원소 이야기

- 지금까지 인간이 개발한 가장 불이 잘 붙는 화학물질은 1930년에 오토 러프 Otto Ruff와 허버트 크루그 Herbert Krug라는 두 과학자가 개발한 삼플루오르화염소 chlorine trifluoride: CIF, 다.' 이것은 사용하기가 산소보다 훨씬 까다롭다.
염소chlorine와 플루오린 Auorine을 1대 3 비율로 섞어서 만든 삼플루 오르화염소, 즉 CIF'는 난연제를 포함한 모든 물질에 닿기만 해도 불이 붙는 것이 특징이다.
CIF는 상온에서 녹색 액체지만 가열하면 무색 기체가 되어 유리나 모래에 불을 붙인다. 소방복 소재인 케블라 Kevlar 와 석면도 태울 수 있다. 심지어 물에도 불을 붙여 플루오린화수소 hydrofluoric acid 기체 를 방출한다' CIF는 접촉하는 거의 모든 물질에 불을 붙이는 불편 한 성질이 있어서 거의 사용되지 않는다.

- 혼란을 피하고 분쟁을 해결하기 위해 우리는 원소를 처음으로 발견한 사람이 아니라 순수한 상태로 분리한 사람을 주로 언급한다. 즉, 원소의 순수한 샘플을 처음 손에 넣은 사람에게 영광이 돌아가 는 것이다. 이제 스웨덴 화학자 칼 셸레의 이야기를 들어보자. 1772년 셀레는 갈색 가루를 성공적으로 추출했다. 그 물질에 그 리스어로 무겁다barys는 뜻의 바라이트baryte라는 이름을 붙였다. 그 가루에 어떤 원소(바륨barium)가 숨어 있다는 사실은 셸레도 알았지만 실제 순수한 형태로 원소를 분리해 이름을 알린 자는 험프리 데이비 Humphry Davy였다.
1774년 셀레는 염소chlorine(녹색을 의미하는 그리스어 chloros에서 유래)가스도 발견했으나 그것이 원소라는 사실은 미처 깨닫지 못했다. 결국 최초 염소 발견자의 영예도 1808년 험프리에게 돌아갔다.
같은 해인 1774년 셀레는 파이로루사이트pyrolusite(이산화망가니즈를 함유한 광물 - 옮긴이)도 발견했지만 거기서 순수한 망가니즈manganese를 추출하지는 못했다. 몇 달 후 요한 간Johan Gahn이 분리에 성공했다. 셀레는 1778년 몰리브데넘molybdenum이 있다는 사실도 알아냈다. 하지만 그때는 이미 페테르 옐름 Peter Hjelm이 원소 분리에 성공한 뒤 였다. 그리고 1781년에는 텅스텐rungsten의 존재를 유추했으나 순 수한 원소를 손에 넣어 명예를 얻은 자는 파우스토 엘루야르 Fausto Elhuyar였다.1"
게다가 셀레는 프리스틀리보다 3년 앞선 1771년 산소를 발견했다. 하지만 논문 원고가 인쇄소에서 잠자는 동안 프리스틀리의 실험 결과가 먼저 출판되었다.
화학 발전에 기여한 셸레의 공로를 기념하기 위해 사람들은 한 암석을 셸라이트 scheelite라 부르기도 했다. 그러나 셀라이트의 공식 명칭이 나중에 텅스텐산칼슘calcium tungstate으로 바뀌면서 셀레의 이 름은 역사책 한 귀퉁이로 밀려나고 말았다. 

