0. 목차
- 인류가 '만물의 근원'에 대해 의문을 가지기 시작했다.
- 4원소설
- 원자론
- 주기율표의 탄생
1. 인류가 '만물의 근원'에 대해 의문을 가지기 시작했다.
물질을 끊임없이 작은 것으로 나누어가면, 마지막에는 무엇이 될까? 지금으로부터 약 2500년 전, 그리스의 철학자들은 '만물의 근원'에 대해서 생각하기 시작했다.
1-1. 탈레스는 만물의 근원을 '물'이라고 주장했다.
고대 그리스에서는 자연 현상들을 이해하기 위해 물질을 구성하고 있는 입자에 대한 논의가 끊임없이 이어졌다. 이러한 물질의 구성 입자, 즉 원소에 대해 처음으로 관심을 갖고 해답을 구한 사람은 '철학의 아버지'라고 불리는 고대 그리스의 철학자 '탈레스(Thales, 기원전 624~기원전 546)'이다. '탈레스'는 만물의 근원을 '물(water)'이라고 주장했다. 그리고 우리가 살고 있는 땅도 물 위에 떠 있다고 주장했다.
1-2. '아낙시메네스'는 만물의 근원을 '공기'라고 주장했다.
'탈레스'에 이어 물질의 근원에 대해 탐구한 사람은 고대 그리스의 철학자 '아낙시메네스(Anaximenes, 기원전 585~기원전 525)'였다. 그는 만물의 근원이 '공기'라고 주장했다. '아낙시메네스'는 '공기'가 '지속적인 운동을 하는 무한한 실체'이며 모든 사람은 공기를 통해서만 호흡이 가능하다고 보았다. 그래서 구체적이고 감각할 수 있는 '공기(air)'야말로 '만물의 근원'에 적합하다고 생각하였다.
1-3. '헤라클레이토스'는 만물의 근원을 '불'이라고 주장했다.
또 다른 그리스의 철학자 '헤라클레이토스(Herakleitos, 기원전535~기원전475)'는 만물이 끝없이 변화한다는 생각을 가진 사람이었다. 그는 '누구도 같은 강물을 두 번 걸어 들어갈 수 없다'고 말함으로써, 자신의 '변화(Chage)'에 대한 생각을 표현하였다. 그는 '만물의 근원'으로서 물이나 공기와 같이 실재하는 원소를 인정할 수 없었다. 왜냐하면 그와 같은 근본 원소가 어떻게 다른 형상으로 변화할 수 있는지 설명할 수 없었기 때문이었다. 그래서 '헤라클레이토스'는 끝없이 변화하는 '불(fire)'이 '만물의 근원'이라고 생각하였다.
2. 4원소설
모든 물질이 4가지 기본 원소로 이루어져 있다는 '4원소설(4elements Theory)'을 처음으로 주장한 사람은 '엠페도클레스(Empedokles, 기원전 490~430)'였다. 그는 모든 물질'이 '물, 불, 흙, 공기'라는 4가지 본질적 원소들의 합성물이며, 사물은 이 기본 원소의 비율에 따라 서로 형태를 바꿀 뿐 어떤 사물도 새로 탄생하거나 소멸하지 않는다고 생각했다.
기원전 5세기 무렵, 그리스의 철학자 '데모크리토스(Democritos, 기원전450?~기원전370?)'는 '만물은 미세한 입자로 되어 있다'고 주장하고 그 입자를 '원자(atom)'이라고 했다. atom이란 그리스 어로 '더 이상 분할할 수 없는 것'을 뜻한다. 원자는 물질마다 다르며, '인간 혼의 원자'라는 것도 있다고 생각했다고 한다.
'4원소설'은 그리스의 철학자 '아리스토텔레스(Aristoteles, 기원전384~기원전322)'에게도 계승되었다. 아리스토텔레스는 모든 물질은 '물, 불, 공기, 흙'의 4가지 원소에다가 특유한 성질인 '건조함, 습함, 따뜻함, 차가움'의 조합으로 형성된다고 주장했다. 또 아리스토텔레스는 4원소 사이에는 그 무게에 따라, 무거운 원소는 아래로 향하고 가벼운 원소는 위로 향하게 된다고 생각했다. 그래서 가장 가벼운 원소인 불은 가장 높은 곳을 차지하고, 그 아래는 공기, 물, 흙이 차례로 자리잡게 될 것이라고 생각했다. 그리고 불 저쪽의 우주에는 불보다도 가볍고 더욱 순수한 제5원소가 존재하며, 이것이야말로 가장 완전한 원소라고 생각했다. 따라서 지상에는 '4원소설'을 생각했지만, 우주 전체로 따진다면 '5원소 변환'이 가능할 것이라고도 주장했다.
2. '원소'라는 개념이 정의되었다.
16세기 이후부터는 '원소(element)'란 '더 이상 두 물질로 나눌 수 없는 물질'로 정의되기에 이르렀다. 그리고 '4원소'만으로는 부족하는 점도 인식되었다. 그러면 무엇이 원소일까?
