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다르게 보고 다르게 생각한다!
주기율표는 암기하는 것이 아니라, 이해하는 것이다
『사이언스 빌리지』의 저자 김병민이 선사하는 주기율표를 읽어내는 새로운 시선

우주를 읽는 지도, 주기율표
수헬리베붕탄질산플네나마알규인황염아칼칼. 주기율표 1번부터 20번까지 맨 앞 글자만을 떼서 외우는 이 방식은 지난 수십 년 간 변하지 않았다. 이런 환경 속에서 화학의 매력을 찾으라니, 무리일 수밖에. 이 책의 저자인 김병민은 화학공학을 전공하고 화학에 매혹된 한 사람으로서, 주기율표의 아름다움을 사람들이 알지 못하는 것에 대한 안타까움을 줄곧 느껴왔다. 이것은 주기율표를 처음 접할 때, 제대로 된 방식으로 접근하지 못했기 때문이다. 공부할 것은 많은데 시간은 한정되어 있는 교과 과정에서 주기율표와 화학을 공부하기 위해서는 어쩔 수 없이 암기를 우선시할 수밖에 없다. 과학저술가로서 화학의 유용성과 아름다움을 사람들에게 전달하기 위해 다년 간 노력해온 저자로서는 통탄할 노릇이다. 사실 화학은 이 세상 모든 물질의 구성과 우주의 비밀을 담고 있는 매력적인 학문인데도 말이다. 주기율표는 이 복잡한 세상과 우주를 이해할 수 있게끔 우리를 인도해주는 지도다. 그것도 어디서 거저 주어진 것이 아니라, 수백 년에 걸쳐 인간이 하나씩 쌓아 올려온 노력의 결정체다. 주기율표의 네모진 칸 하나하나에는 수많은 사람들의 다양한 이야기가 담겨 있다. 이 책에는 그 이야기를 풀어냄으로써, 주기율표를 구성하는 원리의 아름다움과 주기율표가 만들어지는 과정에서 있었던 수많은 시행착오와 노력을 사람들에게 전달하고자 하는 저자의 바람이 고스란히 반영되어 있다.

저자는 사물을 바라보는 ‘다른 시선’과 ‘궁금증을 가지고 질문하는 행위’ 자체를 무한히 긍정한다. 이 책의 구성 자체가 그의 자유로운 발상과 남다른 시선의 결과물이다. 책을 반드시 앞에서부터 뒤로 읽을 필요는 없다. 마치 두 권의 책을 붙여 놓은 듯한 이 책은 앞뒤 어느 쪽에서부터 읽어도 전혀 문제가 되지 않는다. 1부에 해당하는 『주기율표를 읽는 시간』에서는 ‘주기율표’라고 하는 대상을 독자와 함께 천천히 ‘읽어나가는’ 시간을 제공한다. 별이라고 하는 동경의 대상에서 출발해 별이 알려주는 물질의 비밀과 원소와의 관계로 운을 띄운 저자의 이야기는 원자와 원소라고 하는 개념의 발견에서 주기율표가 서서히 만들어지는 과정을 천천히 훑는다. 2부인 『신비한 원소 사전』에서는 118개 각 원소의 개괄적인 특성을 소개하면서, 각 원소에 얽힌 다양한 역사상의 에피소드 혹은 쓰임새를 소개한다. 눈에 쏙 들어오는 직관적인 이미지와 함께라면, 주기율표를 구성하는 원소들이 실험실이나 교과서 안에만 존재하는 것이 아니라 우리 주변에 산재해 있다는 사실을 쉽게 이해할 수 있다.