- 보통 두 개의 원자가 결합할 때 (8장 참조) 우리는 금속이 아닌 원소에 접미사 ide를 붙인다(예: 산화철 iron oxide). 그런데 두 금속 원자 간 결합은 매우 드물어서 그에 적합한 명명 체계가 개발되지 않았다. 그런 이유로 소듐-포타슘이라는 명칭이 다소 어색하게 들린다.
즈비어라인은 실험에서 기체 상태의 소듐과 포타슘 원자를 용기 에 채운 다음 7,300도로 가열했다. 그 용기 전체에 자기장을 가하면 원자는 여러 방향으로 운동하는 성질을 잃는다. 이때 페슈바흐 공명 Feshbach resonance으로 알려진 현상이 발생하며 원자끼리 짝을 짓기 시 작한다.
다음 단계는 기체에 에너지가 높고 낮은 두 종류의 레이저를 쏘는 것이다. 고에너지 레이저를 가하면 원자는 자극을 받아 그 레이저광선과 같은 색의 빛을 내기 시작한다. 여기서 원자가 스스로 빛을 내면서 에너지를 잃게 만들기 위해 저에너지 레이저를 활용한다. 낮은 진동수로 방출되는 저에너지 레이저는 원자가 떨어지는 일 종의 착륙 플랫폼 역할을 한다. 저에너지 레이저와 진동수가 일치할 때까지 원자가 계속 에너지를 잃으면서 온도도 큰 폭으로 낮아진다. 즈비어라인은 분자에서 열을 제거하는 실험에 성공했다. 절대영 도보다 단 5,000억 분의 1도만큼 높은 온도까지 도달했으며 이는 현재 기록된 세계 최저 온도다. 극도로 낮은 온도 조건에서 물질을 연구하면 입자 행동에 관한 많은 정보를 얻을 수 있으므로 우리는 더 욱더 낮은 온도에 도달하기를 희망한다.
즈비어라인 실험은 지구에서 수행되었기 때문에 행성의 중력장이 원자들을 살짝 잡아당겨서 흔들리게 만들어 온도를 상승시킨다는 문제가 있다. 이에 대한 분명한 해결책은 중력의 영향권에서 벗어나 는 것이다.
이것이 국제우주정거장에서 진행될 즈비어라인 실험의 한 형태인 '차가운 원자 실험실Cold Atom Laboratory'의 목적이다. 국제우주정거장 은 지구를 공전하면서 끊임없이 방향을 바꾸기 때문에 국제우주정 거장 내부 중력의 합은 평균 0이다. 이곳에서는 절대영도 기준으로 10억 분의 1도, 심지어 수조 분의 1도만큼 높은 온도까지 도달할 수있다.

- 입은 맛뿐만 아니라 온도도 감지하여 우리가 너무 뜨거운 음식을 먹지 않도록 막는다. 우리 몸의 열 감지기는 'TRPV1 수용체'라고 부르는데 혀와 소화관 내부에 많이 있다. 어떤 화학물질은 우연히 열 감지기를 작동시켜 실제로는 그 부위가 차갑지만 뇌에는 뜨겁다 는 신호를 보낸다. 이러한 혼란이 빚어낸 감각을 우리는 '매운맛'으 로 인식한다.
1912년 미국 과학자 윌버 스코빌Wilbur Scoville은 음식의 매운맛을 수학적으로 측정하는 방법을 고안했고, 오늘날에도 이 시험법이 사 용된다. 매운 화학물질을 시험 대상자가 느낄 수 없을 때까지 계속 희석한다. 대상자가 매운맛을 느끼지 못할 때까지 희석한 횟수가 스 코빌지수scoville Heat Unit (이하 SHU)로 환산된다.
- 혀는 미량의 물질에도 민감하게 반응하기 때문에 일반적으로 SHU 값은 매우 크게 나온다. 할라페뇨 고추기름은 8,000회 희석 후에 맛이 느껴지지 않으므로 스코빌 지수가 8,000 SHU이며 타바 스코 소스는 5만 SHU에 가깝다.'
이 글을 쓰는 현재 세계에서 가장 매운 고추는 웨일스 향신료 전 문가 마이크 스미스Mike Smith가 육종한 드래곤 브레스Dragon's Breath다. 드레곤 브레스의 스코빌지수는 240만 SHU에 이른다' 이 수치는 후추 스프레이에 맞먹는다. 드래곤 브레스는 너무 매워서 먹으면 과 민성 쇼크를 일으킬 수 있다. 그러나 세계에서 가장 매운 화학물질인 레시니페라톡신 resiniferatoxin에 비하면 아무것도 아니다.
식물 백각기린Euphorbia resinifera 유액에서 추출한 성분인 레시니페라 톡신은 급성독성이 있고 피부에 심한 화상을 입힌다. 이 때문에 누 구도 이 물질로 미각 실험을 한 적은 없다. 따라서 우리는 이 물질의 스코빌지수를 간접적으로 계산해야 한다.
1989년 헝가리 병리학자 아르파드 살라시 Arpad Szallasi는 (쥐를 대상으 로) 수행한 연구에서 캡사이신보다 레시니페라톡신이 TRPV1 수 용체에 1,000배에서 1만 배 더 잘 결합한다는 것을 발견했다. 캡사 이신의 스코빌지수가 1,600만 SHU이므로 레시니페라톡신은 대 략 160억~1,600억 SHU일 것이다. 우리를 죽이기에 충분한 매운 맛이다.
- 이 밖에도 우리 감각에 강한 충격을 안기는 다양한 화학물질이 있다. 세상에서 가장 달콤한 화학물질은 러그던에임 lugduname이다. 일반 적인 설탕보다 23만 배 더 달아서 먹으면 구토를 유발한다.
가장 어두운 화학물질은 밴타블랙 vantablack으로 그 위에 밝은 횃불 을 비추어도 잘 보이지 않을 정도로 검다.
냄새가 가장 심한 화학물질은 프로판티온 propanthione과 메탄티올 methanethiol이 공동 1위다. 먼 곳에서 풍겨온 이들 냄새가 사람들을 집 단 무의식에 빠뜨리거나 구토하게 했으며 심지어는 사망에 이르게 했다.'

