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게으른 녀석 - 아르곤(Ar) - 목록

조회 : 10837 | 2011-12-27

일하지 않는다
공기는 어떤 성분들로 구성될까? 산소, 질소 그리고... 1785년, 공기를 조사하던 캐번디시(1731~1810)는 약 1% 정도는 매우 안정한 것을 발견했지만, 정체는 알 수 없었다. 1892년, 레일리(1842~1919)는 질소 화합물을 분해시켜 얻은 질소와 공기 에서 분리한 질소는 서로 무게가 다른 것을 발견했다. 공기 중에는 무언가 무거운 기체가 있었다. 그것은 아르곤이었다. 레일리와 램지(1852~1916)가 공기에서 얻은 1% 의 안정한 원소는 다른 원소와 반응하지 않았기 때문에 일하지 않는 원소라는 뜻을 가진 아르곤이라 불렀다. 즉 게으른 원소였던 것이다. 심지어 아르곤은 금보다도 더 안정했다.




기인 캐번디시
캐번디시는 병적으로 수줍음을 타는 성격을 갖고 있었다. 그가 하녀를 구하는 광고에 내건 조건은 하녀는 절대 자기와 마주쳐서는 안 된다는 것이었다. 하녀들과 마주치기 싫었던 그는 시킬 것이 있으면 쪽지로 책상 위에 남겨 두곤 했다. 또한 자신만의 출입구로 다녔으며, 자신과 마주치는 하녀는 즉시 해고했다. 하녀들의 가장 중요한 임무는 그를 시중드는 것이 아니라 피해 다니는 것이었다.










하녀와 마주친 캐번디시





그가 연구한 업적들도 대부분은 그가 죽은 후 맥스웰(1831~1879)이 발견한 것이었다. 그는 수소를 발견했으며, 수소와 산소를 반응시켜 물을 만들었다. 물은 원소가 아니라 화합물이었다. 이것은 2,000여 년 동안 유지된 아리스토텔레스의 4원소설을 무너뜨리는 결과였다. 그는 양전하와 음전하 사이의 힘은 거리의 제곱에 반비례하는 것을 발견했다. 그러나 결과를 발표하지 않았기 때문에, 쿨롱(1736~1806)의 법칙으로 불린다. 그가 계산한 지구의 무게도 오늘날 계산한 것과 1% 밖에 차이 나지 않을 정도로 정확한 것이었다.




규칙을 찾아서
수소, 산소, 질소, 황, 인과 많은 금속이 발견되면서 이들을 분류하기 시작했다. 라부아지에는 33개의 원소들을 동식물 및 광물계에 포함된 제 1그룹 원소, 산화되어 산을 만드는 제 2그룹 원소, 염기를 만드는 제 3그룹 원소, 염을 만드는 제 4그룹 원소로 분류했다. 그러나 이들 사이의 규칙성은 없었다. 1800 년대 초, 데이비(1778∼1829)가 알칼리 및 알칼리 토금속 원소를 발견하면서 원소는 49개로 늘어났다. 이들 사이에 어떤 특징이 있을까? 프라우트(1785~1850)는 원소들의 원자량이 수소의 정수 배로 증가한다고 주장하였다. 즉, 원소들의 기본 단위는 수소라는 것이었다. 이 가설은 원자량을 정확하게 측정하는 계기가 되었다. 1817년, 되베라이너(1780∼1849)는 성질이 비슷한 <칼슘, 스트론튬, 바륨> 그리고 <염소, 브로민, 아이오딘>에서 스트론튬과 브로민의 원자량은 그 사이에 있음을 알았다. 이들은 ‘세 쌍 원소’라 불렀다.










세 쌍 원소의 물리적 성질





차츰 원소들 사이의 규칙성이 밝혀졌다. 뉴런즈(1837~1898)는 ‘옥타브 법칙’을 주장했다. 원소들을 원자량의 순서로 배열할 때 8번째에 비슷한 성질의 원소가 나타난다는 것이었다. 그러나 그의 동료들은 차라리 원소들을 알파벳 순서로 배열하는 것이 더 좋을 것이라고 비난하였다. 이에 상심한 뉴런즈는 그의 연구를 중단했다.




