주기율표로 세상을 읽다 (요시다 다카요시 지음, 박현미 옮김, 해나무 펴냄)

『주기율표로 세상을 읽다』는 대학에서 양자화학과 의학을 전공한 후 현재는 의사이자 저술가로 활발하게 활동중인 요시다 다케요시가 쓴 쉽고 흥미진진한 주기율표 해설서다. 저자는 인간이 발견한 가장 위대한 패턴이라 불릴 정도로 질서정연한 아름다움을 보여주는 주기율표에 대해 대부분의 사람들이 부정적인 감정을 느끼는 이유는 주기율표를 가르치는 방식에 치명적인 결함이 있기 때문이라고 주장한다. 그리고 이 책에서 주기율표를 그가 전공한 양자화학의 원리를 바탕으로 쉽고 친절하게 설명하며, 그중에서도 특별히 사람들이 흥미를 느낄 만한 의학 또는 건강에 관계되는 부분에 집중하여 이야기를 펼쳐 나간다. 크지 않은 분량에 주기율표의 원리에서 시작해 우주-지구-인간의 탄생과 주요 구성원소들, 희토류와 희유기체, 독성 원소들에 이르기까지 꼭 알아야 할 내용들을 빠짐없이 담아낸 이 책은, 주기율표라는 광대한 보물섬에 첫발을 디디기 위한 최고 수준의 입문서로 꼽기에 손색이 없어 보인다. 내용을 조금 자세히 요약하여 앞으로의 공부를 위한 바탕으로 삼기로 한다.

 

1장 주기율표에는 무엇이 적혀 있나?

1869년 러시아와 화학자 드미트리 멘델레예프에 의해 처음으로 정리된 주기율표는 모든 원소들을 원자핵의 양성자 숫자인 ‘원자번호’의 순서대로 나열한 표로, 그때까지 알려지지 않았던 미지의 원소가 가진 성질을 정확하게 예측함으로서 명성을 얻었다. 주기율표의 가로 방향인 ‘주기’는 전자 궤도가 수용할 수 있는 전자의 수와 관계가 있으며, 한 주기의 전자 정원수는 1주기가 2개, 2주기와 3주기는 각각 8개, 4주기와 5주기는 각각 18개이다. 주기율표의 세로로는 ‘원자가전가’의 상태가 비슷한 원소들이 하나의 ‘족’으로 묶여 있다

주기율표에서 같은 '족'에 속했다는 것은 원소의 대체적인 성질을 결정하는 ‘원자가전자’가 같은 상태일 경우가 많다는 것을 의미한다. 수많은 원소들은 원자가전가의 배치에 의해 화학반응이 결정되며, 인체 역시 원자가전가수로 원소를 판단하고 체내로 받아들일지를 결정하는 경향이 있다. 따라서 칼륨과 같은 족에 속한 세슘이나 스트론듐처럼 인체가 자주 사용하는 원소와 같은 족의 바로 위나 아래에 속한 원소들이 독성을 가지는 경우가 많다.

 

주기율표의 양 끝에 위치한 1-2, 12-18족에 위치한 원소들은 ‘전형원소’라 불리며 같은 족에 속한 원소들간의 유사성과 주기성이 전형적으로 나타난다. 같은 족에 속한 원소들 간의 유사성이 강한 순서대로 나열해 보면 18족(희유 기체) - 1족(알칼리 금속) - 17족(할로겐) - 2족(알칼리 토금속)이 된다. 3-11족은 ‘전이원소’라 불리며 원자가껍질의 오비탈을 채우는 전자수가 똑같고 바깥에서 두 번째 전자껍질의 오비탈을 채우는 전자수만 달라지기 때문에 서로 간에 유사한 성질을 보인다. 