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주기율표는 왜 이렇게 이상하게 생겼을까?
주기율표의 건축공학

주기율표에 대해서 잘 모르는 상태에서 현재 통용되는 표준 주기율표를 보면 이게 뭔가 싶다. 118개의 칸이 정방형으로 배열된 것도 아니고, 여기저기 삐쭉삐쭉하게 튀어나와 있으며, 아예 중간에서 이가 빠져서 밖으로 나와 있는 부분까지 있다. 이 배열을 무작정 외우자면 당연히 진저리가 나기 마련이다. 표준 주기율표라고 해도 거기에 담기는 내용은 다양해서, 원자 번호와 원소 기호만을 나열해 놓은 가장 간단한 주기율표에서 원자량을 비롯한 각 원소의 다양한 정보를 담은 표까지 천차만별이다. 그러나 이 복잡한 정보들을 모두 외울 필요는 없다. 우리에게 필요한 것은 주기율표와 원소를 암기하는 것이 아니라, 말하자면 주기율표라고 하는 장엄한 건축물을 만들어온 건축공학을 이해하는 것이다. 주기율표의 가로행과 세로열에는 각각 어떤 의미가 담겨있을까? 주기율표 아래로 빠져나온 두 행은 왜 저렇게 동떨어져 있을까? 원소의 수가 정해져있는 게 아니라, 자꾸 늘어나는 건 왜일까? 저자는 주기율표를 보고 떠올릴 수 있는 다양한 질문에 친절하게 답한다. 주기율표를 이해하기 위한 이 느긋하고 낯선 시도는 사실 완전히 새롭거나 특별한 것이 아니다. 주기율표를 만들어온 선배 과학자들의 자취를 좇는 아주 당연한 과정일 뿐이다. 그러나 이 당연한 것이 당연하게 이루어지지 않는 현실에서, 이 시도는 주기율표를 읽어내는 새로운 시각을 선사할 것이다.

주기율표의 또 다른 얼굴

우리가 흔히 아는 표준 주기율표가 주기율표의 전부일까? 결코 그렇지 않다. 저자는 책을 통해 시종일관 틀에 얽매지 않는 자유로운 시선을 강조한다. 주기율표도 마찬가지다. 국제 순수 및 응용화학 연맹(IUPAC)이나 대한화학회에서는 멘델레예프의 주기율표를 기초로 보강해온 주기율표를 표준으로 규정하고 있다. 그러나 이 ‘표준’ 또한 영고불변한 것이 아니다. 애초에 60여 가지의 원소에서 출발한 주기율표는 계속해서 변화하고 진화해왔기 때문이다. 이것은 원소를 둘러싼 사람들의 호기심과 노력의 결과다. 이 노력은 다양한 방식으로 결실을 맺어, 표준 주기율표 외에도 각자 다른 방식으로 원소를 정리하고 세상을 이해하고자 했던 결과물을 여기저기서 찾아볼 수 있다. 지각의 원소 구성비를 반영한 주기율표, 1족 원소와 18족 원소를 분리시키는 게 아니라 마치 지구본처럼 한 바퀴를 돌아 만나게 구성한 주기율표 등 다양하다. 저자는 주기율표의 원리와 거기 내포된 아름다움 자체를 사랑하는 주기율표 ‘덕후’다. 당연히 표준 주기율표 이외의 주기율표가 가진 저마다의 매력 또한 사랑할 수밖에 없다. 이 책에서도 여러 가지의 대체 주기율표들을 소개하고 있다. 화학에 있어서도 고정관념에 사로잡히지 않는 게 중요하다. 그가 소개하는 다양한 주기율표의 면모는, 화학을 바라보는 사람들의 시선을 지평 너머로 확장시킨다. 특히 책을 감싼 띠지를 펼쳤을 때 나타나는 형형색색의 다양한 주기율표에는 화학을 공부하는 학생들만이 아니라, 화학과 거리가 먼 사람들의 마음도 단숨에 잡아끌만한 매력이 있다.