- 모든 폭발물은 불안한 화학물질로 만들어진다. 지금까지 개발된 가장 불안정한 물질은 2011년 화학자 토마스 클라푀트케Thomas Klapötke가 합성한 아지도아지드 아지드azidoazide azide다. 아지도아지드 아지드는 질소 원자 14개와 탄소 원자 2개로 이루어져 있다. 이들은 팽팽하게 연결된 고리에 가지가 달린 분자 구조로 여유 공간 없이 똘똘 뭉쳐 있다. 게다가 원자 사이의 결합들이 심하게 비틀려 있어 서 주위 환경이 조금만 변해도 그 즉시 폭발한다.
이 물질은 클라푀트케가 물에 녹이려 하자 폭발했다. 실험실을 가 로질러 옮기려 했을 때도, 그리고 평소처럼 물질 앞에서 숨을 들이마셨을 때도 폭발했다. TV 리모컨에서 나오는 빛인 적외선을 비춘 경우에도 폭발했다.'
성능 좋은 폭발물이 되려면 때를 잘 맞춰 터져야 한다. 그러려면 폭발 물질이 운반은 가능할 정도로 안정하되 폭발할 만큼은 불안정 해야 한다. 따라서 로켓연료로 아지도아지드 아지드를 선택하는 것 은 현명하지 않다. 삼플루오르화염소를 사용하는 것도 마찬가지로 끔찍할 것이다. 차라리 알프레드 노벨 Alfred Nobel이 오래전에 발명한 다이너마이트를 고르는 편이 낫다.

- 빛의 종류가 다르면 원자에 미치는 영향도 다르다. 적외선은 전자 와 상호작용을 하기에 에너지가 너무 낮아 우리 눈에 보이지 않는 다. 그래서 오비탈들 사이에서 전자를 이동시키기보다 오비탈 자체 를 쭉 늘리거나 비틀어버린다. 마이크로파microwave는 원자를 비틀고 구부리는 대신 회전시킨다는 점만 제외하면 적외선과 비슷하다.
적외선이나 마이크로파로 비추면 원자들은 춤추듯 움직이거나 서 로 부딪히며 에너지를 교환하기 시작한다. 이런 현상도 궁극적으로 동일한 빛 전달 메커니즘(한 원자의 전자가 다른 원자의 전자에게 빛을 전달 해 에너지 준위가 높은 오비탈로그 전자를 이동시키거나 원자를 비틀고 회전시 킨다)을 통해 발생한다. 하지만 원자의 충돌과 에너지 전달로 설명하 는 편이 간편하고 이해하기도 쉽다.
원자의 비틀림과 회전을 우리는 열이라 부르며 적외선이나 마이크로파가 피부에 닿았을 때 온기를 느끼는 것도 그런 이유다. 또 음식이 함유한 물을 진동시키는 마이크로파의 특성이 전자레인지를 작동시키는 기본 원리다.
화학물질은 온도가 높을수록 원자들이 서로 부딪히면서 오비탈에 재배열, 뒤틀림, 회전이 일어날 가능성이 크다. 즉, 화학 반응물을 가열하는 행동은 일반적으로 반응 속도를 빠르게 한다.

