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UN 제정 ‘국제주기율표의 해’에 출간된, 원소 그리고 문명에 대한 생생한 기록

118개가 끝이 아니야
시작은 분명해도 끝은 아직 알 수 없거든
원소가 이룬 세상, 원소가 이룰 세상, 그 무한한 흥분 속에 빠져 보자

‘더 높은 단계로 도약하는 열띤 과학 토론의 장’ 풀빛의 청소년 교양 과학 시리즈 〈과학 쫌 아는 십대〉의 06번《원소 쫌 아는 10대: 세상의 가장 작은 것이 만들 가장 큰 세상》이 출간되었다. 《원소 쫌 아는 10대》는 화학의 가장 기본이 되는 ‘원소’를 다룬 책이다. 보통의 원소에 대한 책이 주기율표에 담긴 118개 원소를 개별적으로 다루며 그에 대한 단편적 지식을 전하는 데 그치고 있다면, 이 책은 원소의 과학적 정의는 물론 주기율표에 담긴 뜻과 그것을 읽는 법을 전체적으로 이해할 수 있도록 돕는다. 118개에 이르는 원소를 누가 어떻게 발견했고, 원소의 이름은 어떻게 정해졌는지, 숨어 있는 원소를 찾기 위한 현재진행형의 노력은 무엇인지 인류의 시작부터 지금까지 시간 순으로 살피고 미래를 내다본다. 또한 지구는 어떻게 탄생했고 인류는 어떤 방식으로 진화했는지, 문명이 어떻게 발달하고 화학이라는 학문은 어떻게 형성되었는지를 원소라는 파동의 근원을 가지고 순차적이고 입체적으로 서술한다. 한마디로 원소가 지휘하는 역사와 문화, 우주와 과학의 합주 공연의 무대가 이 책인 것이다.
《물질 쫌 아는 10대》를 통해 세상의 근본을 탐구하는 가이드 역할을 했던 장홍제 교수가 이번엔 원소라는 무기를 청소년에게 쥐여 준다. 인류가 진화하고 성장한 역사와 앞으로의 무대가 될 우주를 품에 안기 위해 꼭 필요한 열쇠, 원소. 원소를 제대로 알면 단순히 화학만이 아니라 우주를 다루는 지구과학과 생명을 다루는 생명과학, 입자를 다루는 물리학까지 이해의 영역을 넓힐 수 있다. 이 책이 의도한 바는 바로 그물망처럼 펼쳐진 과학의 세계와 역사와 문화의 비밀을 통찰하는 힘을 제공하는 것이다. 이 책을 읽으며 과학을 이해하는 슈퍼파워가 충전되기를 바란다.

1. 원소 그리고 문명에 대한 생생한 기록
과학기술의 발전으로 우리는 주위를 이루는 셀 수 없이 많은 물질이 무엇으로, 어떻게 구성되어 있는지 알고 또 직접 다룰 수 있게 되었다. 이러한 물질의 기본 구성 요소가 ‘원자’라 불리는 매우 작고 동그란 알갱이라는 사실을 배워 알고 있다. 그런데 원자라는 알갱이는 머리카락 한 가닥의 백만분의 일 수준으로, 현미경으로 관찰하는 수준을 넘어선다. 이렇게나 작은 원자를 도대체 누가 어떻게 생각해 내고, 찾아내고, 분석하게 된 걸까? 또 이름이 비슷한 원소, 원자, 분자는 무엇이고 어떻게 다른 걸까? 찾아낸 수많은 원소를 표현하기 위해 과학자들은 어떤 방법을 사용했을까? 그 답은 고스란히 이 책 《원소 쫌 아는 10대》에 담겨 있다. ‘세상을 이루는 기본 요소’가 원소라면, 원자는 ‘원소를 이루는 기본 단위’로서 질적인 개념과 양적인 개념으로 명확히 구분되는 것이 원소와 원자라는 것. 양성자와 중성자, 전자로 이루어진 원자의 입자적 특성에 의해 다양한 원소로 구분되는 내용을 설명한다. 책은 원소라는 세상의 근원을 찾는 역사적 과정을 서술하고, 여러 희생을 치르며 다양한 원소를 찾으려는 노력을 기울인 화학자들이 발견한 원소들을 명명한 숨겨진 이야기까지 소설처럼 그려 보인다.
이것만으로도 흥미로운데, 이게 다가 아니다. 여기서 그치지 않는다. 책은 이렇게 하나하나 발견된 원소들은 인류가 문명을 이룩하는 결정적인 계기가 되었음을 생생하게 보고한다. 최초의 화학 반응인 ‘연소’의 발견과 사용으로 인류 조상(호모 에렉투스)은 간단한 채집과 수렵 활동이 가능했고, 이후 신석기 시대에 돌입해 세계 4대 문명이라는 쾌거를 이뤘다. 구리(Cu)와 주석(Sn)의 합금인 청동을 자유자재로 활용했던 청동기 시대는 단순히 돌만을 사용했던 석기 시대를 대체하였고, 탄소(C)를 철(Fe)에 섞어 고강도 철기 제작이 가능했던 철기 시대에 청동기 시대가 자신의 자리를 내주었다. 이렇듯 시대의 변곡점을 만들어 낸 것은 당시 발견하고 쓰임이 가능해진 주축 원소의 변화 때문이다. 시대를 장악하는 특정한 원소가 무엇이냐에 따라 그 이름이 지칭하는 뜻도 달라진다. 가장 고귀한 것, 가장 높은 권력의 상징인 ‘금’의 경우 지금의 우리가 알고 있는 노란빛의 번쩍이는 ‘금’이 금이 되기까지 청동기 시대에는 ‘청동’이, 철기 시대에는 ‘쇠’가 ‘금’을 의미했다. 문명과 원소의 교차점과 그 유기적 관계를 밝히며 인류 역사를 과학적으로 재조명하는 것. 이것이 과학책이면서도 역사책을 읽듯 술술 넘어가는 이 책이 가진 마력이다.