원소를 좇는 사람들
우리는 답을 찾을 것이다

인류는 기원전 이전부터 다양한 물질을 이용해왔다. 그러나 순수한 원소 상태의 물질을 이용할 수 있었던 것은 열 손가락에 꼽을 정도밖에 되지 않았고, 그 정체에 대해서도 잘 알고 있지 못했다. 1766년에 ‘수소’의 존재를 밝혀냈고, 그렇게 서력 18세기 이후에 이르러서야 본격적으로 원소와 물질의 존재를 탐구하게 되었다. 그 열정은 점차 박차를 가해, 118개 원소 중의 대부분은 근 400년 안에 발견되거나 혹은 만들어졌다. 사원소설, 오행사상, 에테르, 플로지스톤. 물질에 대한 이해를 가로막은 수많은 몰이해와 오류가 있었지만, 그 암흑기를 넘어 인류는 점점 물질을 알아가고 있다. 어제보다 오늘 더 많이, 그리고 오늘보다 내일은 더더욱 깊게. 인공 원소를 만들어내 118번까지의 자리를 채워낸 현재의 표준 주기율표가 이 사실을 여실히 드러내고 있다. 그 물밑에는 현재 각 원소의 최초 발견자로 이름을 남긴 사람들 이외에도 헤아릴 수 없는 사람들의 노력이 있었고, 그 뜻을 이어받은 사람들은 지금도 119번째 원소를 사냥하기 위해서 불철주야 연구에 매진하고 있다. 인류 문명은 원소를 이해하게 되면서 획기적인 발전을 이루었다. 우리 주변의 각종 화학제품이나 의약품을 비롯해, 도처에서 화학은 미시세계와 거시세계의 사이에서 우리 삶을 지탱하고 있다. 물론 화학의 발전이 이로움만 가져다준 것은 아니다. 마치 인류의 오만을 꾸짖는 것처럼 부작용 또한 나타나고 있다. 그러나 그 또한 화학에 대한 올바른 이해와 접근을 통해서 극복할 수 있을 것이다. 영화 《인터스텔라(Interstellar)》의 그 유명한 경구에서 말하듯, 우리는 답을 찾을 것이다. 늘 그랬듯이.

별과 인간 그리고 원소

우주와 별에 대한 인간의 동경은 어디에서부터 시작했을까? 한국의 천재 시인 윤동주는 「별 헤는 밤」에서 밤하늘의 별을 헤아리며 그리움을 곱씹는 섬세한 감정을 노래했고, 네덜란드의 인상파 화가 빈센트 반 고흐는 대표작인 「별이 빛나는 밤(The Starry Night)」에서 밤하늘을 수놓은 빛나는 별을 묘사했다. 별을 소재로 예술 활동을 한 것은 이들뿐만이 아니다. 더 거슬러 올라가면 고대 그리스 시절부터 별은 자연물과 인간사의 대유로, 혹은 지향점으로 기능해오고 있었다. 우주 진출에 아무런 실익이 없던 시절, 손으로 수십만 장의 계산을 써내려가면서 로켓을 띄워 인간을 우주로 날려 보냈던 것이, 우주와 별에 대한 동경 없이 가당키나 했을까? 그것은 틀림없이 그리움에 가까운 동경심의 발로였으리라. 『주기율표를 읽는 시간』의 저자인 김병민은 과학을 전공했고, 현재도 과학자들과 함께 일을 하고 있는 사람답지 않게, 다소 감상적인 이야기로 운을 띄운다. 별에 대한 인간의 동경심의 바탕에 인간이 스스로의 존재를 탐구하고자 하는 욕망과 호기심, 그리고 우주의 비밀이 그 해답으로 이어지리라는 무의식적인 확신이 존재하지 않았을까 하는 이야기다. 흥미로운 사실은 과거에 중국을 중심으로 한 동양 사상에서는 인간의 신체를 소우주(小宇宙)라고 표현하면서, 자연의 이치를 그대로 담고 있는 하나의 세계로 간주했다는 점이다. 기(氣)나 음양오행(陰陽五行)이라고 하는 다소 주술적인 관념으로 이어지기에 이 사상을 그대로 받아들일 수야 없지만, 그래도 현대적 관점에서 해석하더라도 흥미로운 지점을 간직하고 있다. 현대 화학의 시선에서 볼 때, 우주를 구성하는 원소와 인체를 구성하는 원소는 아무런 다를 바가 없기 때문이다. 사실은 다를 바 없는 수준이 아니라, 동일한 원소 그 자체다. (현재 우주의 시작에 대해 가장 신빙성 있는 가설인) 빅뱅 이론에 의하면 빅뱅 이후 별이 만들어지면서 점점 무거운 원소가 만들어졌고, 이 원소들은 순환하면서 이윽고 지구를 만들고, 또 생명체를 만들었다. 바로 인간 말이다. 인간을 만든 재료는 우주를 만든 재료와 완전히 동일하다. 어떤 의미에서 우주를 이해한다는 것은 원소를 이해한다는 것이고, 이것은 결국 인간을 이해하는 과정이기도 하다. 중화 반만 년의 역사를 넘어, 동양 철학은 이렇게 현대 화학과 만난다.