- 여러분이 원자핵에 속박된 전자가 된다고 상상해보자. 새로운 원 자가 접근하면 새로운 원자핵이 여러분을 당길 것이다. 그 끌어당 김이 충분히 강하면 여러분은 양쪽 원자핵 중간 지점에 위치한다. 이 렇게 되면 여러분은 원자 오비탈 대신 분자 오비탈을 점유하게 된다. 분자 오비탈은 화학결합이라는 평범한 이름으로 널리 알려져 있다. 여러분이 처음 점유했던 원자 오비탈보다 분자 오비탈 에너지가 낮다고 해보자. 거리가 가까워진 두 원자 사이의 전자는 분자 오비 탈을 채우며 빛을 방출할 것이다. 원자들 사이에 결합이 형성되었 고, 우리는 화학반응을 수행했다.
수소와 산소로 채워진 풍선 안에서는 두 종류의 원자 모두 자유롭게 떠다닌다. 하지만 수소와 산소가 반응하여 각 원자 내 전자들이 분자 오비탈을 채우면 원자 사이에 결합이 만들어지면서 HO 분자가 생성된다.
에너지 준위가 낮은 분자 오비탈로 전자가 떨어지면 모든 에너지 는 가시광선과 적외선(열) 형태로 방출된다. 그리고 앞에서 헨리 캐 번디시가 관찰했던 폭발이 일어난다.
여러분은 원자뿐 아니라 분자 오비탈에서도 출발할 수 있다. 나이 트로글리세린 분자 내 결합은 에너지가 매우 높다. 그 결과 이산화 탄소나 물 같은 좀 더 안정한 오비탈을 지닌 분자로 쉽게 분해된다. 분자 내 모든 전자가 낮은 에너지 준위로 떨어지면서 막대한 에너지 를 방출하는 현상이 우리가 관찰하는 폭발이다.
- 원자번호가 커질수록 양성자 수가 증가하므로 양성자를 제대로 붙잡아 두려면 중성자 수도 늘어나야 한다. 그런데 복잡한 문제가 생겼다. 양성자 사이에 존재하는 반발력은 끝없이 증가하지만 중성 자의 접착력은 무한하지 않다.
거대 원자 안에서 반발력이 승리하는 것은 시간문제며 반발력은 원자 구조를 불안정하게 만든다. 크기가 클수록 원자는 깨지기 쉬워지고, 충분한 시간이 흐르면 결국 산산조각 날 것이다.
푸른빛을 내는 원소 악티늄actinium은 양성자가 89개인 거대 원자 핵을 지닌다. 악티늄 덩어리는 20년 이내에 절반 정도가 다른 원소 로 붕괴될 것이다. 반면 루비듐rubidium의 원자핵은 양성자가 37개에 불과할 정도로 작다. 루비듐 덩어리의 절반이 붕괴되려면 490억 년 이 걸린다.
방사성 붕괴로 생성된 원소의 핵에는 다른 원소가 일반적으로 가 지지 않는 독특한 개수로 중성자가 존재한다. 이러한 '딸daughter' 원 자핵은 방사성 붕괴로 발생한다. 암석에 포함된 모mother 원자핵 과의 비율을 측정하면 언제 붕괴가 시작했는지, 그리고 얼마나 오랫 동안 붕괴 반응이 지속되었는지 알 수 있다.
이 기술로 미국 화학자 클레어 패터슨Clair Patterson은 지구의 나이를 계산하여 대략 45억 세인 것을 확인했다."

- 이제 우리는 118번 원소에 도달했고, 주기율표가 완성되었다. 인류는 더 멀리 나아갈 수 있을까? 정직하게 답하자면 확신할 수 없 다. 오가네손의 등장으로 일곱 번째 전자껍질이 꽉 채워졌지만 여덟 번째 혹은 아홉 번째 전자껍질도 존재할 수 있다.
시보그는 126번 원소에 도착해야 주기율표가 멈춘다고 예상했다. 126번이 매직 넘버이며 그 뒤로 넘어가면 중성자를 아무리 추가해 도 양성자 간 반발력이 너무 강해지는 탓이다. 비어 있는 126번 자 리는 운비헥슘unbihexium 이라는 임시 명칭으로 불린다.
다른 물리학자들은 제약 없이 9, 10, 11주기까지 원소를 합성할 수 있으리라 짐작한다. 원자핵에 대해 확신을 품고 이야기할 만큼 충분히 알지 못하는 우리에게 남은 선택지는 오직 실험뿐이다. 무엇 이 가능한지 확인하는 것, 그것이 과학의 핵심이다.

