위키원
원소
원소(元素, element)는 화학적 방법으로 더 간단한 순물질로 분리할 수 없는 물질이다. 원소는 모든 물질을 구성하는 기본적 요소로, 원자핵 내의 양성자 수와 원자 번호가 같다. 중성 원자의 양성자의 개수와 전자의 개수는 같다. 현재까지는 118종이 알려져 있다.
순물질의 구성 입자를 원자라고 부른다. 원자는 양성자와 중성자로 이뤄진 원자핵, 그리고 주위를 도는 전자로 구성되어 있다.
원소는 물질을 이루는 기본적인 구성 요소로, 이를테면 포도당(C₆H₁₂O₆)은 물질의 기본적 구성요소인 탄소(C), 수소(H), 산소(O)의 3가지의 원소로 이루어져 있다. 특히 탄소는 현대문명의 근원이기도 하다. 또한, 글루코스(포도당)의 혐기성 분해 생성물인 메탄(3CH₄)과 이산화탄소(3CO₂)중 하나인 메탄(CH₄)은 탄소(C)와 수소(H)의 2개의 원소로 구성된다.
원소 이름
원소 이름의 유래는 원소라는 개념 자체가 없던 고대로 거슬러 올라가기 때문에, 황, 금 같이 고대부터 이미 잘 알려져 있던[출처 필요] 원소들은 각 나라와 언어 별로 서로 다른 이름을 가지고 있다. (예를 들어 독일어의 Natrium과 영어의 Sodium은 모두 나트륨을 가리킨다.) 그러나 국제적으로 통용되는 원소의 영어 이름은 국제순수·응용화학연합(IUPAC)이 결정하며, 영국식 영어와 미국식 영어에서 유래한 이름이 서로 섞여 있다. 원소의 한국어 이름은 대한화학회가 결정하며, 2007년부터는 모든 원소의 명칭을 독일어가 아닌 IUPAC에서 정한 대로 부르고 있다.
최근에 발견되어 새로 이름이 붙이는 원소의 경우 발견자에게 그 명명권이 주어지며, 지명이나 사람 이름으로부터 유래하는 경우가 많다. 하지만 대체로 학자적 양식을 지닌 과학자들은 원소 이름의 어원에 대한 몰지각한 관행에 반발하여 다른 명칭으로 부른다. 또한 20세기 후반 이후로는 반감기가 매우 짧아 극히 짧은 시간에만 존재하는 원소들이 실험실에서 많이 발견되었는데, 이 때문에 어느 연구단이 해당 원소를 발견했는지에 대한 논쟁이 일어 원소 이름이 결정되지 않는 경우가 많다.
발견되지 않았거나, 발견되었으나 논쟁 등의 이유로 아직 이름이 결정되지 않은 원소의 경우 원자 번호를 기준으로 체계적 원소 이름이 붙여진다. 예를 들어 원자 번호가 123인 원소는 각 자리에 해당하는 토막인 -un-, -bi-, -tr(i)-를 -ium에 붙여 unbitrium(Ubt, 운비트륨)이 된다.
한자어로 이루어진 원소들의 이름은 개화기 이후 한자 문화권에서 서양 과학을 가장 먼저 받아들였던 일본에서 명명된 것들이다. 일본은 주로 독일에서 원소이름들을 수용하였기 때문에 수소(水素), 산소(酸素), 탄소(炭素), 질소(窒素)등은 각각 독일어 Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff에서 직역된 이름들이다. 가령 독일어 Wasserstoff는 Wasser와 Stoff의 합성어인데 각각 '물'과 '재료'를 뜻하며, 한자로 水素가 되었다.
원소, 원자, 분자의 구분
우리 주변을 이루는 물질은 물리적인 방법으로 분리할 수 없는 순물질과 2가지 이상의 순물질로 분리 가능한 혼합물로 우선 구분된다. 순물질은 한 종류의 동일한 물질로 이루어져 있고, 일정한 물리적인 특성 (밀도, 녹는점, 끓는점 등)을 보인다.
순물질은 물질을 구성하는 가장 기본 단위이며, 낱개를 셀 수 있는 단위인 원자(atom)의 종류에 따라 원소(element)와 화합물(compound)로 구분된다. 한 종류의 원자로만 구성된 순물질을 원소라고 하고, 두 종류 이상의 원자로 구성된 순물질을 화합물(compound)이라고 한다.
