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15족에서 17족까지의 원소는 너무 많은 전자를 가지고 있어서 삼차원적으로 확장되는 거대한 공유 결합 분자를 형성할 수 없다. 더 가벼운 원소의 경우, 작은 이원자 분자 내의 결합이 너무 강해서 응축상이 선호되지 않는다. 따라서 질소(N2), 산소(O2), 백린과 황비소(P4 및 As4), 황과 적셀레늄(S8 및 Se8), 그리고 안정적인 할로젠(F2, Cl2, Br2, I2)은 쉽게 원자 수가 적은 공유 결합 분자를 형성한다. 더 무거운 원소는 긴 사슬(예: 적린, 회색 셀레늄, 텔루륨) 또는 층상 구조(예: 흑연으로서의 탄소, 흑린, 회색 비소, 안티모니, 비스무트)를 형성하는 경향이 있는데, 이들은 삼차원이 아닌 한두 차원으로만 확장된다. 두 종류의 구조는 인, 비소, 셀레늄의 동소체에서 발견될 수 있지만, 긴 사슬 형태의 동소체가 세 가지 모두에서 더 안정적이다. 이러한 구조는 모든 궤도를 결합에 사용하지 않기 때문에 에너지 증가 순서로 결합, 비결합, 반결합 띠를 갖게 된다. 14족과 유사하게, 더 무거운 원소의 경우 띠틈이 줄어들고 사슬이나 층 사이에서 전자의 자유로운 이동이 가능해진다. 따라서 예를 들어 흑린, 흑비소, 회색 셀레늄, 텔루륨, 아이오딘은 반도체이고, 회색 비소, 안티모니, 비스무트는 반금속이며(매우 작은 띠 겹침으로 준금속적 전도도를 나타냄), 폴로늄과 아마도 아스타틴은 진정한 금속이다. 마지막으로, 자연적인 18족 원소들은 모두 개별 원자로 존재한다.
금속과 비금속의 구분선은 대략 왼쪽 위에서 오른쪽 아래로 대각선을 이룬다. 전이 계열은 이 대각선의 왼쪽에 나타나는데, 이는 겹침에 사용할 수 있는 궤도가 많기 때문이다. 이는 금속성이 전기양성도 및 전자를 잃으려는 경향과 상관관계가 있으며, 이는 오른쪽에서 왼쪽으로, 위에서 아래로 갈수록 증가하기 때문에 예상되는 결과이다. 따라서 금속의 수가 비금속의 수보다 훨씬 많다. 경계선 근처의 원소는 분류하기 어렵다. 이들은 금속과 비금속의 중간적인 특성을 가지는 경향이 있으며, 두 가지 모두의 특징적인 특성을 가질 수 있다. 이들은 종종 반금속 또는 준금속이라고 불린다. 여기서 사용된 "반금속"이라는 용어는 띠 구조와 관련된 엄격한 물리적 의미와 혼동해서는 안 된다. 비스무트는 물리적으로 반금속이지만, 화학자들은 일반적으로 이를 금속으로 간주한다.
다음 표는 표준 조건에서 가장 안정적인 동소체를 그렸다. 노란색으로 색칠된 원소는 금속 결합으로 잘 특성화된 단물질을 형성한다. 연한 파란색으로 색칠된 원소는 거대한 네트워크의 공유 결합 구조를 형성하며, 짙은 파란색으로 색칠된 원소는 더 약한 반데르발스 힘으로 결합된 작은 공유 결합 분자를 형성한다. 비활성 기체는 보라색으로 색칠되어 있다. 이 분자는 단일 원자이며 공유 결합이 발생하지 않는다. 회색으로 처리된 셀은 가장 안정적인 동소체가 이러한 방식으로 특성화될 만큼 충분한 양이 모이지 않은 원소들이다. 이론적 고려와 현재 실험적 증거는 이들 원소가 응축상을 형성할 수 있다면 모두 금속화될 것이라고 추정한다. 오가네손은 예외일 수 있다.