만물의 언어, 주기율표의 탄생
원소들의 언어를 발견한 주인공은 멘델레예프(1834~1907)였다. 당시 키르히호프와 분젠은 분광기로 세슘과 루비듐 등을 발견하는 등 새로운 원소들이 더 발견되었다. 멘델레예프는 원소들이 갖는 규칙성을 찾아 나갔다. 핵심 열쇠는 원자량이었다. 1869년, 그는 원소의 주기율표를 발표하였다. 이 표는 당시에 알려진 63종의 원소들을 원자량 순서와 그 성질에 따라 배열한 것이었다. 주기율표에서 리튬, 베릴륨, 붕소, 탄소, 질소, 산소, 플루오린은 원자량 순서로 배열되었다. 그리고 나트륨, 마그네슘, 알루미늄, 규소, 인, 황, 염소를 다음 줄에 놓았다. 원자량의 증가와 함께 같은 열의 원소는 화학적 성질이 비슷했다. 다른 주기율표와의 결정적인 차이는 성질이 비슷한 것을 발견할 수 없었던 알루미늄과 실리콘 다음의 자리를 비워 둔 것이었다. 더 나아가 여기에는 원자량이 45, 68, 70 정도인 원소가 있을 것으로 예상하였다.










멘델레예프에 의해 예상된 원소와 발견된 원소의 성질





이것은 인위적인 것 같았지만 실제로 여기에 들어갈 게르마늄, 갈륨, 스칸듐 등이 발견되었다. 이들의 성질은 그의 예상과 일치했으며, 주기율표는 널리 사용되기 시작하였다.




멘델레예프와 그의 어머니
열네 명의 형제들 중 막내로 태어난 멘델레예프의 천재성을 발견한 사람은 어머니였다. 그녀는 아들을 공부시키기 위해 목숨을 걸고 우랄 산맥을 넘었고, 그는 페테르부르크 대학에 입학하였다. 안타깝게도 어머니는 배고픔, 추위에 생긴 병으로 숨을 거두고 말았다. 멘델레예프의 주기율표에는 어머니의 희생과 결단이 있었던 것이다. 그의 위대한 이름은 원소번호 101번 멘델레븀으로 주기율표에 영원히 남아 있다.




게으른 녀석, 일내다
아르곤이 발견은 주기율표의 순서에 의문을 가져왔다. 아르곤의 원자량(39.95)은 칼륨(39.10)과 칼슘(40.08)의 사이에 있었지만, 성질은 너무 달랐다. 멘델레예프는 아르곤을 칼륨 앞에 배열하고 예외로 두었다. 그는 원자량 측정이 잘못된 것으로 생각했다. 원자량은 비교적 정확했다. 그렇다면 무엇이 문제였을까? 원자량과 현재 사용하는 원자번호와는 달랐다. 원자량은 양성자와 중성자의 합이었지만, 원자번호는 양성자 수와 같다. 그리고 화학적 성질은 원자량이 아니라 양성자의 수에만 의존했다. 그러나 당시에는 원자번호의 개념이 없었기 때문에 원자량을 기준으로 한 것이었다. 원자번호를 발견한 것은 모즐리(1887~1915)였다. 그는 원소의 파장으로부터 원자번호를 발견했으며, 원자량이 아닌 원자번호를 기준으로 한 주기율표를 작성하였다. 그에 의하면 멘델레예프가 예외로 인정했던 아르곤의 원자번호는 18번, 칼륨은 19번이었던 것이다. 모즐리의 법칙으로부터 72번 하프늄, 43번 테크네튬, 61번 프로메튬, 75번 레늄 등이 차례로 발견되었다.










멘델레예프와 모즐리




아~ 모즐리
1931년, 모즐리(1888~1915)는 원소에서 나오는 특성 X-선 파장을 이용하여 원자번호를 결정하여 주기율표를 완성시켰다. 제1차 세계대전이 일어나자 그는 영국 공병대에 자원입대하였다. 그의 스승과 많은 사람들이 말렸으나 그를 막을 수는 없었다. 그는 안타깝게도 27세의 나이로 터키 수브라만 전투에서 전사하고 말았다. 그는 노벨상을 눈앞에 두고 최후를 맞이한 비운의 과학자였다. 그의 업적은 노벨상을 받은 시그반(1886~1978)에 의해 확인되었다. 그가 노벨상을 받은 것은 모즐리가 측정하다 남긴 원소의 X-선 파장을 정확하게 측정한 공로였던 것이다. 안타깝게도 그는 위대한 과학자의 재능을 꽃피우지 못한 채 전쟁의 포화 속으로 사라지고 말았던 것이다.