2. 주기율표 해독에 대한 명강의
2019년은 UN이 제정한 ‘국제주기율표의 해’다. 주기율표 탄생 150주년을 기리자는 뜻에서다. 주기율표는 대체 언제, 어떻게 탄생했을까?
현재 우리가 알고 있는 주기율표의 첫 형태는 1869년, 러시아의 화학자 멘델레예프(Dmitry Ivanovich Mendeleev, 1834~1907)가 ‘원소의 성질과 원자량의 상관관계’라는 제목의 논문을 통해 발표하면서 세상의 빛을 보게 되었다. 사실상 멘델레예프의 주기율표는 그때까지 연구되어 온 내용들의 종합적인 표현으로, 이 업적으로 멘델레예프는 주기율표의 아버지라는 이름을 얻는다. 대체 멘델레예프 주기율표의 위대함은 어디에 있는 것일까?
첫째, 주기율표의 세로 기둥을 족(group)으로, 가로줄을 주기(period)로 확정지어 후대 주기율표가 이 틀을 바탕으로 지속적으로 보완되어 현재의 형태(18족 7주기)가 만들어질 수 있게 했다. 원자의 최외각에 존재하는 전자의 개수로부터 각 원소의 특징적인 성질이 결정되었기 때문에, 이들을 묶어 ‘족’이라 칭하며 나열할 수 있게 했고, 반복적으로 나타나는 같은 족의 원소들을 전자가 배치되는 껍질의 수에 따라 묶어 이를 ‘주기’로 분류했다. 이 두 요소로부터 보편적인 주기율표는 가로와 세로가 반듯하게 교차하는 2차원 형태로 정리되어 왔다. 둘째, 멘델레예프는 주기율표에서 물음표로 표현된 항목들을 만들어 두었는데, 주기율에 따라 배열했을 때 공백으로 남아 있는, 당시 발견되지 않았던 미지의 원소들의 존재 가능성을 남겨 두거나, 해당 자리에 존재하지만 알려진 원자량의 정확성에 의문이 있는 항목들을 지적해 두었다. 이 틀을 기초로 멘델레예프가 공백으로 남겨 둔 자리는 이후의 연구로 하나하나 채워졌다.
주기율표는 원소를 일정한 순서에 따라 나타낸, 주기적으로 나타나는 유사한 특성을 짐작게 하는 표다. 원소에 관한 수백 가지가 넘는 정보가 담겨 있는 주기율표는 수많은 과학자의 노력과 결실이 충분한 검증을 통해 객관적으로 정리되어 있기 때문에 과학, 특히 화학을 탐구하는 사람들에게 길과 정보를 제공하는 가장 본질적인 ‘화학사전’이다. 그런데 우리는 대체로 주기율표에 담긴 원소를 순서대로 외우려는 노력만 했지, 왜 원소들이 그런 배치를 하고 있는지 완벽히 알고 있지 못한다. 사전을 읽는 법을 먼저 알아야 우리가 알고 싶은 단어를 쉽게 찾아 그 뜻을 알 수 있듯, 주기율표에 담긴 배치가 무엇에 기초하는지를 알아야 이름을 외운 원소의 특성이 무엇이고 어떤 화학 결합을 하고 어떤 상태로 안정하게 존재하는지 제대로 기억해 낼 수 있다. 원소와 원소 이름의 매칭. 화학의 시작은 결국 거기에서부터 시작된다. 이 책은 주기율표를 해독하는 법을 완벽하게 제시한다. 족과 주기의 뜻이 단답형이고 이론적으로만 제시되는 것이 아니라 개별 원소의 특성 및 활용과 함께 자연스럽게 머릿속에 들어앉을 수 있게 가이드한다. 이제 이 책을 읽고 나면 주기율표는 포기의 대상이 아니라, 품에 안고 화학 수업을 자신 있게 들을 수 있는 자산이 된다.