장홍제(「원소가 뭐길래」, 「원소 쫌 아는 10대」의 저자 광운대 화학과 교수)
헤아릴 수 없이 많은 세상의 물질들을 구성하는 단 100여 개 남짓한 원소들, 그리고 새롭게 발견되는 또 다른 원소들의 존재까지, 원소에 대한 이야기는 흥미롭고 매력 있지만 그만큼 다루기 어렵다. 기존의 많은 책이 원소를 백과사전식으로 나열하거나, 발견의 역사 혹은 감춰진 비화들을 바탕으로 옴니버스식 흥미 본위 서술로 구성되어왔던 것에 반해, 『주기율표를 읽는 시간』은 원소에 대한 이야기를 장치 삼아 과학의 다양한 분야에 접근하는 입문 안내서이다.
원소의 시작을 이해하기 위해 별들을 바라보며 시작하는 『주기율표를 읽는 시간』은, 인류 역사 수천 년의 시간 속에서 원소와 물질 발견의 지난한 과정을 함께 거쳐 다시금 별들을 바라보며 인류의 무한한 가능성을 이야기한다. 막연히 어렵게만 느껴질 수 있는, 화학·환경·공학·에너지를 비롯한 과학 분야 속에서 어떠한 원소가 각기 적용되고 있는지를 일상과의 교집합을 바탕으로 자연스럽게 녹여내는 책의 흐름은, 화학을 공부하고 가르쳐온 나 역시도 감쪽같이 빠져들게 만들었다.
과학기술의 과거와 미래를 잇는 이정표이자 지도인 주기율표를 통해, 가장 기본적인 원소/원자 단계로부터 현대 융합과학 분야까지 유기적으로 자아내고 있기에, 『주기율표를 읽는 시간』은 어떤 독자에게든 부담 없이 다가와 많은 지식과 생각할 여지를 남겨준다. 덧붙여 시각화된 양질의 자료 위주로 구성된 2부는, 1부를 읽으며 생기는 궁금증을 실시간으로 해소할 수 있는 훌륭한 참고서이기도 하다. 2020년대를 여는 과학책으로 주저 없이 추천한다.

004 들어가며

1부_주기율표를 읽는 시간

1장 우주를 담은 주기율표
010 세상은 원자로 이루어져 있다
014 모든 것은 별에서 왔다
018 원소의 기원, 빅뱅과 별의 탄생
023 인류에게 물질이란 어떤 의미였을까
028 욕망의 학문, 연금술
034 주기율표의 탄생
040 왜 멘델레예프가 ‘주기율표의 아버지’가 되었을까
047 원자의 정체를 알기 시작하다
057 인간의 욕망을 닮은 화학

2장 주기율표의 건축미학
064 원자가 원소로 구별되는 이유
076 양파를 볼 때마다 생각나는 전자 배치의 규칙
085 전자 배치의 주기율표 메커니즘
093 원소의 성질은 채우고 남은 전자가 결정한다
098 주기율표 위쪽엔 원소가 왜 적을까
103 원자량은 왜 어중간할까
110 주기율표 가로세로

3장 주기율표 저택의 주민들
116 반응성이 좋은 알칼리 금속
120 염을 만드는 할로젠 원소
124 고고한 귀족, 비활성 기체
129 주기율표의 연결 고리, 전이금속
136 준금속과 비금속
142 란타넘족과 희토류 원소
149 악티늄족과 초우라늄 원소
154 알칼리 토금속과 이온화 경향

