멘델레예프 주기율표, 아직 발견 안 된 원소까지 예측한 이야기

60개가 넘는 원소들, 아무리 외워도 규칙이 안 보였다

시험 범위가 교과서 세 단원인데, 요약 노트도 없고 목차도 뒤죽박죽이라면 어떨 것 같아요? 1860년대 화학자들이 딱 그 기분이었어요. 그때까지 발견된 원소가 63개나 됐는데, 이걸 정리할 방법을 아무도 몰랐거든요.

수소는 가볍고, 철은 단단하고, 금은 반짝이고… 성질이 전부 달랐어요. 과학자들은 비슷한 원소끼리 묶어보기도 하고, 무게순으로 나열해보기도 했지만, 딱 떨어지는 규칙은 안 나왔어요. 마치 1000피스 퍼즐을 완성 그림 없이 맞추는 것과 같았죠.

이때 러시아에서 한 남자가 등장해요. 이름은 드미트리 멘델레예프. 시베리아 끝자락 토볼스크에서 태어나, 열네 남매 중 막내였어요. 집안 형편은 어려웠지만, 어머니가 아들을 마차에 태워 수천 킬로미터 떨어진 대학까지 보내줬어요. 그는 화학 교수가 되었고, 학생들에게 원소를 가르쳐야 했어요. 문제는 자기 자신도 이 원소들이 왜 이런 성질을 갖는지 설명할 수 없다는 거였어요.

카드 게임처럼 원소를 무게순으로 줄 세웠더니, 숨겨진 패턴이 나타났다

설명할 수 없다는 게 너무 답답했던 멘델레예프는, 기발한 방법을 떠올려요. 원소 하나하나를 카드 한 장에 적은 거예요. 이름, 무게, 성질을 빼곡히 써넣었죠. 마치 포켓몬 카드에 이름·타입·공격력을 적는 것처럼요.

그리고 이 카드를 원자 무게 — 쉽게 말해 원소가 얼마나 무거운지 — 순서대로 쭉 줄을 세웠어요. 가벼운 수소부터 무거운 원소까지요. 그랬더니 놀라운 일이 벌어졌어요. 일정한 간격마다 성질이 비슷한 원소가 반복해서 나타나는 거예요! 부드러운 금속 다음에 반응이 센 원소, 그다음에 기체… 이 패턴이 마치 음악의 '도레미파솔라시'처럼 한 옥타브가 끝나면 다시 '도'로 돌아오는 것 같았어요.

멘델레예프는 이 반복 패턴에 맞춰 카드를 세로줄과 가로줄로 배치했어요. 그런데 어떤 자리에는 맞는 원소가 없었어요. 보통 사람이라면 "내 규칙이 틀렸나 보다" 하고 포기했을 거예요. 하지만 그는 정반대로 행동했어요. 빈칸을 그냥 남겨두고 이렇게 선언한 거예요. "여기엔 아직 발견 안 된 원소가 들어갈 거야. 그리고 그 원소의 무게와 성질은 이럴 거야." 아직 존재조차 확인 안 된 걸 미리 맞히겠다니, 완전 스포일러 아니에요?

빈칸에 적어둔 예언이 진짜로 맞아버렸다, 과학자들은 경악했다

스포일러가 현실이 되는 데는 그리 오래 걸리지 않았어요. 멘델레예프가 표를 발표한 건 1869년이었는데, 불과 몇 년 뒤부터 빈칸이 하나씩 채워지기 시작했거든요.

1875년, 프랑스 화학자가 새로운 원소를 발견했어요. 이름은 갈륨. 멘델레예프가 '에카-알루미늄'이라고 불렀던 바로 그 빈칸의 주인공이었죠. 그가 예측한 무게, 녹는점, 밀도가 실제 갈륨과 거의 똑같았어요. 과학자들은 "설마"했어요.

1886년에는 게르마늄이 발견됐는데, 역시 멘델레예프의 예측과 소름 끼칠 정도로 일치했어요. 이쯤 되면 "설마"가 "진짜야?!"로 바뀌었죠. 전 세계 화학자들이 그의 주기율표를 인정하기 시작했어요. 빈칸을 남겨둔 그 "도박"이 과학 역사상 가장 멋진 예언이 된 거예요.

이후 과학자들은 주기율표를 지도 삼아 새 원소를 찾아 나섰어요. 표에 빈칸이 보이면 "여기 뭔가 있을 거야"라고 확신할 수 있었으니까요. 덕분에 오늘날 주기율표에는 118개 원소가 빠짐없이 채워져 있어요.

교실 벽에 붙은 그 표, 사실 150년 전 한 사람의 도박이었다

118개 원소가 채워진 그 표, 어디서 본 적 있지 않아요? 맞아요, 과학실 벽에 알록달록하게 붙어 있는 바로 그 포스터예요. 그게 멘델레예프가 카드 놀이하듯 만든 그 표의 후손이에요.

사실 우리는 매일 주기율표 속 원소들과 함께 살고 있어요. 스마트폰 배터리에는 리튬이, 과자 봉지 안 빵빵한 가스는 질소가, 수돗물 소독에는 염소가 쓰여요. 급식 숟가락의 스테인리스에는 철과 크로뮴이 섞여 있고요. 멘델레예프 덕분에 과학자들은 이 원소들을 체계적으로 이해하고, 새로운 재료와 약을 만들 수 있게 됐어요.

무엇보다 멘델레예프가 남긴 진짜 교훈은 이거예요. 퍼즐 조각이 빠져 있을 때, "틀렸다"고 포기하지 않고 "아직 못 찾은 것"이라고 믿는 용기요. 시험 문제가 안 풀릴 때, 모르는 게 나올 때, 기억해 보세요. 150년 전 그 남자는 빈칸 앞에서 도망치지 않고, 오히려 빈칸에 미래를 적어 넣었다는 걸요.