3. 원소 이름의 유래와 성격을 파헤치다
태양-수성-금성-지구-달-화성-세레스와 팔라스-목성-토성-천왕성-해왕성-명왕성. 지구과학 수업이냐고? 아니다. 이건 분명 화학 수업의 일환이다. 원소의 이름이 바로 이 태양계 행성 및 위성의 이름과 연결되어 있기 때문이다. 원소를 발견한 과학자들은 원소의 이름을 지을 때 물을 만든다(Hydrogen, 수소), 산을 만든다(Oxygen, 산소)처럼 근본적인 작용에 기반하거나, 그 원소가 발견된 물질(소듐과 포타슘)을 기준으로 삼거나, 혹은 원소가 출토되던 지역의 이름(마그네슘과 구리) 등 다양한 상황을 기렸다. 하지만 이런 명확한 유래가 있는 원소들의 이름과는 다르게, 굉장히 기억에 남고 멋지지만 도대체 왜 이런 이름이 붙은 것일지 듣기 전에는 이해할 수 없는 원소들 또한 상당수 존재한다. 바로 행성의 이름을 따 명명된 원소들이다.
오랜 옛날부터 별은 호기심과 경외의 대상일 뿐만 아니라, 별자리로 시간과 위치를 파악하는 실용적인 목적으로 인류에게 쓰였다. 인류에게 매우 중요한 태양계 행성(위성 및 항성 포함)들처럼 중요한 원소를 행성의 이름과 짝지으려는 시도가 계속되어 왔고, 그 결과 앞에서 나열한 행성의 이름은 그것에 유래한 이름을 갖는 원소 커플을 갖게 되었다. 태양(helios)-헬륨(Helium), 수성(Mercury)-수은(Mercury), 금성(Venus)-구리(Copper), 지구(tellus)-텔루륨(Tellurium), 달(selene)-셀레늄(Selenium), 화성(Mars)-철(Iron), 세레스(Ceres)-세륨(Cerium), 팔라스(Pallas)-팔라듐(Palladium), 목성(Jupiter)-주석(Tin), 토성(Saturn)-납(Lead), 천왕성(Uranus)-우라늄(Uranium), 해왕성(Neptune)-넵투늄(Neptunium), 명왕성(Pluto)-플루토늄(Plutonium) 이렇게. 모두 행성의 특성과 발견된 원소의 특성을 연결해 순차적으로 이름 지어진 것이다.
그냥 달달 외우기만 했던 원소들의 이름은 이렇게 각자 자신만의 역사를 갖고 우리 앞에 존재한다. 주기율표 속에 답답하게 갇혀 있는 듯 보이지만, 실은 이렇게 자기만의 족보를 가지고 살아 숨 쉬고 있었던 것이다. 이 책은 한번 읽으면 도대체 잊히지 않는 원소 이름의 유래를 유형별로 밝히며, 화학과 과학이 역사와 문화의 영역이라는 것을 다시 한 번 깨우치게 만든다.

