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주기율표는 원소를 원자번호 순으로 나열한 지루한 표가 결코 아니다. 규칙을 알게 되면, 매우 단순하고 명쾌한 주기율표가 눈앞에 등장한다. 이 책은 샛길로 빠지지 않고, 주기율표를 보는 방법을 매우 효과적으로 가르쳐주는 책으로, 주기율표를 양쪽 끝에서 공격하라거나 전자 궤도를 채우고 남은 전자에 주목하라는 등 주기율표를 읽는 핵심적인 방법을 친절하게 소개한다. 초신성의 폭발로 등장한 다양한 원소들, 존재량이 많은 원소를 활용하는 생명체, 자석을 더욱 강하게 만드는 희토류, 인체가 착각해서 받아들이는 독성 물질 등 우주, 지구, 인체를 둘러싼 흥미로운 원소 이야기를 만날 수 있다.

우주, 별, 지구, 몸에서부터 아주 작은 전자까지…
“주기율표로 모든 것을 읽어낼 수 있다”
감탄하지 않았다면, 아직 주기율표를 볼 줄 모르는 것

“ 이미 양자화학을 배운 경험이 있는 저는 달랐습니다. 눈에서 뿌연 안개가 걷히는 마음으로 주기율표를 바라보던 것을 지금도 똑똑하게 기억합니다. 원소에 대해 흥미가 있던 제게는 (…) 일련의 진화의 흐름이 원소의 구성 비율에서 보이기 시작했습니다……”
_본문 중에서

★ 주기율표의 양쪽 끝에 주목해야 하는 까닭은? ★
★ 왜 인체는 수소, 산소, 탄소, 질소로 이루어져 있을까? ★
★ 우리 몸이 세슘을 칼륨으로 착각하는 이유는? ★
★ 왜 희토류 원소들은 성질이 서로 닮았을까? ★
★ 독성이 있는 원소들의 특징은? ★

왜 주기율표는 지금과 같은 모양일까? 주기율표는 양끝으로 세로 기둥이 두드러지게 서 있고, 중간에 가로로 된 복도들이 늘어 서 있다. 요시다 다카요시(吉田 たかよし)의 『주기율표로 세상을 읽다』(원제 :元素周期表で世界はすべて?み解ける)는 주기율표를 어떻게 읽어야 하는지, 주기율표가 우리에게 어떤 의미가 있는지를 소개해주는 교양 과학책이다. 주기율표를 양쪽 끝에서 공격하라거나 전자 궤도를 채우고 남은 전자에 주목하는 등 주기율표를 읽는 핵심적인 전략을 친절하게 소개해준다.
이 책은 원소를 쭉 나열해서 설명하는 대신, 핵심을 잘 파악할 수 있게 원소들을 특성별로 묶어서 설명하는 방식을 취한다. 주기율표를 원자번호 순으로 읽지 않고, 위계를 나눠서 설명하기 때문에, 평면적인 주기율표를 입체적으로 파악할 수 있도록 해주는 것이 특징이다. 그래서 책을 쭉 읽어나가다 보면, 주기율표 속에 숨겨진 절묘한 법칙에 그만 감탄하게 될 뿐 아니라, 주기율표가 우주, 지구, 인체와 어떻게 연관되는지도 선명하게 알게 된다.
그러면 과연, 주기율표를 어떻게 읽어야 할까? 한때 양자화학을 연구한 적 있는 저자는 의사가 되고 나서야 “눈에서 뿌연 안개가 걷히듯” 비로소 주기율표의 진면목을 보게 됐다면서, 자신이 알게 된 몇 가지 접근 방식을 소개한다. 저자에 따르면, 양자화학에서 활용하는 슈뢰딩거 방정식은 전자의 존재확률을 보여주는데, 주기율표는 “양자화학의 결론을 수식에 의존하지 않고 나타낸” 탁월한 작품이다.