가령 네온 기체는 더 이상 물리적인 방법으로 분리되지 않고, 일정 환경에서 동일한 밀도, 녹는점 그리고 끓는점을 갖는 순물질이며, 원소이다. 반면, 이산화 탄소의 경우, 역시 더 이상 물리적인 방법으로 분리되지 않으며 일정 환경에서 동일한 밀도, 녹는점 그리고 끓는점을 갖는 순물질이지만, 이산화 탄소는 탄소 원자 하나와 산소 원자 두 개로 구성된 분자로 이루어진 화합물이다.
이런 물질을 이루는 기본 성분에 대한 개념은 고대에 탈레스의 1원소설로부터 시작된다. 탈레스는 모든 물질의 근원은 물이라고 주장하였으며, 그 이후 엠페도클레스의 4원소설, 데모크리토스의 입자설을 거쳐 아리스토텔레스의 4원소설로 이어지는 흐름을 갖는다. 아리스토텔레스의 4원소설은 물질이 4가지 원소(물, 불, 흙, 공기)로 이루어져 있다는 내용으로, 물질의 성질을 고려하는 원소의 개념은 받아들였지만, 원자의 개념은 포함하지 않았다.
또 하나의 표현으로 독립적으로 물리적-화학적 성질을 보일 수 있는 원자의 모임을 분자(molecule)라고 한다. 분자는 이를 이루고 있는 원자의 개수에 따라 이원자 분자(예: 질소-N₂, 산소-O₂), 삼원자 분자(예: 오존-O₃, 이산화 탄소-CO₂), 다원자 분자(예: 삼산화황-SO₃)가 있다. 그 외에도 하나의 원자로 이뤄진 단원자 분자도 있는데,
원소는 현재 양성자 1개를 갖는 수소부터 양성자 118개를 갖는 오네가손까지 알려져 있고, 이중 94개의 원소는 자연에서 발견되며, 플루토늄, 아인슈타이늄 등 24개의 원소는 합성 과정을 통해 그 존재가 확인 되었다. 금, 은 구리 등과 같이 오래 전부터 사용된 원소들도 있지만, 대부분의 원소들은 최근 200여년 동안 발견되고 확인되었다.
원소 기호
고대와 중세 시대
물질을 기호로 나타내는 일은 예부터 행해졌는데, 금속 7원소를 7가지 별에 비유하여 기호로 나타낸 것은 매우 오래전의 일로 고대 이집트인은 이미 이 기호를 써 왔으며, 이들 기호는 어느 정도의 변화는 있었지만 중세 연금술에 이르기까지 상당히 오래 쓰여졌다. 연금술사들은 자신의 비법을 들키지 않기 위해 기호를 사용했었다고 한다.
근대와 현대
근대에 와서 영국의 과학자 돌턴이 원으로 된 원소기호를 고안하였고, 그 뒤 베르셀리우스가 오늘날 쓰이는 기호를 처음 제안하였다. 다음은 베르셀리우스의 원소 이름 붙이기 규칙이다.
- 로마자 두 글자로 쓴다.
- 그리스어나 라틴어의 원소 이름에서 따온다. ex) Cu(구리, 라틴어: Cuprum), Ag(은)(라틴어: Argentum), Au(금)(라틴어: Aurum)
- 영어나 독일어의 원소 이름에서 따온다. ex) N(질소, 영어: Nitrogen), O(산소, 영어: Oxygen), I(아이오딘, 영어: Iodine), Cr(크로뮴, 독일어: Chrom), Xe(제논, 독일어: Xenon; 어원: 그리스어: ξένον)
- 위의 원소 기호들은 반드시 첫 글자는 대문자, 두 번째 글자부터는 소문자로 쓴다.
원소 합성 (핵합성)
원소는 빅뱅 직후의 대폭발 핵합성, 항성 속에서의 항성 핵합성, 초신성 폭발에 의한 초신성 핵합성, 우주선에 의한 우주선 파쇄, 인공 원소 합성 등으로 원소가 합성된다. 핵합성은 핵융합이나 핵분열을 통해 새로운 원자핵을 만들어 내는 과정이다.
우주의 역사와 함께 원소도 탄생했다. 빅뱅 발생 1초 후에 수소, 3분 후에 헬륨이 만들어졌고, 이후 수소 92%와 헬륨 8%의 원시 지구가 탄생했다. 철까지의 원소는 항성 속에서 핵융합으로 만들어졌고, 철보다 무거운 원소는 초신성 폭발과 인공 원소 합성으로 인해 만들어졌다.
- 빅뱅 핵합성: 빅뱅 폭발 후 0.000006초 후 전자 안정화·중성자 생성과 함께 수소의 원자핵(양성자)이 생성되고, 1초 후 강한 핵력으로 인해 헬륨의 원자핵과 극소량의 리튬과 베릴륨의 원자핵도 생성되었다. 10만년 후 우주의 온도는 약 3,000 K까지 내려가서 전자가 원자핵과 결합하여 원자가 완성됐다.
