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원소의 주기율

물질을 구성하는 원소는 자연계에 존재하는 원소로도 90여 종류 이상이 있는데, 이러한 원소를 계통적으로 분류하려는 시도가 19세기 전반에 많은 과학자들에 의하여 이루어졌다. 많은 자연 현상 중에서 법칙을 발견하거나 새로운 이론의 창조를 도모하는 데는 수많은 실험적 사실의 집적이 필요하다. 그뿐 아니라, 이러한 실험적 사실을 토대로 새로운 법칙이나 이론을 창조하는 일은 결코 쉬운 일이 아니다. 그러나 새로운 법칙이 발견되면 자연 현상의 사실적 탐구나 이러한 법칙의 응용은 급속도로 확대되어 간다. 원소의 주기율의 발견도 예외일 수는 없다.

주기율의 탄생

멘델레예프의 주기율

－週期律 1869년, 러시아의 멘델레예프가 발견한 주기율의 활용은 그 후 화학 연구에 매우 중요한 지침이 되었다. 멘델레예프는 그때까지 발견된 63종의 원소를 원자량의 순서에 따라 배열하면 화학적 성질이 비슷한 원소가 주기적으로 나타난다는 것(원소의 주기율), 또 이 표에서 원소는 8개의 그룹(족)으로 나누어진다는 것을 발견하였다. 당시의 멘델레예프의 주기율표는 1872년에 개정되었으나 그것을 현재의 표와 비교해 보면 그때까지 발견되지 않았던 비활성 기체 원소에 속한 0족 원소와 미발견으로 빈칸으로 되어 있는 곳을 제외하면 거의 차이가 없다. 멘델레예프의 주기율표의 진가가 높아진 것은 그가 예언한 미발견 원소의 존재와 성질이 적중되었다는 점에서였다. 그러나, 멘델레예프의 주기율표에도 몇 가지 단점이 있었다. (1) 원자량의 순서에서는 불소 다음이 나트륨, 염소 다음이 칼륨으로 되어 있는데, 비금속 원소가 갑자기 금속 원소로 연결되는 것은 부자연스럽다는 점 (2) 원자량의 순서대로 열거했다고 하지만, 물리적·화학적 성질로 보아 Co와 Ni, I와 Te의 위치가 역전되어 있다는 점 (1)의 모순은 0족 원소, 비활성 기체의 발견으로 해결되었고(2)의 모순은 모즐리의 X선 스펙트럼을 이용한 실험으로 원자량의 순서가 아니고 원자핵 속의 양성자의 수, 즉 원자 번호가 원소의 성질을 결정한다는 것이 명백하게 되어 해결되었다.

톰슨, 보어형 주기율표

－週期律表 보어는 스펙트럼의 연구 등으로 원자 모형을 발표하였으며, 또 전자껍질의 이론을 보충하여 톰슨이 발표했던 주기율표를 개량하여 계단형의 주기율표를 제안하였다. 이 주기율표 중에서 보어는 처음으로 원소 성질의 주기적인 변화와 원자 구조의 관계, 전자 배치가 형성되어 가는 순서를 나타내고, 주기율표의 각족이 주족과 아족으로 나뉘는 근거를 명백히 하였다. 이 주기율표는 하나의 주기에 속하는 원소의 수가 2, 8, 8, 18, 18, 32의 차례로 규칙적으로 증가하고 있다(2n2으로 n=1, 2, 3, 4라는 수가 된다)는 것, 또 전이 원소가 나타나는 장소와 원자의 전자 배치가 일치해 있어서, 예를 들면 s―→p―→d의 전자 배치가 질서 있게 나타나고 있는 점 등이 명확히 표시되어 있다. 그러나 형태가 크다는 점과 동족 원소의 관계를 알아보는 데 불편하다는 결점을 가지고 있다.

현대의 주기율표

주기율이 발견되고부터 100년 사이에 수많은 과학자들에 의하여 여러 종류의 주기율표가 제안되었다. 물리나 화학의 교과서, 참고서 등을 살펴보면 주기율표의 여러 형식을 볼 수 있을 것이다. 원자 구조가 밝혀짐에 따라 그것을 토대로 원자의 전자 배치가 형성되어 가는 순서를 어떻게든 주기율표 안에 포함시켜 나타내려고 시도하였다. 앞에서 설명한 바와 같이, 현재의 주기율표는 1872년 멘델레예프가 발표한 표의 형식과 별로 다름이 없다. 다른 점은 다음과 같은 것들이다. (1) 희유 기체족 또는 비활성 기체의 이름으로 통일된 0족이 들어 있다. (2) 수소부터 우라늄 사이의 미지 원소로 되어 있던 부분이 전부 채워졌다. (3) 란탄 계열, 악티늄 계열이 표 밖으로 나와 있다.

단주기형

短週期形 형태가 축소되어 원자가를 아는 데는 직관적이고 편리하다. 가로의 열을 '주기', 세로의 열을 '족'이라고 하며, 하나의 원소족 안에 A족, B족의 2개의 아족이 있으므로 비교하기 쉽게 되어 있다. 그러나 원소 성질의 변화와 원자의 전자 배치 변화의 주기성을 비교하는 데는 불편하다. 이 단주기형의 문제점으로는 다음과 같은 것들이 있다. (1) 수소의 위치가 명확하지 않다. 수소는 그 성질로 보아 1A족과 7B족에 걸쳐 있어 두 아족 위에 와야 한다. (2) 란탄 계열, 악티늄 계열이 표 밖에 있다. (3) 주기율표의 오른쪽에 비활성 기체족과 철족·백금족 등이 존재하고 있는데, 이것을 0족과 8족으로 하여도 본질적으로는 뜻이 없다, 족번호를 가장 바깥 껍질 전자수라고 하면 비활성 기체족은 0족보다 8족이 되기 때문이다.

장주기형

長週期形 단주기형 주기율표의 8족을 중심으로 하고 A, B 두 아족을 세로로 전개하여 18원소의 장주기를 기준으로 하고 있다. A, B 아족을 분리한 것은 원자가 이외에 별로 공통점이 없기 때문이며, 그 결과 원소의 화학적 성질의 변화를 세로로 볼 수 있는 점이 편리하다. 또, 전이 원소의 위치를 명확히 알 수 있다. 그러나 이 장주기형에서도 란탄 계열·악티늄 계열의 위치 선정은 곤란하여 단주기형에서와 같은 문제점이 남는다. 단주기형에서나 장주기형에서 8족과 0족만이 2개의 아족을 구성하고 있지 않다. 제Ⅷ족 원소인 백금족은 비활성 기체 못지않게 화학적으로 안정되어 있는 점에 주의해야 한다.