 

주기율표이 좀 더 매력을 느끼려면 양자화학에 대한 지식이 필요하다. 양자화학이란 원자핵 주위에 퍼져 있는 전자의 존재확률을 구할 수 있는 ‘슈뢰딩거 방정식’으로 원소의 성질이나 화학반응을 규명하는 학문이며, 극단적으로 말하면 생명을 포함한 지구상의 모든 화학반응은 이 단 하나의 방정식에 의지한다고 말할 수 있다. 이 방정식을 원자에 대해 풀면 전자구름의 형태인 ‘오비탈(궤도함수)’와 각 오비탈이 가지는 에너지의 크기인 ‘궤도에너지’를 구할 수 있으며, 전자는 일부 예외를 제외하면 대부분 궤도에너지가 낮은 안쪽 오비탈부터 순서적으로 채워지게 된다. 

2장 주기율표로 우주를 풀어나간다. 

원소가 탄생하려면 한 원자핵을 다른 원자핵과 핵력이 작용하는 거리까지 접근시켜야 하며 이를 위해서는 1000만 도가 넘는 온도가 필요하다. 이런 온도는 지구에서는 얻을 수 없으며, ① 우주가 탄생한 빅뱅 직후 ② 항성 속에서 일어나는 핵융합 ③ 항성의 초신성 폭발에서 발생할 수 있다. 

현재의 표준 이론에 따르면 빅뱅이 발생한 100만분의 1초 후에 소립자가 탄생했고, 그 소립자가 모여 1초 후에 수소의 원자핵이 만들어졌으며, 3분 후에 헬륨이 만들어졌다. 그리고 이렇게 만들어진 수소가 모여 항성을 만들며 그 내부에서 핵융합이 발생하면서 헬륨을 포함한 무거운 원소가 서서히 만들어진다. 단 항성의 내부에서 만들어지는 원소는 모든 원소 중에서 가장 안정적인 원자핵 에너지를 가진 철까지이며, 철보다 더 무거운 원소는 태양보다 10배 이상 큰 항성에서 일어나는 초신성 폭발을 통해서만 만들어질 수 있다. 이렇게 초신성 폭발을 통해 무거운 원소가 만들어지는 반복되는 과정을 ‘원소의 화학 진화’라고 한다. 

중량비로는 태양계의 70.7%가 수소, 27.4%가 헬륨이며 그 외의 원소는 다 합해도 2%를 넘지 않는다. 원자수로는 원소 전체의 90%가 수소, 9%가 헬륨이며, 그 외의 원소는 단지 1%에 불과하다. 지구는 46억 년 전 태양 주위를 도는 암석이나 먼지가 모여 만들어졌으며, 현재 지구에 있는 물질의 대부분이 이때의 원소 그대로 존재한다. 철보다 무거운 원소를 이용하는 인류는 우주에서 반복되는 화학 진화의 역사 속에서 만들어진 존재다. 최근에는 지구가 탄생하기 이전에 이미 태양계에 아미노산이 풍부하게 존재했으며, 지구의 생명은 혜성이 옮겨온 아미노산에서부터 생겨났을 것이라는 가설이 지지를 얻고 있다. 

3장 화학반응을 반복하는 인체

 

인체를 구성하는 원소의 비율을 살펴보면 우주의 일부가 지구가 되고, 지구의 일부가 바다가 되며, 바다에서 생명이 탄생한다는 진화의 흐름을 확인할 수 있다. 인간을 포함한 생명체는 38억년의 기간을 통해 진화해 오면서 생존에 필요한 다양한 화학반응들을 시험해 왔고, 이 과정에서 우리 주변에서 많이 있는 원소일수록 빈번하게 실험에 이용되면서, 결국 그 원소를 이용하도록 진화하게 되었을 가능성이 높다. 따라서 우주에 있는 원소와 우리 몸을 구성하는 원소 사이에 밀접한 관련이 있는 것은 자연스럽다. 인체를 구성하는 모든 원소가 우주에서 기원했기 때문에 우주에 많은 원소는 인체에도 많으며, 우주에 적은 원소는 인체에도 적다. 이는 인체에서 많이 사용할수록 주기율표의 위쪽에 위치하며 함유량이 적을수록 아래에 위치한다는 것을 의미한다. 헬륨은 우주에서 두 번째로 많은 원소이지만 다른 원소와 화학반응을 일으키지 않는 18족 원소이므로 생명 활동에는 이용되지 않는다.

