멘델레예프가 예측한 원소들
드미트리 이바노비치 멘델레예프는 1869년에 최초의 원소주기율표를 만들었으며, 그는 여기서 화학 원소들을 가벼운 것부터 무게 순으로 나열하였다. 멘델레예프가 그의 원소주기율표를 작성하였을 때, 그는 사이사이에 공백을 남겨두었고, 그 빈칸을 채우기에 알맞은 성질을 가진 원소들이 있을 것이라 예측하였다.
접두사[편집]
멘델레예프는 그가 예측한 원소들에 이름을 붙이기 위해서 산스크리트어에서 1, 2, 3을 의미하는 접두사인 eka-, dvi-, and tri-를 사용하였다. 같은 족의 이미 알려진 원소들로부터 몇 칸 아래에 있는지에 따라 접두사가 결정이 되었는데, 예를 들면 저마늄(germanium)은 1886년에 발견되기 전까지 에카실리콘(ekasilicon)으로 불리었고, 레늄은 1926년에 발견되기 전까지 드비망가니즈(dvi-manganese)로 불렸다.
접두사 eka-는 멘델레예프의 예측에서뿐만 아니라 다른 이론가들에 의해서도 사용되었다. 프랑슘(francium)은 발견되기 이전에 에카세슘(eka-caesium)으로 불렸으며, 아스타틴(astatine)은 에카아이오딘(eka-iodine)으로 불렸다. 접두사 eka-는 아직도 초우라늄 원소를 지칭할 때 가끔 사용되기도 한다. 예를 들어 우누녹튬(ununoctium)은 에카라돈(eka-radon)으로 불리고 있으며, 운비우늄(unbiunium)은 에카악티늄(eka-actinium), 또는 드비란타넘(dvi-lanthanum)으로 불리고 있다. 그러나 현재 국제 순수·응용 화학 연합(IUPAC)은 이러한 접두사들을 사용하는 것 대신에 원자번호에 기반을 둔 체계적 원소 이름을 사용하기를 권하고 있다.
초기의 예측 [편집]
희토류 원소들보다 가볍다고 예견되었던 네 개의 예측된 원소들인 에카붕소(ekaboron, Eb), 에카알루미늄(ekaaluminium, Ea), 에카망가니즈(ekamanganese, Em)과 에카실리콘(ekasilicon, Es)은 각각 스칸듐(scandium), 갈륨(gallium), 테크네튬(technetium), 저마늄(germanium)의 성질을 예측한 좋은 예시가 되었으며, 이들은 멘델레예프의 원소주기율표에 포함되었다. 희토류 원소들은 산화된 상태로 발견되기 때문에, 희토류 원소를 얻기 위해서는 그들을 환원시켜야 한다. 그러나 초반의 원소주기율표가 만들어졌던 시점에서는 그러지 못했기 때문에, 멘델레예프의 무거운 원소들에 대한 예측은 엇나가기 시작했고, 그것이 문서화되지도 않았기 때문에 잘 알려지지도 않았다.
스칸듐은 1879년 후반에서야 라르스 닐손(Lars Fredrick Nilson)에 의해서 산화스칸듐으로부터 얻을 수 있게 되었고, 그는 멘델레예프에게 뒤늦게 이 사실을 알렸다. 멘델레예프는 1871년, 에카붕소의 원자 질량을 44로 예측했었으며, 실제 스칸듐의 원자 질량은 44.955910이었다.
1871년, 멘델레예프는 당시 발견되지 않았던 원소인 에카알루미늄(eka-aluminium)의 존재를 예측하였다. 아래의 표로 멘델레예프가 이 원소에 대해 예측한 사실과, 1875년에 부아보드랑(Paul Emile Lecoq de Boisbaudran)이 실제로 갈륨을 발견하였을 때 알아낸 사실들을 비교할 수 있다.