영족 기체
1893년, 램지는 아르곤에 이어 우라늄 광석에서 헬륨을 발견하였다. 계속해서 그는 1898년, 네온과 크립톤, 크세논을 분리했다. 그는 1904년에 노벨상을 받았으며, 1910년 마지막까지 남아있던 비활성 기체 라돈을 발견하였다. 크립톤과 크세논은 ‘숨겨진’과 ‘이국적’이란 뜻을 갖는 크립토스(kryptos)와 제노스(xenos)에서 유래한다.










방사능 물질의 수집





크립톤은 핵실험의 증거이다. 핵실험을 할 경우 인공 방사성 동위원소인 크세논과 크립톤, 세슘 등이 방출되기 때문이다. 핵실험을 한 상공에서 공기를 탄소 필터로 거르면 크세논과 크립톤이 흡착된다. 이것으로 핵실험 여부를 알 수 있는 것이다. 독일 ‘슈네베르크’에서는 16세기 광산을 연 이래 괴질이 유행했다. 어릴 때부터 갱도에서 일한 사람들은 35살을 넘기지 못했다. 그런데 광산이 폐쇄되었지만 주부들이 사망하기 시작했다. 원인은 우라늄 붕괴에서 생기는 라돈에 의한 폐암이었다. 호흡에 의해 체내에 흡입된 라돈이 오염된 먼지를 폐에 달라붙게 했던 것이다. 주부들은 왜 폐암으로 사망했을까? 그것은 지하에 가득 찬 라돈이 수직 갱도와 연결된 지하실로 스며들어 주부들을 덮친 것이다. 라돈의 피해를 줄이려면 환기를 자주 해야 한다. 특히 지하실과 같은 곳은 위험하다. 미국에서는 비흡연자들의 폐암 사망은 주로 라돈에 의한 것으로 여겨지고 있다.




네온사인
1922년, 미국에서 광고용 네온사인이 걸리자 많은 사람들은 발길을 멈추고 바라보았다. 클로드(1870~1960)는 공기를 빼낸 유리관에 네온을 채우고 양쪽에 높은 전압을 가하면 주황색 빛이 나는 것을 발견하였다. 이처럼 네온 기체가 이온화하여 빛을 내는 글로 방전을 네온사인이라 한다. 네온사인의 원리는 무엇일까? 가느다란 유리관 안에 기체를 넣고 전압을 걸면 전자들이 음극에서 양극으로 이동하면서 네온과 충돌한다. 이 때 네온은 양이온이 된다. 이것은 다시 전자와 결합하면서 네온이 되면서 충돌할 때 얻은 에너지를 빛으로 방출하는 것이다. 기체의 종류에 따라 색깔이 다르다. 네온은 적색, 아르곤은 자주색, 질소는 황색, 수은은 청록색을 띤다. 네온이 아닌 기체를 넣은 것도 네온사인이라 부른다.










네온사인




아르곤은 왜 게으를까?
원자들은 일정한 규칙에 따라 결합한다. 탄소, 질소, 산소, 불소는 결합에 사용할 수 있는 팔이 네 개, 세 개, 두 개 그리고 하나가 있다.










메탄, 암모니아, 물, 불화수소의 분자 구조 / 위키백과(www.wikipedia.org) (cc)Ben Mills





따라서 탄소는 네 개의 수소와 메탄(CH4)을, 두 개의 산소와 이산화탄소(O=C=O)를 만든다. 결합은 두 개의 전자로 이루어진다. 따라서 탄소 주위에는 여덟 개의 전자가 있다. 이처럼 원자 주위에 여덟 개의 전자가 있을 때 안정한 것을 옥테트 규칙이라 한다. 아르곤에는 이미 여덟 개의 전자가 있다. 따라서 아르곤은 다른 원자와 결합하지 않는다. 주기율표가 비활성 기체의 발견으로 완성되면서 원소에 대한 이해의 폭이 넓어졌다. 결국 같은 족 원소들은 비활성 기체와 같은 전자 배치를 만드는 방법이 같기 때문에 성질이 비슷한 것이었다. 예를 들어, 나트륨은 최외각전자 하나만 내놓으면 비활성 기체의 전자 배치가 된다. 이러한 규칙은 물질을 형성하는 기본적인 원리이며, 모든 원소는 게으른 아르곤처럼 되고 싶어한다는 것이다.




주제!
화합물
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*중3학년 1학기 화학 반응에서의 규칙성
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