 

원자의 숫자로 보자면 우리 몸 전체에서 가장 많은 원소는 62.7%를 차지하는 수소이며, 그 다음이 23.8%를 차지하는 산소다. 이는 인체의 대부분이 물로 구성되어 있기 때문이다. 3위는 탄수화물과 지방과 단백질에 모두 풍부하게 함유되어 있는 탄소(11.8%)이고, 네 번째는 단백질을 구성하는 아미노산의 필수 구성요수인 질소(1.17%)다. 이상의 네 가지 원소가 인체의 99.5%를 차지한다. 5위는 DNA(인산)나 뼈/치아의 재료(하이드록시아파타이트)로 사용되는 인이고, 6위는 역시 하이드록시아파타이트의 주성분인 칼슘이며, 7위는 필수 아미노산인 메티오닌의 성분이자 피부/머리카락/손톱의 성분인 케라틴에 함유된 황이다. 8위와 9위는 신경과 근육을 작동시키는 데 필요한 나트륨과 칼륨이고, 10위는 이들을 중화하기 위해 존재하면서 GABA뉴런에서 수면을 조절하는 염소이며, 11위는 주로 뼈에 함유된 마그네슘이다. 이상 5-11위까지의 원소를 ‘소량 원소’라고 부른다. 12위부터 15위까지의 ‘미량 원소’는 철, 아연, 망가니즈, 구리다.

 

모든 화학반응의 본질은 원자의 조합을 바꿔 한층 에너지가 낮은 안정한 상태로 이동하는 것이며, 이는 인체에서도 마찬가지다. 원자핵이 짝수인 원소가 홀수인 원소보다 에너지가 안정되어 더 많이 존재하는 경향이 있으며(오도-하킨스의 법칙), 이는 인체에서 산소나 탄소에 비해 질소의 존재량이 작은 이유를 일부 설명한다. 생명은 주위의 환경에 있는 원소를 이용해 살아갈 수 있도록 진화를 거듭해 왔기 때문에 대체적으로 우주에 많은 금속은 건강에 도움이 되며 우주에 조금밖에 없는 금속은 독성이 있을 가능성이 높다. 산소는 물에 잘 녹지 않아 수분에 담아 운반할 수 없기 때문에, 인체는 산소를 운반하기 위해 철 원자의 바깥 궤도를 이용해 온도가 낮은 폐에서는 산소와 결합하고 온도가 높은 전신에서는 산소를 떼어놓는 헤모글로빈을 이용한다. 헤모글로빈과 같은 기능을 가진 물질을 만들 수 있었던 많은 금속 중에 철이 선택된 이유는 단지 존재량이 가장 많았기 때문이다. 

4장 우리는 어떤 원리로 움직이는가?

 

동물의 특성을 결정하는 근육과 신경은 주기율표의 위아래에 인접한 알칼리 금속인 나트륨과 칼륨이라는 두 개의 원소를 이용하여 온-오프 조합으로 정보를 전달함으로서 작동한다. 평소에는 인간의 세포에 칼륨 이온이 세포의 바깥에는 나트륨 이온이 충분히 함유되어 있으나, 근육이나 신경에 신호가 전달되면 나트륨 통로를 통해 나트륨 이온이 세포 안으로 들어와 세포의 안쪽과 바깥쪽의 플러스와 마이너스가 바뀌면서 근육은 수축하고 신경은 자극을 전하게 되며, 그 후로 칼륨 통로가 열려 세포의 안쪽에서 바깥쪽으로 칼륨이 이동하면서 원래 상태로 돌아가 다음 자극에 대비할 수 있게 된다. 나트륨과 칼륨은 성질이 비슷하고 크기만 약간 달랐기에, 이 원소들을 이용하는 동물은 진화과정에서 각각의 통로를 비슷한 단백질로 설계할 수 있었다. 