이 논의에 결정적인 영향을 미친 사람이 프랑스의 화학자 '앙투안 로랑 라부아지에(Antoine Laurent Lavoisier, 1743~1794)'이다. 라부아지에는 물은 수소와 산소가 결합한 것이며, 물 자체는 원소가 아니라고 주장했다. 이리하여 그리스 시대부터 약 2000년간 믿어졌던 아리스토텔레스의 '4원소설'은 부정되었다. 그리고 라부아지에는 '4원소'를 대신할 33종의 원소로 이루어진 원소표를 1789년에 발표했다. 이 원소표에는 '수소'나 '산소'에 덧붙여 '빛(light)'이나 '열(heat)'이 원소로 들어가 있다. (물론 현재는 '빛'이나 '열'이 원소가 아니라는 사실이 밝혀져 있다.)
3. 원자론
3-1. '원자 기호'가 발명되었다.
새로운 원소의 개념과 '원자설'을 결합시킨 사람은 영국의 물리학자이자 화학자였던 '존 돌턴(John Dalton, 1766~1844)'이다. '돌턴'은 원소마다 고유의 원자가 있고, '화합물(Compound)'은 원자가 일정한 비율로 결합한 것이라고 생각했다. 그리고 그 전제를 바탕으로 각 원자의 질량의 비율을 추정했다.
돌턴이 그때 근거로 삼은 것은 1799년에 프랑스의 화학자이자 약학자인 '조제프 루이 프루스트(Joseph Louis Proust, 1754~1826)'가 발표한 '일정 성분비의 법칙(law of definite proportions)'이었다. '일정 성분비의 법칙'은 화학물 안에서는 원소의 질량비가 언제나 일정하다는 것이다. 예컨대, 무게가 1인 수소에 대해서는 무게가 8인 산소가 반응해 물이 생긴다. 물이 2.5의 수소라면 산소의 무게는 20이라는 식이다. 수소: 산소의 질량은 언제나 1:8이 된다. '일정 성분비의 법칙'으로부터 돌턴은 '각 원소는 어떤 정해진 질량을 가진 입자의 집합이다. 이 입자를 '원자(atom)'이라고 하면, 화합물은 원자가 결합함으로써 만들어진다.'라고 생각했다. 그리고 1803년에 돌턴은 세계 최초로 '원자 기호'를 발표했다.
3-2. 원자량'의 개념도 생겼다.
돌턴은 '원자량(atomic weight)'이라는 개념도 만들었다. 그리고 수소 원자를 1이라고 했을 때 그 원자량을 1이라고 하고, 그 값도 계산했다. 이때 돌턴이 말한 '원자량'의 개념은 현재도 사용되고 있다. 현재의 '원자량'은 그 개념이 약간 바뀌어 '탄소-12(12C)'의 원자량을 12로 했을 때 각 원자의 상대 질량으로 정의되어 있다. 돌턴은 수소 원자의 무게를 1로 계산한데 비해, 현재는 '탄소-12'를 12로 해서 각 원자량을 구했다. 아래는 '돌턴이 생각한 원자량'과 '현재 쓰이는 원자량'을 비교한 표이다.
| 원소 | 돌턴이 계산한 원자량 | 현재 쓰이는 원자량 |
| 수소(H) | 1 | 1.008 |
| 질소(N) | 5 | 14.007 |
| 탄소(C) | 5 | 12,001 |
| 산소(O) | 7 | 15.999 |
| 인(P) | 9 | 30.974 |
| 황(S) | 13 | 32.065 |
| 칼륨(K) | 42 | 39.098 |
| 철(Fe) | 38 | 55.845 |
| 아연(Zn) | 56 | 65.38 |
| 구리(Cu) | 56 | 63.546 |
| 납(Pb) | 95 | 207.2 |
| 은(Ag) | 100 | 107.868 |
3-3. 100년이 더 지나서야, 원자의 존재가 실제로 증명되었다.
하지만 돌턴은 원자라는 입자의 존재를 상상했을 뿐이었다. 원자의 존재가 실제로 증명된 것은 그로부터 100년이나 지난 뒤의 일이었다. 물리학자 '알베르트 아인슈타인(Albert Einstein, 1879~1955)'이 이론을 세우고, 프랑스의 물리 화학자 '장 바티스트 페랭(Jean Baptiste Perrin, 1870~1942)'이 실험으로 증명하였다.
4. 주기율표의 탄생
19세기에는 차례로 새로운 원소들이 발견되었다. 그리고 발견된 원소를 주기율표로 정리한 사람이 러시아의 화학자 '드미트리 멘델레예프(Dmitrii Ivanovich Mendeleev, 1834~1907)'이다.
멘델레예프는 화학 교과서를 쓰다가, 원소를 어떻게 소개해야 할지 고민했다. 당시에 알려져 있던 원소는 63종이었다. 1868년 멘델레예프는 63종의 원소를 카드에 써서 배열하고, 원소를 설명하는 데 어울리는 순서를 찾았다. 그러자 비슷한 화학적 성질을 가진 원소가 주기적으로 나타난다는 점을 발견했다. 나아가 멘델레예프는 같은 성질을 가진 원소가 같은 줄에 오도록, 원소를 원자량이 작은 것부터 큰 것 순서대로 배열했다. 이렇게 만들어진 것이 1869년에 발표된 '주기율표(periodic table)'이다. 이후 '주기율표'는 화학의 발전에 큰 공헌을 했다.