가장 먼저 양쪽 끝을 공략하라!
우선, 주기율표를 효과적으로 파악하려면 가장 먼저 양쪽 끝을 공략하는 것이 좋다. 왼쪽에는 1족과 2족이 있으며, 오른쪽에는 18족이 있다. 1족은 ‘원자가전자(가장 바깥쪽 궤도를 도는 전자)’가 1개, 2족은 ‘원자가전자’가 2개인 원소들로 이루어져 있고, 18족은 가장 바깥쪽 궤도가 전자로 꽉 채워진 원소들로 이루어져 있다. 참고로, 원소의 대체적인 성질은 원자가전자의 수로 결정되는데, 주기율표의 세로 한 줄은 ‘원자가전자’가 닮은 상태일 경우가 많다. 이렇게 왼쪽에서부터가 아니라 양 끝에서 공략하는 이유는 주기율표의 양 끝으로 갈수록 세로로 늘어선 원소들의 특징이 뚜렷해서다.
가령, 세슘과 칼슘은 둘 다 ‘원자가전자’가 1개인 1족 원소들이다. 우리 몸은 칼륨을 적극적으로 체내로 받아들이려고 하는 경향이 있어서, 세슘이 있으면 인체는 세슘을 칼륨이라고 착각해서 체내로 받아들이고 만다. 비슷한 현상이 2족 원소들인 스트론튬과 칼슘 사이에서도 이뤄지는데, 스트론튬과 칼슘은 둘 다 원자가전자가 2개여서 우리 몸은 스트론튬을 칼슘이라고 착각해서 체내로 쉽게 받아들인다. 문제는 세슘과 스트론튬은 우리 몸에 들어오면 해로운 원소들이라는 데 있다.
원자가전자가 불안정하게 가장 바깥쪽 궤도를 도는 1~2족과 상반되게, 18족인 희유 기체들은 가장 바깥쪽 궤도가 전자로 꽉 채워져 있어서, 다른 원자와 반응하지 않는 원소들이다. 이런 기체들로는 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논, 라돈 등이 있다. 다른 원자와 반응하지 않기 때문에, 헬륨은 비행기나 기구에 이용되고, 아르곤은 알레르기를 치료하는 데 사용되며, 제논은 부작용이 거의 없는 마취제로 사용된다.
주기율표의 양쪽 끝을 공략했다면, 그 다음에는 가로줄로 늘어선 전이원소들을 살펴보면 된다. 3족에서 11족까지의 원소들이 전이원소인데, 이들 전이원소는 가로 방향으로 원소의 성질이 거의 비슷하다는 특성을 지녔다. 그래서 이들 전이원소는 세로 방향(족)이 아니라 가로 방향(주기)으로 원소를 살펴봐야 한다. 4주기의 모든 전이원소는 대체적으로 우리 인체가 작으나마 필요로 하는 원소들이며, 5주기의 전이원소는 모두 인체에 약한 독성을 띠는 원소들이다. 6주기의 전이원소(란타넘족 포함)는 우주에서의 존재량이 극히 적으며 우리 몸은 이들 원소를 필요로 하지 않는 경향이 있다.
전이원소 중의 전이원소는 희토류 원소들이다. 희토류는 3족의 6주기까지의 원소들로, 자석을 더욱 강하게 하는 특성으로 인해 첨단 기술 제품을 만드는 데 필요한 원소가 되었다. 네오디뮴, 디스프로슘 등 열일곱 종류의 원소들은 그 성질이 전반적으로 아주 닮았기 때문에, 희토류는 한데 묶어서 파악하는 게 좋다.

원소의 특성을 적극 활용한 인체
그 다음으로 우주와 인체를 구성하는 원소들을 구성 비율별로 살펴보는 게 효과적인데, 우주, 지구, 인체를 구성하는 원소들의 특징과 법칙이 한눈에 들어오기 때문이다. 저자가 찾아낸 특징들이 있다면, 우주를 구성하는 원소 중 많은 비율을 차지하는 원소들로 인체가 구성되었다는 점, 지구와 인체를 구성하는 원소들 상당수가 초신성 폭발로 만들어졌다는 점, 인체가 주로 사용하는 원소들 바로 아래에 있는 원소는 독성이 있다는 점 등을 꼽을 수 있다.
특히 생명체들의 경우, 신경 자극을 전달하거나 근육을 수축시키는 데 1족 원소인 나트륨과 칼륨의 특성을 적극적으로 활용했다는 점을 발견할 수 있다. 신경이 자극을 전달하고 근육이 수축하는 현상은, 특정 신호에 의해 세포 밖에 있는 나트륨이 세포 안으로, 세포 안에 있는 칼륨이 세포 밖으로 이동하는 현상을 적극 이용한 것이다. 나트륨과 칼륨은 가장 바깥쪽 궤도의 전자 1개를 잃어버림으로써 이온 상태가 되는 원소들이다.
이처럼 이 책은 주기율표를 보는 방법을 매우 효과적으로 알려줌으로써, 적재적소에 원소를 배치한 주기율표의 위대함에 더없는 매력을 느끼게 해주는 책이다. 저자는 좀더 깊이 알고 싶은 이들이 이해할 수 있도록, 별도의 섹션(‘한 걸음 더’)을 통해 주양자수, 방위양자수, 자기양자수로 전자의 궤도를 파악할 수 있는 양자화학적 원리도 자세히 설명해놓았다.