4. 발견한 원소, 그리고 만들어진 원소
118개 원소는 원래 지구상에 존재하는, 천연 원소일까? 누군가 길을 걷다가, 땅을 파다가, 화학 실험실에서 실험을 하다가 의도치 않았는데 우연히, 모두 그렇게 있었던 것을 발견한 것일 뿐일까? 질문의 의도가 미심쩍다고 생각했다면, 역시 답은 ‘아니요’다. 천연 원소가 아닌 인공 원소가 있다는 뜻.
지구상에는 약 90여 종의 천연 원소가 존재하는 것으로 밝혀졌다. 기원전부터 계속된 원소의 발견은 대기, 광석, 용액 등 다양한 지구상의 물질로부터 원소를 찾아내는 데 초점이 맞춰져 있었고, 그 노력에 합당한 성과를 보여 왔다. 이로부터 여러 화학 실험 기법이 개발되거나 적용되기도 했고, 복잡하게 혼합된 여러 종류의 원소를 분리해 내는 기술들 역시 계속해서 발전했다. 하지만 지구를 이루는 원소의 종류가 무한정일 수 없기 때문에, 언젠가는 자연 원소의 발견이 모두 끝나리라는 것은 예견된 일이었다.
레늄(Rhenium; Re, 1925년 발견)에 이어 프랑슘(Francium; Fr)이 레늄 발견 뒤 14년 후에 발견되었다. 하지만 이렇게 발견이 늦은 것은 지구상에 아주 미량만 존재하는 현실적 제약이 한몫을 했고, 앞으로의 원소 발견은 단순히 자연에 존재하는 것을 찾는 것에 그치지 않고 새롭게 만들어 내야 하는 창조의 영역에 해당했다. 하지만 인간은 그것을 해냈다! 그 첫 시도는 43번 테크네튬(Technetium; Tc)이다. 1937년 가속기 실험을 하던 중 몰리브데넘 판에 중성자가 우연히 충돌했을 대 새로운 원소가 나타나는 것을 관찰하였고, 이 우연한 발견은 지속적으로 연구되어 확실히 새로운 원소가 맞다는 사실이 입증되었다. 이름도 첫 인공 원소임을 기리기 위해 ‘인공적’이라는 뜻의 그리스어 테크네토스를 따 명명된 것이다. 가장 무거운 천연 원소 92번 우라늄보다 무거운 초우라늄 원소 중 최초로 인간이 만들어 낸 원소가 93번 넵투늄(Neptunium; Np)으로, 테크네튬을 발견한 방식을 그대로 적용해 얻은 원소다.
이렇듯, 원소를 ‘만들어’ 내려는 과학자들의 시도는 계속되어 왔고, 지금도 현재진행형이다. 발견을 뛰어넘어 창조의 영역에 다다른 원소와 화학의 그 뜨거운 실험장은 어느새 지구 밖 우주까지 뻗어 있다. 지구에서는 불안정하고 활용이 어려운 원소들이 우주 공간에서 매우 유용한 새로운 자원으로 활용될 거라는 기대와 함께. 118개 원소를 외우면 마치 화학을 마스터한 것처럼 우쭐해하는 마음에서 벗어날 때다. 118개의 원소가 담긴 주기율표라는 지도를 품에 안고, 지구와 지구 밖 우주를 마음껏 항해할 자세를 취할 때이다. 지금 이 책을 읽는 십대는 최소한 원소가 갇힌 세계가 아니라 무한히 광대한 과학의 세상에 문을 여는 열쇠라는 걸 이해할 것이다. 주기율표에 담긴 인류의 역사는 지금 미래를 내다보고 있다. 우리는 과거라는 든든한 배경을 가지고 주기율표라는 튼튼한 지팡이를 짚고 미래를 향해 뚜벅뚜벅 정직한 걸음을 내딛는 중이다. 여행을 떠나기 전 《원소 쫌 아는 10대》라는 이 친절하고 든든한 안내서를 꼭 읽어 보길 바란다.

