[1904 노벨화학상] 윌리엄 램지 : 공기 속에 숨어있던 '비활성 기체' 패밀리를 찾아낸 탐정

 

 

 

🕵️‍♂️ 공기 1%의 미스터리, 주기율표의 마지막 퍼즐을 맞추다

 

1890년대 초반까지만 해도 화학자들은 우리가 숨 쉬는 공기(Air) 에 대해 모든 것을 알고 있다고 자부했습니다. 산소(약 21%)와 질소(약 79%), 그리고 약간의 수증기와 이산화탄소. 이것이 공기의 전부라고 믿었죠.

또한 러시아의 천재 화학자 멘델레예프가 만든 주기율표는 세상의 모든 원소를 정리한 완벽한 지도처럼 보였습니다. 더 이상 새로운 원소가 들어갈 자리는 없어 보였습니다.

하지만 영국 런던의 한 실험실에서, 이 견고한 믿음에 균열을 내는 사건이 발생합니다.

아주 미세한 무게의 차이. 누구라도 "실험 오차겠지" 하고 넘겨버릴 0.006g의 차이를 집요하게 파고든 끝에, 그는 공기 속에 투명 망토를 쓰고 숨어있던 전혀 새로운 원소들의 집단을 발견해 냅니다.

아르곤(Ar), 헬륨(He), 네온(Ne), 크립톤(Kr), 제논(Xe).

화학 반응을 거부하는 도도한 기체들, 일명 '비활성 기체(Noble Gases)' 를 잇달아 찾아내어 주기율표의 '0족(Group 0)'을 통째로 만들어버린 위대한 발견자.

1904년 노벨 화학상의 주인공, 윌리엄 램지 (Sir William Ramsay)의 숨 막히는 추리극 속으로 들어가 봅니다.

 

📜 0.006g의 단서 : "질소의 무게가 이상하다?"

 

이야기는 램지의 절친한 동료이자 1904년 노벨 물리학상 수상자인 존 윌리엄 스트럿 (제3대 레일리 남작) 의 고민에서 시작됩니다.

레일리 경은 아주 정밀한 성격의 소유자였습니다. 그는 기체의 밀도를 측정하는 실험을 하던 중 이상한 점을 발견했습니다.

• 화학적 질소: 암모니아 같은 화합물을 분해해서 얻은 순수한 질소.
• 대기 질소: 공기에서 산소와 수증기 등을 제거하고 남은 질소.

이론적으로 두 질소는 똑같아야 합니다. 하지만 저울에 달아보니, 공기에서 얻은 질소가 화학적 질소보다 아주 미세하게(약 0.5%) 더 무거웠습니다.

대부분의 과학자는 "실험하다가 먼지가 들어갔겠지"라며 무시했습니다. 하지만 레일리 경은 자신의 실험에 실수가 없음을 확신했고, 이 미스터리를 학계에 투고했습니다.

이때, 이 문제에 강렬한 호기심을 느낀 사람이 바로 런던 유니버시티 칼리지의 교수, 윌리엄 램지였습니다.

"레일리 경, 제가 그 문제를 한번 파헤쳐 봐도 되겠습니까? 공기 속에 우리가 모르는 '무거운 무언가'가 숨어있는 것 같습니다."

램지는 레일리에게 허락을 구하고, 본격적으로 공기를 해부하기 시작했습니다.

 

💨 "게으른 녀석"을 체포하다 : 아르곤(Argon)의 발견

 

램지의 실험 방법은 무식하고도 확실했습니다.

"공기 질소 안에 불순물이 숨어있다면, 질소를 없애버리면 그 놈만 남겠지?"

그는 마그네슘을 이용해 공기 중의 질소를 모두 반응시켜 흡수해 버렸습니다. 며칠 동안 질소를 태우고 또 태운 끝에, 유리관 속에는 절대 반응하지 않는 소량의 기체가 남았습니다.