머리말 5
1장 주기율표에는 무엇이 적혀 있나? 19
원소 주기율표는 양 끝에서 공격하자! / 세로로 비슷한 전형원소, 가로로 비슷한 전이원소 / 예언이 적중한 미지의 원소 / 양자화학이란 무엇인가? / 원자핵을 둘러싼 전자의 존재확률 / 전자는 안쪽 궤도부터 채워나간다 / 원소의 성질을 결정하는 ‘채우고 남은 전자’ / 원소를 착각하는 인체 / 알칼리 금속의 친구들 / 세슘과 악성 종양 / 알칼리 토금속의 친구들 / 방사성 스트론튬의 위험 / 세포 분열과 암 / 주기란 무엇인가? / 전자의 정원이 주기를 결정한다
│한 걸음 더│전자 궤도를 결정하는 네 가지 원칙 50

2장 주기율표로 우주를 풀어나간다 57
지구에서는 원소가 탄생할 수 없다 / 1000만 도 이상의 고온이 원소를 낳는다 / 원시 우주는 이렇게 탄생했다 / 가장 안정적인 원소, 철 / 초신성 폭발로 태어난 원소의 화학 진화 / 베텔게우스의 천체 쇼는 언제 일어나나? / 우주는 수소로 가득 찼다
│한 걸음 더│생명의 실마리는 혜성이 가져다줬다? 75

3장 화학반응을 반복하는 인체 79
38억 년 간 반복된 선택과 도태 / 4개의 원소로 이루어진 정밀 장치 / 몸을 구성하는 소량 원소 / 무거운 원소는 인체에 많지 않다 / 연금술사의 부질없는 노력과 화학 / 헬륨은 왜 사람의 몸 안에 존재하지 않는가? / 화학반응이란 무엇인가? / 베릴륨은 왜 우주에 조금밖에 없는가? / 원자번호가 짝수이면 안정적이다 / 우리는 원소에 의존해서 살아간다 / 산소를 나르는 귀중한 금속

4장 우리는 어떤 원리로 움직이는가? 109
동물은 두 개의 원소 덕분에 움직일 수 있다 / 나트륨[소듐]은 불안정한 금속 / 칼륨[포타슘]과 방사성 칼륨 / 유령 포즈를 만드는 것은? / 많이 닮았지만 약간은 다른 원소들/ 단세포 생물이 선택한 원소 / 고혈압을 초래하는 식염 욕구 / 영양 섭취량과 원소 /칼륨 과잉 섭취

5장 희토류는 삐져나온 게 아니다 131
수요가 급증하는 강력한 자석 / 희토류, 희유 금속, 비금속 / 열일곱 개의 희토류 원소/ 왜 중국에 기선을 제압당했나? / 주기율표의 하단 / 다양한 형태의 주기율표 / 희토류로 강력한 자석이 만들어지는 원리
│한 걸음 더│6주기와 7주기의 숨겨진 특징 150

6장 아름다운 희유 기체 155
희유 기체의 아름다운 궤도 / 우량 기체 헬륨 / 꼭꼭 숨은 원소 네온 / 꽃가루 알레르기와 아르곤 / 크립톤과 제논 / 라돈과 온천 / 목소리의 높낮이는 기체의 무게로 결정된다 / 직업 다이버를 도와주는 헬리옥스 / 헬륨은 아름다운 공 모양 / 제논은 이상적인 마취제