■ 더 높은 단계로 도약하는 열띤 과학 토론의 장 〈과학 쫌 아는 십대〉
‘2015 개정 교육 과정’은 자주적이고 창의적이며 더불어 사는 인간상을 추구한다. 그 가치관 아래 교과별 핵심 개념과 원리를 중심에 두고 인문?사회?과학기술에 대한 기초 소양 교육을 강화하면서 교과 간 통합과 융합 교육을 하는 데 초점을 맞추고 있다.
미래형 인재를 만들려는 이런 교육의 흐름에 맞춰, 풀빛은 지식의 양보다는 핵심이 되는 개념을 선별하고 그것이 어떤 원리로 이루어져 있고 어떻게 적용할 수 있는지를 또렷이 알게 하는 청소년용 과학 시리즈를 기획하였다. 핵심과 원리, 그리고 적용이라는 삼박자에 질문과 토론을 유도하는 인문학적 고찰은 중학생 독자와 현장 교사, 학부모들이 원하는 바이자 과학 공부에 대해 〈과학 쫌 아는 십대〉 시리즈가 목표하는 분명한 방향이다.
지금까지 첨단 과학기술인 인공지능의 실체를 현실적 문제의식과 접목해 조목조목 해부한 01번 《인공지능 쫌 아는 10대》를 시작으로, 수많은 다채로운 성분으로 가득한 세상의 본질을 탐구한 02번 《물질 쫌 아는 10대》, 일상에서 쉽게 행하는 여덟 가지 소비를 통해 환경문제를 파헤친 03번 《환경과 생태 쫌 아는 10대》가 출간되면서 〈과학 쫌 아는 십대〉 시리즈는 과학적 지식을 우리의 삶과 연결시키는 적극적 노력을 선보였다. 우주론을 담은 04번 《빅뱅 쫌 아는 10대》와 빛의 세계를 담은 05번 《빛 쫌 아는 10대》, 이번에 출간된 06번 《원소 쫌 아는 10대》는 과학 영역에서 각각 지구과학, 물리, 화학 분야를 대표하는 키워드를 중심 삼아 정리한 책이다. 이후 출간될 《중력 쫌 아는 10대》, 《전자기 쫌 아는 10대》, 《유전자 쫌 아는 10대》, 《기후 변화 쫌 아는 10대》, 《미래 에너지 쫌 아는 10대》는 물리, 화학, 생명과학, 지구과학이라는 자연과학의 가장 기초적이면서 핵심적인 영역을 심화해서 다룰 예정이다.
미래 지향적인 현실 소재에서부터 기초 과학의 토대가 되는 핵심 개념까지 〈과학 쫌 아는 십대〉는 전방위로 과학을 아우른다. 이런 지식들을 단순히 정보를 앞세워 기술하기보다 원리는 무엇이고, 어떻게 적용을 하며, 해결되지 않은 과학적 문제는 무엇이고, 야기하는 쟁점은 무엇인지, 결과적으로 우리가 그것을 어떻게 받아들여 해석하고 이해해야 하는지를 대단히 입체적으로 다루는 것이 이 시리즈의 특징이다. 중학생 조카를 앞에 두고 친밀하게 이야기를 건네듯, 〈과학 쫌 아는 십대〉는 십대의 눈높이에 맞춰 가장 친절하고 가장 쉬운 설명이 핵심이다. 거기에 내용을 풍성하게 하는 사진 자료와 핵심을 파고들되 위트로 무장한 삽화로 처음부터 끝까지 호기심을 잃지 않고 완독할 수 있게 하는 매력을 갖추고 있다. 작은 부분도 놓치지 않고 십대를 위해 내용과 형식에 정성을 다한 〈과학 쫌 아는 십대〉를 친구처럼 곁에 두기를 제안한다.

원소라는 가장 작은 세계로 한 발짝 살며시

1장 쪼개고 줄 세우고
세상의 근원을 찾는 물음표｜원소와 원자는 대체 어떤 차이가｜작은 원자들의 끊임없는 밀고 당기기｜특성에 따라 체계적으로 배치해 보자｜화학사전 주기율표가 완성되기까지｜이렇게 재미있는 이야기는 주기율표에 없어

2장 원소, 생명을 이루다
우리 몸의 주연을 소개합니다｜조연처럼 보여도, 우리가 없다면 생명도 없지｜
하나의 방에 두 침대가, 오비탈의 정체｜어떤 이온이 되고 싶니?

3장 원소, 인류 문명에 이정표를 세우다
화학의 시작 또는 인류의 시작｜금속 문명의 태동, 청동기 시대｜현재진행형, 철기 시대｜
황금, 욕망과 계급의 정점에서｜납, 시대의 굴곡 사이사이｜규소, 제2의 석기 시대로

4장 연금술, 마술이냐 과학이냐
작은 호기심이 만든 화학의 황금 불씨｜연금술로 손잡은 동과 서｜
후퇴한 연금술은 화학의 진화를 낳고｜연금술의 빛나는 후예들

5장 원소를 가져다준 전기에게 박수를!
반짝! 원소에 불이 들어왔습니다｜전기화학으로 수많은 원소를 발견하다｜깨지지 않는 유리의 비밀, 붕소｜
저 행성처럼 멋진 이름을 지어 줘｜새로운 행성 하나에 새로운 원소 이름 하나씩

6장 원소의 가면을 벗겨 보자
달콤하다고? 조심해!｜상속의 가루｜쓰레기도 다시 보면 보물이니까｜추리소설의 단골 아이템｜
이타이이타이병｜가장 값비싼 죽음｜플루오린 순교자｜보다 효율적인 죽음을 위해

7장 새로운 원소를 찾아서
쏟아진다 ? 란타넘족 원소들｜천연 원소 vs 인공 원소｜원소를 인간이 만들어 내다니｜
방사능을 내뿜다 - 악티늄족 원소들｜어디까지 찾아낼 수 있을까?｜어디선가 언젠가는

원소가 만들 더 큰 세계로 한 걸음 성큼