| 성질 | 에카알루미늄 (멘델레예프가 예측한 사실) | 갈륨 (실제 사실) |
|---|---|---|
| 원자 질량 | 68 | 69.72 |
| 밀도 (g/cm3) | 6.0 | 5.904 |
| 녹는점 (°C) | 낮음 | 29.78 |
| 산화물 | Ea2O3 (밀도: 5.5 g/cm3) (산성과 염기성 수용액 모두에 용해 가능) | Ga2O3 (밀도: 5.88 g/cm3) (산성과 염기성 수용액 모두에 용해 가능) |
| 염화물 | Ea2Cl6 (휘발성) | Ga2Cl6 (휘발성) |
테크네튬(technetium)은 멘델레예프가 죽은 뒤인 1937년에 페리에르(Carlo Perrier)와 에밀리오 세그레(Emilio Segrè)가 어니스트 로렌스(Ernest Lawrence)의 사이클로트론(cyclotron) 속에 몰리브데넘(molybdenum) 시료를 넣고 중수소(deuterium) 핵과 충돌시킴으로써 얻어졌다. 멘델레예프는 1871년에 이 원소의 원자 질량을 100으로 예측하였으며 가장 안정한 동위원소는 98Ea일 것이라고 하였다.
저마늄(germanium)은 1886년에 얻어졌으며, 아래의 표로 멘델레예프가 이 원소에 대해 예측한 사실과 현재 밝혀진 사실을 비교할 수 있다.
| 성질 | 에카실리콘 (멘델레예프가 예측한 사실) | 저마늄 (실제 사실) |
|---|---|---|
| 원자 질량 | 72 | 72.61 |
| 밀도 (g/cm3) | 5.5 | 5.35 |
| 녹는점 (°C) | 높음 | 947 |
| 색깔 | 회색 | 회색 |
| 산화물의 특성 | 내열성 산화물 | 내열성 산화물 |
| 산화물의 밀도 (g/cm3) | 4.7 | 4.7 |
| 염화물의 끓는점 (°C) | 100 °C 미만 | 86 °C (GeCl4) |
| 염화물의 밀도 (g/cm3) | 1.9 | 1.9 |
토륨, 우라늄과 프로트악티늄[편집]
1871년, 멘델레예프는 토륨(thorium)과 우라늄(uranium) 사이에 들어갈 원소의 존재를 예측하였다. 1900년, 윌리엄 크룩스(William Crookes)는 우라늄에서 얻은 미지의 방사성 물질을 이용하여 프로트악티늄(protactinium) 을 얻어내었다. 프로트악티늄의 동위원소들이 각각 1913년, 1918년에 독일에서 발견되었지만 '프로트악티늄'이라는 이름은 1948년이 될 때까지 붙여지지 않았다. 1950년대가 되어서부터는 토륨, 우라늄과 프로트악티늄은 악티늄족(actinides)으로 분류되기 시작하였다.
멘델레예프는 1869년, 지르코늄(zirconium)의 한 칸 아래에 그보다 더 무거운 원소의 존재성과 그 성질을 예측하였지만, 1871년에는 그 자리에 다른 원소인 란타넘(lanthanum)을 넣었다. 그러나 1923년에 하프늄(hafnium)이 발견되었고, 하프늄의 성질은 멘델레예프가 애초에 예측했던 원소의 성질과 거의 일치하였다.
그 이후의 예측들[편집]
1902년, 헬륨(helium)과 아르곤(argon)의 발견으로 멘델레예프는 이러한 비활성 기체들을 0족으로 분류하였다. 당시 멘델레예프는 일정 성분비의 법칙을 설명하는 원자론에 대해 의심을 품고 있는 상태였기 때문에 수소(hydrogen)가 원소들 중 가장 가벼운 원소라고 믿을 이유가 없었으며, 0족 원소들 중 아직 발견이 되지 않은 어떤 원소가 수소보다 가벼울 수 있음을 주장하였다.
멘델레예프는 그러한 원소들이 2개 존재한다고 생각하였으며, 둘 중 더 무거운 원소가 코로늄(coronium)일 것이라고 주장하였다. 그러나 이는 후에 Fe13+인 것으로 밝혀졌다.
그리고 두 원소 중 가벼운 원소는 5.3×10−11과 9.6×10−7 사이의 원자 질량을 가질 것으로 예측하였다. 멘델레예프는 질량이 거의 없는 이 기체의 속도가 초속 2,500,000m 정도이며, 이 기체는 모든 물질들 사이에 스며들 수 있고 화학적으로 거의 반응하지 않을 것이라고 하였다.
멘델레예프는 그 이후인 1904년, '에테르'의 이름을 따서 'A Chemical Conception of the Ether''이라는 소책자를 집필하였다. 이 책에는 그가 예측하였던 수소보다 가벼운 두 원소에 대한 내용이 담겨 있었다.