7장 독성을 지닌 원소들 179
아연, 카드뮴, 수은 / 아연(Zn) / 카드뮴(Cd) / 수은(Hg) / 황과 사이가 좋은지가 관건이다 / 수은에 노출되는 인체 / 디톡스 요법의 빛과 그림자 / 독이 되는 기타 전형원소 /루비듐 시계는 10만 년 동안 틀리지 않았다 / 세슘과 표준시계 / 바륨은 맹독이다 / 전이원소는 가로 줄의 성질이 비슷하다
맺음말 209
찾아보기 212

“원소 주기율표를 조감해서 볼 때 가장 중요한 철칙은 바로 다음과 같습니다. ‘주기율표는 왼쪽에서부터가 아니라 양 끝에서 공략한다.’ 축구 시합을 할 때 수비가 두터운 중앙을 공격하기보다 양 끝에서 돌파하는 편이 좋다고 하는데 주기율표를 공략하는 경우도 마찬가지입니다. 양 끝에서 공격해야 훨씬 효율적으로 이해가 됩니다. 이유는 주기율표는 양 끝으로 갈수록 세로로 늘어선 원소들의 특징이 뚜렷하기 때문입니다. 반면 주기율표의 가운데 부근은 전자 배치가 복잡한 경향을 보입니다. 그렇기 때문에 같은 줄이라도 반드시 원소의 성질이 비슷하다고는 할 수 없습니다.” (20쪽)

“태양보다 10배 이상 큰 항성은 내부에 있는 연료가 다 타버리면 그 크기를 지탱하지 못하고 폭발하고 맙니다. 이것이 바로 초신성 폭발입니다. 이때 어마어마한 에너지가 방출되는데, 초신성 폭발 직후 단 1초 사이에 철보다 무거운 원소들이 속속들이 만들어집니다. … 초신성 폭발이 일어나면 주위의 우주 공간에 무수한 먼지가 흩뿌려집니다. 이 먼지가 모여서 다시 항성이 탄생합니다. 이 새로운 항성도 수명이 다하면 초신성 폭발을 일으키고 더 무거운 원소를 만들어냅니다. 그리고 또 다시 먼지가 모여서 항성이 태어나고 결국 초신성 폭발을 일으킵니다. 이렇게 끊임없이 반복적으로 초신성 폭발이 일어나고, 그때마다 무거운 원소가 만들어지는 과정도 반복됩니다.” (65~67쪽)

“생물이 근육과 신경을 조절하는 원소로 나트륨과 칼륨을 고른 것은 우연이 아닙니다. 인체의 경우 세포의 바깥에 있는 것은 림프액과 혈액입니다. 그런데 단세포 생물 시대로 거슬러 올라가면 세포의 바깥에 있던 건 바다였습니다. 바닷물에 함유된 양이온의 원소 중에서 압도적으로 많은 것이 나트륨입니다. 그러니 세포의 바깥에서 안쪽으로 들어오는 원소는 나트륨 이외에는 선택지가 없었습니다. 나트륨 이외의 원소를 선택했다면 세포의 바깥에도 원소가 적으니 아무리 통로를 열어놓아도 좀처럼 양이온이 들어오지 않았을 겁니다. 이러면 반응에 상당한 시간이 걸려 온-오프 스위치 역할을 하기가 어렵습니다.” (120~122쪽)

“희토류는 고성능 자석에 없어서는 안 되는 재료로 지금은 세계 경제를 쥐락펴락할 정도로 중요한 존재가 돼버렸습니다. 희토류를 사용한 자석은 ‘희토류 자석’이라고 불리는데, 뭐니뭐니 해도 높은 자력을 보유할 수 있다는 점이 최대의 강점입니다. 하이브리드자동차나 전기자동차의 모터는 결국 자석으로 구동하기 때문에 자력이 커지면 그만큼 파워와 속도가 올라갑니다. 게다가 희토류는 녹는점(융점)이 상당히 높고 열전도율이 높은 등, 다른 원소가 갖지 못한 성질도 갖고 있습니다. 산업계 입장에서는 이 부분도 커다란 매력입니다.” (135~136쪽)