이 기체는 정말 독특했습니다. 색깔도 없고, 냄새도 없고, 맛도 없는데, 어떤 물질과도 화학 반응을 하지 않았습니다. 산을 부어도, 불을 붙여도 끄떡없었습니다.

1894년, 램지와 레일리는 이 새로운 원소의 이름을 그리스어로 '게으르다(lazy)' 또는 '활동하지 않는다'는 뜻인 아르고스(argos) 에서 따와 아르곤(Argon) 이라고 지었습니다.

하지만 학계의 반응은 싸늘했습니다.

"반응하지 않는 원소라니? 그런 건 있을 수 없다. 아르곤은 새로운 원소가 아니라, 질소 원자 3개가 뭉친 변종(N3)일 뿐이다."

심지어 주기율표의 창시자 멘델레예프조차 "내 주기율표에 그런 원소가 들어갈 자리는 없다"며 아르곤을 인정하지 않았습니다. 램지는 사면초가에 몰렸지만, 여기서 포기하지 않았습니다.

 

☀️ 태양의 원소를 지상에서 찾다 : 헬륨(Helium)

 

아르곤의 위치를 찾기 위해 고민하던 램지에게 또 다른 단서가 날아옵니다.

우라늄 광석(클레베이트)을 황산에 녹이면 어떤 기체가 나오는데, 그게 질소 같다는 소식이었습니다. 램지는 "혹시 이것도 아르곤 아닐까?" 하는 생각에 그 기체를 포집해 스펙트럼 분석을 의뢰했습니다.

결과는 충격적이었습니다. 그 기체의 스펙트럼은 아르곤도, 질소도 아니었습니다. 그것은 30년 전, 개기일식 때 태양의 빛에서만 관측되었던 미지의 노란 선과 정확히 일치했습니다.

바로 헬륨(Helium) 이었습니다.

그때까지 과학자들은 헬륨이 태양에만 존재하는 원소라고 믿었습니다. 그런데 램지가 지구의 암석 속에 갇혀있던 헬륨을 해방시킨 것입니다. 1895년의 이 발견으로 램지는 단숨에 세계적인 스타가 되었습니다.

 

💎 숨바꼭질의 끝판왕 : 네온, 크립톤, 제논

 

이제 램지는 확신했습니다.

"아르곤과 헬륨이 있다면, 그 사이와 그 뒤에 해당하는 다른 원소들도 분명히 존재한다. 그놈들도 공기 속에 숨어있을 것이다."

그는 멘델레예프의 주기율표 맨 오른쪽에 새로운 열(Column)을 하나 통째로 만들 계획을 세웁니다.

1898년, 램지는 제자 모리스 트래버스(Morris Travers)와 함께 액체 공기를 이용한 실험에 돌입합니다. 공기를 영하 200도 가까이 냉각시켜 액체로 만든 뒤, 온도를 조금씩 높이면서 끓는점 차이를 이용해 기체들을 하나씩 분리해 내는 '분별 증류' 방식이었습니다.

이 과정은 마치 모래사장에서 바늘 찾기와 같았습니다. 하지만 그들의 집념은 기적을 만들어냈습니다.

• 5월 30일: 크립톤(Krypton) 발견. (그리스어로 '숨겨진 것')
• 6월: 네온(Neon) 발견. (그리스어로 '새로운 것')
• 7월: 제논(Xenon) 발견. (그리스어로 '낯선 것')

불과 몇 달 사이에 그는 공기 속에 숨어있던 비활성 기체 3형제를 모두 검거했습니다. 특히 네온이 붉은빛을 내뿜는 것을 처음 본 순간, 램지의 아들은 "아버지, 이 기체 이름을 '새롭다(Novum)'라고 지어요!"라고 외쳤고, 이것이 네온(Neon)의 유래가 되었습니다.