- 항성 핵합성: 빅뱅 10억년 후 항성이 탄생하였고, 항성에서의 핵융합으로 인해 철까지의 원소가 차곡차곡 생성된다. 중원소 함량이나 별의 질량에 따라 생성되는 한계가 있는데, 이는 항성 문서의 적색 초거성 문단 참조. 철보다 무거워지면 오히려 에너지가 더 높아져서 철 이후의 원자핵은 이 과정으로는 만들어지지 않는다...지만 적색 거성에서 철 원자핵이 중성자를 포획하고 β- 붕괴를 하면서 느린 속도로 비스무트까지 만들어지기도 한다는 모양이다. 아무튼 항성이 생을 마치면서 생성된 원소들이 우주로 흩뿌려지며 성운을 생성한다.
- 초신성 폭발 핵합성: 철 이후 원소들은 거의 다 이 방식이다. 초신성 폭발에서는 양성자가 붕괴하여 중성자가 만들어지며 나오는 엄청난 에너지로 무거운 원자핵이 생성된다. 이 때의 핵융합은 주로 산소와 규소의 연소 과정에서 일어나는데, 니켈까지의 여러 원소들이 만들어져 초신성에서 방출된다. 니켈보다 무거운 원소들은 빠른 중성자 포획 후의 β붕괴나 빠른 양성자 포획으로 만들어진다. 초신성 폭발에서 만들어져 방출되는 무거운 원소들은 새로운 별을 만드는 재료가 되기도 한다. 납 이후의 원소들은 안정한 동위원소가 없고 방사성 붕괴를 하므로, 초신성 폭발로 생성되는 원소가 어디까지인지는 알 수 없고 흔히 92번 원소인 우라늄까지로 해석하기도 하지만, 자연에 존재하는 플루토늄 동위원소 244Pu도 초신성 폭발에서 r-과정으로 생성된 원시 원소인 것으로 여겨지고 있다고 한다. 이론적으로는 자발적 핵분열을 하는 동위 원소가 장벽 역할을 하여 원자량 270~280 사이의 동위 원소가 초신성 폭발 핵합성의 한계일 것으로 추정되고 있으나, 어쩌면 낮은 확률로 안정성의 섬에 있는 원소까지 합성될지도 모른다.
- 우주선 핵합성: 리튬, 베릴륨, 붕소는 핵융합 과정에서 생성되지 않고 오히려 소모되는 원소이다. 따라서 이 원소들은 항성 핵합성 과정에서는 만들어질 수 없다. 그러나 우주에서 발생하는 고에너지 방사선인 우주선이 원자에 충돌하면 기존 원소의 핵이 분열되어 항성 핵합성으로 만들 수 없는 가벼운 원소가 합성될 수 있다.
- 인공적 원소 합성
특징
특히 104번 이후의 원소들은 실험실에서 생성되는 원소들로, 강력한 방사성을 가지고 있어서 그야말로 눈깜짝할 새 생겨났다가 눈깜짝할 새에 반감기 때문에 붕괴해 버린다. 물론 안정성의 섬 이론에 따르면 중성자나 원자핵의 전자 수가 특정 숫자인 동위 원소의 경우에는 매직 넘버라는 현상으로 인해 반감기가 긴 것들로 추정되는 원소들이 있다. 그 중에서도 플레로븀-298, 운비닐륨-304, 운비헥슘-310, 운헥스쿼듐-482가 이 섬 가운데에 위치하여 특히 더 안정할 것으로 보이지만, 이들을 합성하는 것은 오랜 난제이다. 충분히 안정한 동위 원소중 중성자를 충분히 공급할 동위 원소가 별로 없기 때문이다.(칼슘-48이 초중원소 원소 합성에 자주 사용되는 이유이다.)
이외에도 일부 원소들은 104번 이후여도 반감기가 긴 것도 있다. 예를 들어 러더포듐-265의 반감기는 약 13시간. 하지만 실험실에서 무거운 원소간의 인위적인 핵융합으로 생성되는 원자의 수는 거의 원자 한두 개 수준으로 생겨나므로 너무 작아서 실험은 제한적으로만 가능하며, 관찰은 아예 불가능하다. 반대로 104번 이전에도 매우 불안정한 원소가 존재한다. 현대 기술로는 수 초 이내에 원자 단위에서 화학적 또는 물리적 실험을 하는 것도 가능하므로 반감기가 너무 짧지 않은 플레로븀까지 성질이 연구될 수 있었다.
참고자료
같이 보기