일반적으로 금속은 광택이 나고 밀도가 높다. 금속 결합의 강도 때문에 녹는점과 끓는점이 높은 경향이 있으며, 원자가 금속 결합을 끊지 않고도 서로 움직일 수 있기 때문에 종종 가단성과 연성이 있다(쉽게 늘리고 자유롭게 모양을 만들 수 있다). 전자가 삼차원 공간에서 자유롭게 움직일 수 있기 때문에 전기를 전도한다. 마찬가지로 열도 전도하는데, 이는 전자가 추가적인 운동 에너지로 전달되기 때문이다. 이들은 더 빠르게 움직인다. 이러한 특성은 액체 상태에서도 지속되는데, 이는 녹는 과정에서 결정 구조가 파괴되더라도 원자는 여전히 접촉하고 금속 결합이 약해지더라도 지속되기 때문이다. 금속은 비금속에 대해 반응성이 높은 경향이 있다. 이러한 일반화에 몇 가지 예외가 있다. 예를 들어 베릴륨, 크로뮴, 망가니즈, 안티모니, 비스무트 및 우라늄은 부서지기 쉽다(완전한 목록은 아님). 크로뮴은 극도로 단단하다. 갈륨, 루비듐, 세슘, 수은은 실온 또는 그 근처에서 액체이다. 그리고 금과 같은 귀금속은 화학적으로 매우 불활성이다.
비금속은 다른 특성을 보인다. 거대 공유 결정체를 형성하는 비금속은 높은 녹는점과 끓는점을 가지는데, 이는 강한 공유 결합을 극복하는 데 상당한 에너지가 필요하기 때문이다. 개별 분자를 형성하는 비금속은 주로 분산력을 통해 결합되어 있으며, 이는 더 쉽게 극복될 수 있다. 따라서 이들은 낮은 녹는점과 끓는점을 가지는 경향이 있으며, 많은 경우 실온에서 액체 또는 기체이다. 비금속은 종종 광택이 없게 보인다. 이들은 비활성 기체를 제외하고 금속과 반응성이 높은 경향이 있으며, 비활성 기체는 대부분의 물질에 대해 불활성이다. 고체일 때는 원자들이 제자리에 단단히 고정되어 부서지기 쉽다. 밀도가 낮고 전기 전도성이 좋지 않은데, 이는 이동 가능한 전자가 없기 때문이다. 경계선 근처에서는 띠틈이 작으므로 해당 영역의 많은 원소들이 규소, 저마늄, 텔루륨과 같은 반도체이다. 셀레늄은 반도체인 회색 동소체와 절연체인 붉은 동소체를 모두 가지고 있으며, 비소는 금속성인 회색 동소체, 반도체인 검은 동소체, 절연체인 노란 동소체를 가지고 있다(단, 후자는 주변 조건에서 불안정하다). 다시 예외가 있는데, 예를 들어 다이아몬드는 알려진 모든 재료 중에서 가장 높은 열전도율을 가지며, 어떤 금속보다도 높다.
금속과 비금속 사이의 경계선을 가로지르는 준금속 부류를 지정하는 것이 일반적인데, 이는 해당 영역의 원소들이 물리적 및 화학적 특성 모두에서 중간적인 특성을 가지기 때문이다. 그러나 정확히 어떤 원소들을 그렇게 지정해야 하는지에 대해서는 문헌에서 합의된 바가 없다. 이러한 분류가 사용될 때 규소, 저마늄, 비소, 텔루륨은 거의 항상 포함되며, 붕소와 안티모니는 보통 포함된다. 그러나 대부분의 자료는 추가할 다른 원소들에 대한 합의 없이 다른 원소들도 포함하며, 일부는 이 목록에서 제외하기도 한다. 예를 들어, 일반적으로 준금속 또는 비금속으로 간주되는 다른 모든 원소와 달리, 안티모니의 유일하게 안정적인 형태는 금속 전도성을 가진다. 더욱이, 이 원소는 물리적 및 화학적 행동에서 비스무트, 그리고 더 일반적으로 다른 P-구역 금속과 유사하다. 이러한 근거로 일부 저자들은 안티모니를 준금속보다는 금속으로 분류하는 것이 더 적절하다고 주장했다. 반면에 셀레늄은 가장 안정적인 형태에서 일부 반도체 특성을 가지며(단, 절연성 동소체도 있음) 준금속으로 간주되어야 한다고 주장하는 경우도 있다. 그러나 이러한 상황은 인에도 적용되며, 인은 준금속에 포함되는 경우는 거의 없다.