진화의 초기에 세포의 바깥에 있던 것은 나트륨의 함유비율이 압도적으로 높은 바다였기에 세포의 바깥에서 안쪽으로 들어오는 원소는 나트륨 외에 선택지가 없었으며, 세포의 바깥으로 나가는 원소는 주기율표에서 나트륨의 바로 위에 있는 리튬과 바로 아래 있는 칼륨 중 바닷물 속에 훨씬 많았던 칼륨이 선택되었다. 동물은 바다에서 나와 막 육상생활을 시작하자마자 나트륨이 부족한 상황에 직면했으며, 생존을 위해 소금이 풍부한 식사를 섭취하고 싶은 ‘식염욕구’을 발전시켰다. 칼륨은 식물의 세포에 풍부하게 분포하고 있었기 때문에 부족할 일이 없어 섭취 욕구가 생기지 않는다. 

그런데 염화나트륨을 쉽게 구할 수 있게 된 현재에도 뇌는 나트륨이 부족한 상태에 맞춰 설계되어 있어 욕망이 이끄는 대로 음식을 섭취하면 나트륨을 지나치게 섭취하게 된다. 나트륨을 지나치게 섭취하게 되면 인체는 나트륨 농도를 묽게 하기 위해 수분의 양을 늘리게 되어 부종과 고혈압이 발생하며, 이때 칼륨을 풍부하게 섭취하면 칼륨과 연동해 나트륨의 재흡수가 억제되어 소변과 함께 버릴 수 있는 나트륨이 많아진다. 이는 신체가 나트륨과 칼륨을 한 묶음으로 관리해온 흔적이라고 할 수 있다.

5장 희토류는 삐져나온 게 아니다.

 

희토류란 지구에 드문 ‘희유금속’의 일부로 3족의 6주기에 속하는 열 일곱 개의 원소로 이루어져 있으며(란타넘족), 최외각의 원자가껍질 뿐 아니라 바깥에서 두 번째 전자껍질의 오비탈을 채우는 전자수까지 같아 보통의 전이원소보다 서로 간에 훨씬 성질이 비슷하다. 이들은 LED나 텔레비전 같은 형광체, 연료전지, 배기가스의 정화장치 같은 첨단 기술 제품을 만드는 데 사용되며, 특별히 열에 강하고 오랫동안 사용할 수 있는 강력한 자석을 만들 수 있어 자원으로서의 가치가 급상승하고 있다. 이들이 강력한 자력을 보여주는 이유는 바깥에서 세 번째 전자껍질의 오비탈에 존재하는 빈자리로 인해 원자의 모양이 뭉개져, 철 원자가 자극의 방향을 뒤집으며 자력을 상실하려는 경향을 막아주기 때문이다.  

6장 아름다운 희유 기체

 

18족의 희유 기체들은 모두 바깥쪽 궤도가 전자로 가득 차 있어 지극히 안정적이다. 이들은 구 모양으로 생긴 한 개의 원자가 단독으로 기체가 되며, 다른 원자와 반응하지 않을 뿐 아니라 희유기체끼리도 반응하지 않는다. 헬륨은 호흡시 인체와 반응하지 않고 혈액에도 용해되지 않기 때문에 안전하게 마실 수 있는 유일한 기체이며, 이런 성질을 이용해 ① 높은 소리를 내게 하는 파티 용품으로 사용되거나 ② 헬리옥스의 형태로 다이버들의 질소 중독을 예방하기 위해 사용된다.

 

① 헬륨은 수소에 이어 두 번째로 가벼운 기체로, 공기 중에는 극소량만 포함되어 있어 주로 천연가스에서 채취하며, 폭발위험이 있는 수소를 대신해 기구나 비행선을 공중에 띄울 때 사용된다. ② 네온은 밀폐된 유리관에서 전압을 걸어 방전시키면 발광하는 성질이 있는데 이를 이용한 것이 네온사인이다. ③ 아르곤은 질소와 산소에 이어 대기중에 세 번째로 많은 원소로, 방전이 되거나 고온이 되도 전혀 화학반응을 일으키지 않는 성질을 이용해 형광등이나 백열전구안에 봉입되어 있다. ④ 크립톤은 대기 중에 적은 양만 존재하며 필라멘트를 오래 지속시키기 위해 고급 백열전구에 이용된다. 제논은 양이 훨씬 적어서 가격이 비싸며 우주선 엔진의 추진체같은 특수한 용도로밖에 사용되지 않는다. ⑤ 라돈은 광물 속에 존재하는 라듐이 방사선 붕괴하면서 발생하며, 인체에 미치는 영향에 대해서는 논란이 있다.

