갈륨: 너무 늦게 발견되어 맨델레예프의 최초 주기율표에 포함되지 않음

여러분, 오랫만입니다. 패티가 어떻게 지내고 있는지 볼까요......

패티는 새 Apple® 시계를 보고 있노라면 유쾌해집니다.  그녀가 가장 기분 좋게 느끼는 점은 이런 좋은 기분을 기대하지 않았다는 것입니다.  그녀는 이 시계에 관한 많은 사람들의 미온적인 리뷰를 들었으므로 실망할 준비를 하고 있었던 것입니다. 그런데 현재까지 그녀는 이것을 아주 좋아합니다.  iPhone 5를 가까이 두어야 한다는 점은 인정합니다. 그러나 문자 메시지, 일일 피트니스 진전 상황, 실외 온도, 매일 회의를 한 눈에 확인하고, 시계의 계산기 등등을 사용할 수 있습니다. 그녀는 이 시계를 항상 사용하고 있습니다. 포켓북에서 iPhone을 꺼내는 것보다 더 편리합니다.  또한 배터리 수명은 예상보다 훨씬 더 우수했습니다.  하루가 지나도 배터리 충전량의 3분의 2가 그대로 남아 있었습니다.  

그녀는 시계 밴드를 보며 미소를 지었습니다.  시계 밴드는 수 십년 간 시계를 밴드에 고정하는 성가신 핀을 사용했는데,  Apple은 완벽한 시계 밴드를 디자인했습니다.  시계 뒷면의 약간 들어간 데를 누르면  밴드가 미끄러져 나옵니다.  다시 삽입하면 밴드는 매우 튼튼하게 고정됩니다.  게다가 이 시계를 무료로 받았으니 더할 나위없죠!  강의 담당 교수님이 패티에게 일상의 기술이라는 강의에서 Apple 시계에 관한 30분 짜리 발표를 해줄 것을 요청했습니다. 학교 측에서 이에 대한 성의 표시로 그녀에게 이 시계를 제공했습니다.

Apple 시계 밴드는 조절이 쉽고 튼튼합니다. 이미지 출처.

이번 학기에 Patty는 강의가 없어서 강의 담당 교수님이 컨퍼런스에 참석하는 며칠 동안 소재: 문명의 물질에서 강의하기로 동의했습니다. 패티는 이 두 교수님이 강의를 대신 해 줄 것을 요청할 정도로 공대 문화에 자기 자신이 잘 적응하고 있다는 생각에 기분이 우쭐해 졌습니다. 

그녀의 강의 일부는 맨델레예프의 주기율표 개발에 관한 내용입니다. 강의 담당 교수님은 그녀가 스티븐 호킹의 유니버스 DVD의 동영상을 10분 간 사용할 것을 제안했습니다. 이 비디오에서는 맨델레예프가 카드 크기 정도의 종이 쪽지에 원자량 및 원소명을 어떻게 기록했는지 논했습니다. 그런 다음, 그는 원자량과 물리적 특성에 따라 원소를 구성했으며, 그 산물이 주기율표였습니다.

패티는 이 비디오에서 배우가 인듐 원소 카드를 배열하는 것을 보았습니다.

“잠깐, 당시 인듐이 발견되었었나?”하고 그녀는 생각해 보았습니다

그녀의 남편 롭이 박사 학위 논문을 인듐 주석 산화물(ITO)에 관해 준비하고 있기 때문에 패티도 인듐에 많은 관심을 갖게 되었습니다. 그녀는 간단한 검색으로 맨델레예프가 주기율표에 관한 획기적인 작업을 실행하기 6년 전인 1863년 인듐이 발견되었다는 사실을 알아냈습니다. 따라서 비디오는 정확했습니다.

주기율표를 발견할 무렵의 맨델레예프.

동영상이 더 진행되자 내레이터는 맨델레예프의 최초 주기율표에는 갭이 있었으며 시간이 경과하면서 발견되는 원소들이 이러한 갭을 채우게 되리라고 맨델레예프가 예언했다는 점을 지적했습니다.