4장 원소의 성질과 주기율표의 미래
162 원소의 물리적 성질에도 주기성이 있다
169 왜 원자는 혼자 있는 걸 싫어할까?
174 화학 결합 Ⅰ
178 화학 결합 Ⅱ
184 금속은 모두 단단할까?
189 금속은 반짝이고 늘어나며
전기와 열을 잘 전달한다
197 주기율표는 하나가 아니다
207 별에서 와서 다시 별로 돌아가다
213 원소는 118개가 끝일까

220 추천의 글

2부_신비한 원소 사전

화학의 영역은 실로 광범위하지만, 굳이 지리적 위치를 말하자면 물리학과 생물학이나 지구과학 사이 정도가 되겠다. 물리학은 입자 외에는 큰 관심이 없다. 대신 미시세계의 정체와 운동을 밝혀내고 있다. 그리고 생물학과 지구과학은 복잡한 생태계를 다루며 세상이 작동하는 메커니즘을 이해하는 데 도움을 준다. 화학은 미시세계와 그 메커니즘 사이를 메우고 있다. 그래서 세상이 어떻게 만들어졌는지, 세상이 왜 그렇게 작동할 수밖에 없는지를 알려준다. 그 중심에 118개의 원소가 있고, 이 원소들이 만들어 가는 세상의 중심에 전자가 있다. 그러니까 주기율표는 세상을 만든 118개의 재료와 전자의 정보를 정리한 표인 것이다.

_4쪽, ‘들어가며’ 중에서

별의 죽음으로 만들어진 원소는 우주에 흩어져 어딘가에 다시 모여서 별이 되기도 하고, 지구와 같은 행성과 생명체를 만들기도 합니다. 이런 과학적 사실을 모르면서도 우리는 밤하늘의 별을 보며 그 너머의 세상을 동경해왔습니다. 어쩌면 우리는, 고향을 그리워하는 것처럼 우리 스스로가 별에서 왔다는 사실을 무의식 중에 알고 있었던 것만 같습니다. 마찬가지로, 앞으로 우리가 맞이하게 될 미래도 별빛 안에 있을지도 모르겠습니다.

_ 22쪽, ‘원소의 기원, 빅뱅과 별의 탄생’ 중에서

여기서 주기율표를 굳이 건축물에 빗대어 이야기한 이유는 주기율표에 배치된 원소들의 위치가 결국 원소의 특별한 특징과 성질을 말해주기 때문입니다. 이런 성질을 원자 번호별로 전부 외울 수는 없습니다. 주기율표에는 이런 성질이 잘 정돈되어 원소들이 배치되어 있지요. 그래서 원소가 주기율표에 자리 잡은 지리적 위치가 중요한 것입니다. 건축물에 대입하면 주기율표의 구조가 쉽게 떠오르고, 주기율표가 좀 더 친근해지리라 생각합니다. 주기율표에는 금속, 비금속, 전형원소와 전이원소 외에도 원소를 구분하는 여러 분류명이 있습니다. 이 이름은 원소의 성질에 따라 정해집니다. 주로 세로줄을 따라 이름이 달라지는 것을 보면 분명 전자의 배치에 의한 바깥 전자와 관련이 있겠지요. 원자의 성질을 결정하는 건 바깥쪽에 존재하는 원자가전자 때문이니까요.

_ 113쪽, ‘주기율표 가로세로’ 중에서

사실 새로운 원소의 발견이 어떤 의미로 인류에게 다가올지는 누구도 알 수 없습니다. 찰나의 시간에만 존재하는 원소가 인류의 미래에 어떤 큰 영향을 줄지도 알 수 없고 이런 연구가 단지 국가적 경쟁이나 과학자의 호기심을 충족하기 위한 모습일 수도 있겠지요. 하지만 지금까지 인류의 여정이 그러했습니다. 인류는 사물의 본성을 알기 위해 끊임없이 미지를 탐구했고 결국 우리의 과거를 알게 했고 현재를 규정한 겁니다. 우리가 확신할 수 있는 것은 새로운 물질이 우리가 미처 알지 못한 미래로 우리를 인도할 이정표가 될 수도 있다는 것입니다.

_ 218~219쪽, ‘원소는 118개가 끝일까’ 중에서