주기성의 추가적인 발현.
주기율표 전체에는 같은 족에 속하지 않는 원소들 사이에도 다른 관계가 존재한다. 예를 들어, 대각선으로 인접한 원소들(예: 리튬과 마그네슘) 사이의 대각선 관계가 있다. 또한 주족과 전이 금속 족 사이, 또는 초기 악티늄족과 초기 전이 금속 사이에 유사성을 찾을 수 있는데, 이는 원소가 같은 수의 원자가 전자를 가질 때 나타난다. 따라서 우라늄은 6족의 크로뮴과 텅스텐과 다소 유사한데, 이 세 원소 모두 6개의 원자가 전자를 가지기 때문이다. 같은 수의 원자가 전자를 가지지만 다른 유형의 원자가 궤도를 가지는 원소 사이의 관계는 이차 또는 이소도너 관계라고 불린다. 이들은 일반적으로 최대 산화 상태는 같지만 최소 산화 상태는 다르다. 예를 들어, 염소와 망가니즈는 모두 +7을 최대 산화 상태로 가지지만(예: Cl2O7 및 Mn2O7), 각각의 최소 산화 상태는 -1(HCl)과 -3(K2[Mn(CO)4])이다. 같은 수의 원자가 빈 공간을 가지지만 다른 수의 원자가 전자를 가지는 원소는 삼차 또는 이소액셉터 관계로 이어진다. 이들은 일반적으로 최소 산화 상태는 유사하지만 최대 산화 상태는 다르다. 예를 들어, 수소와 염소는 모두 -1을 최소 산화 상태로 가지지만(수소화물 및 염화물에서), 수소의 최대 산화 상태는 +1(H2O)인 반면 염소는 +7이다.
녹는점, 끓는점, 융해열, 기화열, 원자화 에너지 등 원소의 다른 많은 물리적 특성들도 주기율에 따라 주기적인 변화를 보인다. 유사한 주기적 변화는 원소의 화합물에서도 나타나며, 수소화물, 산화물, 황화물, 할로젠화물 등을 비교하여 관찰할 수 있다. 화학적 특성은 정량적으로 설명하기 더 어렵지만, 마찬가지로 고유한 주기성을 보인다. 예시로는 원소 및 그 화합물의 산성 및 염기성 특성, 화합물의 안정성, 원소 분리 방법의 변화 등이 있다. 주기성은 알려지지 않은 새로운 원소 및 새로운 화합물의 특성을 예측하는 데 매우 널리 사용되고 있으며, 현대 화학의 핵심이다.
원소 분류.
문헌에서 유사하게 행동하는 원소를 한 데 묶는 분류를 설명하는 데 많은 용어를 사용했다. 족 이름인 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 15족 원소, 16족 원소, 할로젠, 비활성 기체는 IUPAC에서 인정하는 용어이다. 그 외 다른 족은 번호 또는 첫 번째 원소로 지칭할 수 있다(예: 6족은 크로뮴족이다). 일부는 13족에서 16족까지의 P-구역 원소를 금속성으로 분류하지만, 금속, 비금속 또는 반금속(때로는 준금속이라고도 함)으로 정확히 어떤 원소를 간주해야 하는지에 대한 IUPAC 정의나 정확한 합의는 없다. 전이 금속 다음에 오는 금속을 무엇이라고 불러야 하는지에 대한 합의도 없으며, 전이후 금속과 악한 금속 등이 사용된 용어 중 하나이다. 일부 고급 단행본은 12족 원소를 때때로 상당히 다른 화학적 특성을 이유로 전이 금속에서 제외하지만, 이는 보편적인 관행이 아니며 IUPAC는 현재 화학 명명법 원칙에서 이를 허용한다고 언급하지 않는다.