패티는 맨델레예프의 업적에 관해서는 TedEd 비디오가 스티븐 호킹 비디오보다 더 잘 설명한다고 생각했습니다. 패티가 매우 심오하게 생각했던 것 중 하나는 맨델레예프가 주기율표의 배열에 따라 미상의 원소를 예언했다는 사실입니다. 이 비디오는 그가 원자량이 약 68인 원소가 발견될 거라고 예언한 것을 지적하고 있습니다.  그는 주기가 동일하고 알루미늄보다 한 줄 아래에 있는 이 원소를 eka-알루미늄이라고 명명했습니다. 1871년 그는 이 원소의 밀도는 6g/cc이고 저온에서 녹고 열 전도율이 우수한 광택이 나는 금속일 것이라고 예언했습니다. 그가 예언했던 이러한 특성은 4년 후인 1875년 eka-알루미늄 또는 갈륨이 발견되었을 때 신기할 정도로 정확했음이 드러났습니다.

맨델레예프의 1871년 주기율표.  그는 원자 번호가 알려지기 전에 원자량을 사용했습니다. 이미지 출처.

원자량이 68인 원소는 없음을 참고하세요.  여기에 갈륨이 1875년 삽입되었습니다.

패티는 롭의 연구에 이 원소가 포함되었고, 반도체 레이저 및 LED 제조에 인듐과 함께 자주 사용되는 갈륨이 익숙했습니다.  그녀는 롭이 갈륨의 중요성에 대해 흥분하며 말했던 것은 어렴풋이 기억하지만 그 이유는 기억할 수 없었습니다.

퇴근하여 귀가한 후 저녁에 전개될 지적 모험이 기다려졌습니다. 롭이 먼저 귀가하여 그의 주특기인 맥 앤 치즈 요리를 만들고 있었습니다. 이것은 바삭하게 요리한 맥 앤 치즈로 구수한 냄새가 집에 들어서는 패티를 맞았습니다. 저녁 식사 후에는 가족 시간이었습니다. 롭과 패티는 일에 대한 이야기는 최소화하고 두 아들과 함께 하는 가족 시간에 집중하기로 동의했습니다. 그들 집에서 화요일은 스페인어 날입니다. 그들은 스페인어 날에는 스페인어로만 이야기합니다. 이미 그들의 쌍둥이 아들은 스페인어와 중국 표준어(목요일은 중국어 날임)를 아주 유창하게 구사하고 이해합니다.

8시에 아들들이 잠자리에 들자 패티는 더 이상 참지 못하고 롭에게 맨델레예프와 eka-알루미늄에 관한 질문을 쏟아냈습니다. 모든 사정을 이야기한 후 그녀는 계속했습니다.

“맨델레예프는 갈륨의 존재 가능성을 예언했을 뿐 아니라 그 실제 물리적 속성을 아주 근사하게 설명했다는 사실이 아주 인상적이었어요”라고 패티는 의견을 밝혔습니다.

“동의해요. 생각해 봐요. 그는 알려진 것이 거의 없었던 물질에 대해 예언했어요. 당시 과학자들은 원자가 존재한다는 데에도 동의하지 않았어요. 당신과 나는 고체 물리학을 수강했지만 그와 같은 예언은 할 수 없을 거예요.” 롭이 대답했습니다.

“현재 갈륨은 극히 중요한 물질이예요. 반도체 레이저 및 특히 LED 조명에 사용되고 있거든요. 갈륨이 없으면 백색 LED 조명이 가능하지 않아요. 청색 레이저를 만들기 위해서는 갈륨 니트라이드가 필요하거든요.” 롭이 계속 설명했습니다.

“잠깐만요!  백색 조명이라고 했다가 청색 조명이라고 했죠. 헷갈리는데요.” 패티가 말을 끊었습니다.

“백색 LED는 없어요. 백색 조명은 적, 녹, 청 LED에서만 만들 수 있어요. 청색 LED는 갈륨 니트라이드로 제조하거든요.” 롭이 대답했습니다.

“백색 LED 조명은 전기를 절약하기 때문에 미래를 위해 중요해요. 나는 초기 LED 조명의 강한 청백색 조명은 좋아하지 않았어요. 그러나 기술이 개선되고 있어요.” 패티가 응수했습니다.

“전체 전기의 약 20%가 조명을 위해 사용되고 있고, 백열등에 비해 LED는 루멘당 약 1/7의 에너지만 사용하거든요. 이러한 상황을 고려할 경우 갈륨은 미래를 위한 중요한 물질이예요.” 롭이 계속 설명했습니다.

“맨델레예프가 자신이 예언했던 eka-알루미늄, 소위 갈륨이 이토록 중요할 거라고 추측이나 했을지 궁금하네요.” 패티가 미소를 지었습니다.

감사합니다.

론 박사

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