- 별난 물질
물질이 고체인지 아니면 액체 또는 기체인지는 입자들이 서로 얼 마나 끌어당기는가에 달렸다. 산소 분자는 분자 간 인력이 매우 약 하기 때문에 상온에서 기체로 존재한다. 온도를 낮추면 액체가 될 수 있지만(재미난 정보: 액체 산소는 파란색이다) 표준상태에서 산소는 확 산한다.
이와 대조적으로 금속은 겹쳐진 오비탈로 전자를 공유한다. 액체 인 수은을 제외하면 금속 원자들은 뭉쳐서 고체 덩어리를 이룬다. 수은이 액체로 존재하는 이유를 제대로 설명하려면 아인슈타인의 특수상대성이론까지 알아야 하지만 그런 어려운 배경지식 없이도 핵심에 접근할 수 있다.
다른 금속과 마찬가지로 수은의 오비탈도 꽃송이에 매달린 꽃잎 처럼 여러 방향으로 뻗어 있어 전기가 흐를 수 있다. 그런데 주기율 표에 수은이 자리 잡은 위치가 흥미롭다. 표의 하단부에 있으므로 오비탈 크기는 매우 크다. 하지만 표의 오른편에 자리 잡았기에 원 자 내 많은 양성자가 오비탈을 원자 안쪽으로 끌어당긴다. 결과적으 로 수은은 오비탈들이 서로 겹쳐질 정도로는 확장되어 있으나 원자 가 서로를 꽉 붙들 정도로는 충분히 확장되지 않았다.
주기율표상 수은 위치에서 오른쪽으로 이동하면 양성자 수가 증 가해 원자들이 층층이 쌓여 고체가 된다. 왼쪽으로 이동하면 오비탈 끼리 서로 겹쳐져 고체가 된다.
수은 원자는 단단히 뭉쳐져 있기에는 인력이 약하지만 전자가 한 원자에서 다른 원자로 깡충깡충 뛰어다닐 정도로는 서로를 끌어당 긴다. 그래서 수은은 전도성을 가진 금속원소지만 주기율표 내에서 별난 금속이다.

- 인간은 균형이 잘 잡힌 섬세한 반응의 집합체다. 우리가 그 반응 가운데 하나를 건드리면 연쇄반응이 일어날 수 있으며 최종 결과는 예측 불가능하다.
텔루륨을 너무 많이 섭취하면 끔찍한 입 냄새가 나고, 은을 많이 먹으면 은피증 argyria 이 피부를 파랗게 만들 것이다." 다이너마이트 활성 성분인 나이트로글리세린은 협심증 치료에 사용되는데 왜 효 과가 있는지는 아무도 모른다. 
우리가 잘 아는 몇 안 되는 독성 물질 가운데 하나가 시안화물이다. 시안화물 독성은 철과 강한 결합을 이루는 특성에서 비롯된다.
이들 분자가 시토크롬 산화효소 cytochrome c oxidase 중심에서 철과 결합하면 철은 사용 불가능한 상태가 되고 산화효소의 모든 기능은 마비된다.
이것은 나쁜 소식이다. 시토크롬 산화효소는 우리가 음식에서 에너지를 얻는 데 필요한 효소이기 때문이다. 효소의 전원이 꺼진다 는 말은 기본적으로 몇 주가 아닌 몇 분 안에 에너지 고갈로 죽는다 는 의미다.
우리는 또한 일부 원소, 특히 중금속에 독성이 있다는 사실을 이미 알고 있다. 우리 몸에서 필요로 하는 원소와 중금속은 크기가 비슷하기 때문에 몸속 효소는 중금속과 우연히 결합할 수 있다.
아연zinc은 성장에 꼭 필요한 원소다. 아연과 크기가 비슷한 카드 물을 섭취하면 신체는 카드뮴을 재료로 효소를 합성하기 시작한다. 그런데 카드뮴은 우리 몸속 화학물질과 상호작용하기에 적절한 오 비탈을 지니고 있지 않으므로 결국 카드뮴중독에 걸리게 된다. 그렇 게 된 우리 신체는 성장을 멈춘다.
납중독은 납이 적혈구 제조에 필요한 칼슘과 크기가 비슷하다는 이유로 발생한다. 몸에 납이 너무 많이 쌓이면 피를 만들 수 없게 된 다. 수은은 뇌를 감싸는 막을 통과하기에 적합한 크기여서 더욱 심 각하다. 일단 수은이 뇌 안으로 들어가면 사고 패턴은 물론 신경계에도 영향을 미칠 수 있다.
오늘날 많은 사람이 이러한 이유로 수은 섭취를 피한다. 하지만 19세기에는 따뜻한 질산수은 mercury nitrate 이 모자의 주재료인 펠트 felt 를 생산하는 데 핵심 원료로 사용되었다. 아니나 다를까 모자 산업 에 종사하던 사람들은 전자 몇 개를 잃은 원자처럼 행동하는 것으로 유명해졌다. 여기서 '모자 장수만큼 정신 나간 mad as a hatter' 이라는 말 이 탄생했다. '