란타넘족은 란타넘~루테튬 사이 원소로 간주되며, 이들은 모두 서로 매우 유사하다. 역사적으로는 세륨~루테튬만 포함되었지만, 란타넘은 일반적인 사용으로 포함되었다. 희토류 원소는 스칸듐과 이트륨을 란타넘족에 추가한 것이다. 유사하게, 악티늄족은 악티늄~로렌슘 사이 원소로 간주된다(역사적으로는 토륨~로렌슘). 비록 이 집합 내의 특성 변화는 란타넘족 내보다 훨씬 크지만 말이다. IUPAC는 -화물 접미사가 일반적으로 음이온을 나타내므로 모호성을 피하기 위해 란타넘족 원소 및 악티늄족 원소라는 이름을 권장하지만, 란타넘족 및 악티늄족이라는 용어가 여전히 일반적으로 사용된다. 루테튬과 로렌슘이 D-구역 원소로 점차 인식됨에 따라, 일부 저자는 란타넘족을 란타넘~이터븀으로, 악티늄족을 악티늄~노벨륨으로 정의하기 시작했으며 이는 F-구역 원소와 일치한다. 트랜스악티늄족 원소 또는 초악티늄족 원소는 악티늄족 이후의 짧은 수명을 가진 원소로, 로렌슘 또는 러더포듐에서 시작된다(악티늄족이 끝나는 지점에 따라 다름).
이 외에도 더 많은 분류가 존재하며 특정 분야에 따라 사용된다. 천체물리학에서 금속은 원자 번호가 2보다 큰 모든 원소, 즉 수소와 헬륨을 제외한 모든 것을 의미한다. "반금속"이라는 용어는 화학에서와는 다른 물리적 정의를 갖는다. 비스무트는 물리적 정의에 따르면 반금속이지만, 화학자는 일반적으로 이를 금속으로 간주한다. 몇몇 용어는 널리 사용되지만, "중금속"과 같이 매우 형식적인 정의 없이 사용되며, 너무 광범위하게 정의되어 "실질적으로 무의미하다"는 비판을 받기도 했다.
용어의 범위는 저자마다 크게 다르다. 예를 들어, IUPAC에 따르면 비활성 기체는 매우 방사성인 초악티늄족 원소인 오가네손을 포함하여 전체 족을 포함한다. 그러나 초악티늄족 원소 전문가 사이에서는 흔히 그렇지 않다. 이 경우 "비활성 기체"는 일반적으로 이 족의 더 가벼운 원소들의 비반응적 행동을 의미하는 것으로 해석된다. 계산상 오가네손은 상대론적 효과로 인해 특별히 비활성적이지 않을 것으로 예측되며, 대량 생산될 경우 실온에서 기체가 아닐 수도 있기 때문에 이러한 맥락에서 그 비활성 기체로서의 지위는 종종 의문시된다. 더욱이, 국가별 차이가 때때로 발견된다. 일본에서는 알칼리 토금속이 종종 베릴륨과 마그네슘을 포함하지 않는데, 이는 그들의 행동이 더 무거운 2족 금속과 다르기 때문이다.
초기 역사.
1817년, 독일 물리학자 요한 볼프강 되베라이너는 원소를 분류하려는 초기 시도로 원소를 공식화하기 시작했다. 1829년 되베라이너는 일부 원소를 세 개씩 묶을 수 있으며, 각 묶음의 원소는 서로 비슷한 속성을 가진다는 것을 발견했다. 그는 이 묶음을 삼원소라고 불렀다. 염소, 브로민, 아이오딘이 삼원소를 형성했으며, 칼슘, 스트론튬, 바륨도 그러했고, 리튬, 나트륨, 칼륨도 그러했으며, 황, 셀레늄, 텔루륨도 그러했다. 오늘날 이 모든 삼원소는 현대의 족(할로젠, 알칼리 토금속, 알칼리 금속, 칼코젠)의 일부를 이룬다. 다양한 화학자가 그의 연구를 이어받아 더 많은 소규모 원소 무리 간의 관계를 확인할 수 있었다. 그러나 이 모든 것을 포함하는 하나의 체계를 구축하지는 못했다.
존 뉴랜즈는 1863년 2월 《케미컬 뉴스》 지에 화학 원소의 주기성에 대한 논문을 발표했다. 1864년 뉴랜즈는 《케미컬 뉴스》에 원소를 원자량 순서로 배열하면 연속적인 번호를 가진 원소가 종종 같은 족에 속하거나 다른 족에서 비슷한 위치를 차지한다는 사실을 보여주는 논문을 발표했다. 그는 주어진 원소부터 시작하여 여덟 번째 원소마다 음악의 8도처럼 첫 번째 원소의 일종의 반복이 나타난다고 지적했다(옥타브의 법칙). 그러나 뉴랜즈의 공식화는 주로 전형 원소에 대해서만 잘 작동했고, 다른 원소에 대해서는 심각한 문제가 발생했다.
