생성되며, 실제로 자연에서 검출된 사례가 있다고 합니다.

그럼에도 불구하고 이들의 존재량이 워낙 적고, 대부분 인공적으로 먼저 합성되어 발견되었기 때문에, 전통적으로는 넵투늄과 플루토늄을 인공 원소로 분류하고, 우라늄을 자연계에서 가장 무거운 원소로 간주합니다.

 

따라서

실질적 기준(일반적 정의): 92번 우라늄까지가 자연계 존재 원소

엄밀한 과학적 기준: 93번 넵투늄, 94번 플루토늄 등도 자연계에 극미량 존재

 

이렇게 기준 차이로 인해 의견이 다르게도 나타난다고 합니다.

정리하면, 교과서적 기준은 92번 우라늄까지, 과학적으로는 그 이후 원소도 극미량 존재한다고 볼 수 있습니다.

 

화학과 물질의 이해 중요성

 

어떤 유튜브 채널에서 지구가 멸망하여 다른 행성으로 이주해야 한다면 영화 '마션'에서처럼 식물학자가 먹거리를 마련해야하지 않나?하는 소리에 장홍제 교수가 식물학자를 거느린 화학자가 가장 필요할 것이라는 말을 할 때 공감한 적이 잇습니다. 물질의 세계를 이해하는 것이 가장 중요할 것 같아서엿습니다.

 

화학과에서는 원소의 구조, 성질, 반응, 합성, 분석 등 원소와 관련된 거의 모든 분야를 심도 있게 연구·교육합니다.

특히, 원소의 주기성, 전자배치, 화합물의 합성 및 분석, 새로운 원소의 합성 등은 화학 전공의 핵심 연구 주제입니다.

 

다만, 원소 연구는 화학뿐 아니라

 

물리학(특히 원자물리, 핵물리)

 

재료공학, 화학공학

 

생명과학, 환경과학, 의약학

등 다양한 학문 분야에서도 응용 및 융합 연구가 이루어집니다.

 

하지만 원소 자체의 특성, 주기율표의 해석, 새로운 원소의 합성 등 기초적이고 학술적인 연구는 화학 전공자가 주도하는 것이 보편적입니다. 장홍제 등 과학교수를 채널로 만나는 것만도 참 즐거운 요즘입니다. 유튜브의 순기능이라 할 수 있습니다.