7장 독성을 지닌 원소들

 

주기율표는 원소의 특성이나 반응뿐 아니라 건강과 의학 지식을 해명하는 데도 중요하다. 독성 원소에 관해서는 두 가지 법칙이 있다. (1) 주기율표에서 인체가 자주 사용하는 바로 아래에 있는 원소는 독성이 있는 경우가 많다. (2) 가로 방향으로 성질이 거의 같은 전이원소의 특성은 건강에 대해서도 예외가 아니다.

 

① 12족에 속한 아연은 우주에 비교적 많이 존재하며 인체에도 꼭 필요한 원소이지만, 주기율표상 아연의 바로 아래 위치하며 화학적인 성질이 비슷한 카드뮴이나 수은은 아연을 흡수하는 경로로 인체에 흡수되어 심각한 해를 초래할 수 있다. 카드뮴은 인체에 축적되면 전신의 뼈에서 칼슘이 빠져나가 이타이이타이 병을 일으키며, 인체에 흡수된 수은은 시스틴과 결합체를 이루면서 중추신경계를 침범해 심각한 감각이상을 초래한다. 인체에서 활동하는 수많은 효소들은 황이 포함된 메티오닌이나 시스틴을 함유하고 있으며, 아연은 황과 결합하는 능력을 이용해서 이들 효소의 기능을 촉진한다. 카드뮴이나 수은 역시 메티오닌이나 시스틴과 결합해 효소의 기능을 방해하면서 독성을 발휘한다.

 

② 1족의 3주기와 4주기에 속하는 나트륨과 칼륨은 인체가 적극적으로 사용하는 원소다. 5주기에 위치하는 루비듐은 체내에서 칼륨과 유사한 움직임을 보여 PET 검사에 이용되지만 대량으로 섭최하면 칼륨 대사의 이상으로 심각한 독성이 나타난다. 1족의 6주기에 위치하며 정밀한 원자시계에 사용되는 안정된 원소 세슘 133은 인체에 독성을 일으키지만 방사성 물질인 세슘 137은 의료용으로 널리 사용된다. ③ 2족의 3주기와 4주기에 위치한 마그네슘과 칼슘은 인체가 적극적으로 이용하는 원소이며 5주기에 위치한 스트론듐도 뼈 속에 존재한다. 6주기에 속한 바륨은 체내에 들어오면 중독을 일으켜 사망에까지 이르게 할 수 있지만, 그 화합물인 황산바륨은 방사선 검사에 널리 사용된다. ④ 15족의 2 주기와 3주기인 질소와 인은 인간이 적극적으로 이용하는 원소들이다. 그러나 4주기인 비소와 5주기인 안티몬은 강력한 독성을 가진 원소들로 유명하다. ⑤ 16족의 2주기와 3주기인 산소와 황은 인체가 적극적으로 이용한다. 4주기인 셀레늄 역시 인체에 꼭 필요한 원소이지만 대량으로 섭취하면 암을 유발하며 고혈압과 백내장의 원인이 되며, 그 아래 위치하는 텔루륨에는 독성이 있다.

 

전이원소는 건강에 미치는 영향에서도 주기율표의 족별(세로 방향)이 아닌 주기별(가로 방향)으로 원소의 성질이 비슷하다. 철/구리/코발트를 포함한 4주기의 전이원소는 대체적으로 인체에 미량을 필요로 하며, 5주기의 전이원소는 필수 원소인 몰리브덴을 제외하면 모두 인체에 약한 독성을 가지고 있다. 6주기에 속한 전이원소는 우주에서의 존재량이 극히 적고, 인체에도 필요치 않으며, 대부분 인체를 그대로 빠져나가 독성을 가지지도 않는다.