 

🏆 1904년, 위대한 우정의 승리

 

1904년, 노벨 위원회는 이 역사적인 발견을 기리며 두 명의 과학자에게 상을 수여했습니다.

• 노벨 물리학상: 공기 밀도 연구로 아르곤 발견의 단초를 제공한 레일리 경.
• 노벨 화학상: 아르곤을 분리하고, 헬륨과 나머지 비활성 기체들을 찾아내 주기율표를 완성한 윌리엄 램지.

화학상 수상 이유는 다음과 같았습니다.

"공기 중의 비활성 기체 원소들을 발견하고, 이 원소들이 주기율표에서 차지하는 위치를 결정한 공로를 인정하여..."

이로써 멘델레예프가 비워두지도 않았던(몰라서 못 비웠던) 주기율표의 0족(18족)이 완성되었습니다. 화학자들은 비로소 원소의 질서가 완벽해졌음을 인정하게 되었습니다.

 

🧐 윌리엄 램지에 대한 흥미로운 TMI

 

1. 만능 스포츠맨이자 언어 천재 램지는 연구실에만 박혀있는 샌님과는 거리가 멀었습니다. 그는 뛰어난 운동신경을 자랑하며 테니스, 등산, 사이클을 즐겼습니다. 또한 언어 능력이 탁월해 영어는 물론 프랑스어, 독일어, 이탈리아어에 능통했고, 노벨상 수상 연설을 할 때 스웨덴 사람들을 위해 스웨덴어를 배워서 연설하는 팬 서비스(?)를 보여주기도 했습니다.
2. 라돈(Radon)까지? 그는 노벨상 수상 이후에도 연구를 멈추지 않았습니다. 1910년에는 방사성 물질인 라듐에서 나오는 기체인 '니톤(Niton)' 의 원자량을 측정했습니다. 이 기체가 바로 마지막 비활성 기체인 라돈(Rn) 입니다. 사실상 자연계에 존재하는 비활성 기체는 그가 다 손을 댄 셈입니다.
3. 유리 세공의 달인 당시에는 정밀한 실험 기구가 부족했습니다. 램지는 필요한 유리 기구를 직접 입으로 불어서 만드는 유리 세공의 명인이었습니다. 그가 발견한 미량의 기체들을 다루기 위해서는 아주 섬세한 장비가 필요했는데, 램지의 '신의 손'이 없었다면 불가능했을지도 모릅니다.
4. 네온사인의 아버지 그가 발견한 네온은 전기를 흘려주면 매혹적인 주홍빛을 냅니다. 램지는 1910년 한 강연에서 이 빛을 대중에게 공개했습니다. 비록 상업적인 네온사인은 램지가 직접 만든 건 아니지만(프랑스의 조르주 클로드가 발명), 밤거리를 화려하게 밝히는 그 빛의 근원을 찾아낸 것은 램지였습니다.

 

🌏 맺음말 : 보이지 않는 것을 보는 눈

 

윌리엄 램지가 발견한 비활성 기체들은 '반응하지 않는다'는 이유로 처음에는 쓸모없는 기체 취급을 받았습니다.

하지만 그 '반응하지 않는 성질' 덕분에 오늘날 아르곤은 용접할 때 금속을 보호하는 데 쓰이고, 헬륨은 MRI 기계를 식히거나 풍선을 띄우는 데 쓰이며, 크립톤과 제논은 고성능 램프와 우주선 추진체(이온 엔진)에 사용됩니다.

공기 중 1%도 안 되는 미량의 오차를 그냥 지나치지 않았던 레일리와 램지.

그들의 이야기는 "가장 위대한 발견은 '유레카!'가 아니라 '어? 이게 왜 이러지?'에서 시작된다" 는 과학계의 격언을 가장 잘 보여주는 사례입니다.

오늘 여러분이 무심코 들이마신 숨 속에도, 램지가 찾아낸 보석 같은 원소들이 반짝이며 떠다니고 있습니다.