독일 화학자 로타르 마이어는 비슷한 화학적 및 물리적 특성의 순서가 주기적인 간격으로 반복된다는 것을 주목했다. 그에 따르면, 원자량을 종축(즉, 수직)으로, 원자 부피를 횡축(즉, 수평)으로 정렬하면 그 선이 일련의 최대값과 최소값을 얻으며, 가장 전기 양성적인 원소는 원자량 순서대로 곡선의 정점에 나타날 것이다. 1864년에 그의 책이 출판되었는데, 이 책에는 28개의 원소를 포함하는 초기 주기율표가 있었고 원소를 원자가에 따라 6개의 계열로 분류했다. 이는 원소를 원자가에 따라 분류한 최초의 사례였다. 당시 원자량을 계산하고 구하는 작업은 부정확한 원자량 측정으로 인해 난관에 봉착했다. 1868년에 그는 자신의 표를 수정했지만, 이 수정본은 그의 사후에 초고로만 출판되었다.
멘델레예프의 표.
결정적인 돌파구는 러시아 화학자 드미트리 멘델레예프가 이루어냈다. 마이어를 포함한 다른 화학자도 거의 동시에 주기율 체계의 다른 버전을 발견했지만, 멘델레예프는 자신의 체계를 개발하고 방어하는 데 가장 헌신적이었고, 그의 체계가 과학계에 가장 큰 영향을 미쳤다. 1869년 2월 17일(그레고리력으로는 1869년 3월 1일), 멘델레예프는 원소를 배열하고 이를 원자량에 따라 비교하기 시작했다. 그는 몇몇 원소로 시작하여 하루 동안 그의 체계가 알려진 대부분의 원소를 포함할 정도로 확장되었다. 일관된 배열을 찾은 후, 멘델레예프의 인쇄된 표는 1869년 5월 러시아 화학 학회지에 실렸다. 원소들가 이 체계에 맞지 않는 것처럼 보일 때는 과감하게 원자가 또는 원자량이 잘못 측정되었거나, 중간에 아직 발견되지 않은 누락된 원소가 있다고 예측했다. 1871년 멘델레예프는 자신의 표의 업데이트된 형태를 포함하는 긴 논문을 발표했는데, 여기서 미지의 원소에 대한 예측을 명시적으로 밝혔다. 멘델레예프는 이 미지의 원소 중 세 가지 원소의 속성을 상세하게 예측했다. 이 원소는 각각 붕소, 알루미늄, 규소의 더 무거운 동족체가 될 것이므로, 그는 이들을 에카-붕소, 에카-알루미늄, 에카-규소("에카"는 산스크리트어로 "하나"를 의미함)라고 명명했다.
1875년, 프랑스 화학자 폴에밀 르콕 드 부아보드랑은 멘델레예프의 예측을 알지 못한 채 섬아연석 광물 샘플에서 새로운 원소를 발견하고 갈륨이라고 명명했다. 그는 이 원소를 분리하고 그 특성을 분석하기 시작했다. 드 부아보드랑의 논문을 읽은 멘델레예프는 갈륨이 자신이 예측한 에카-알루미늄이라고 주장하는 편지를 보냈다. 처음에는 드 부아보드랑이 회의적이었고 멘델레예프가 자신의 발견에 대한 공로를 가로채려 한다고 의심했지만, 나중에 멘델레예프가 옳았음을 인정했다. 1879년, 스웨덴 화학자 라르스 프레드리크 닐손은 스칸듐이라고 명명한 새로운 원소를 발견했는데, 이는 에카-붕소로 밝혀졌다. 에카-규소는 1886년 독일 화학자 클레멘스 빙클러가 발견하여 저마늄이라고 명명했다. 갈륨, 스칸듐, 저마늄의 특성은 멘델레예프가 예측한 것과 일치했다. 1889년 멘델레예프는 런던 왕립 학회에서 열린 패러데이 강연에서 "이들의 발견을 대영 화학 학회에 주기율의 정확성과 보편성을 확인하는 것으로 언급할 만큼 (내가) 오래 살 것이라고는 예상하지 못했다"고 언급했다. 19세기 말에 멘델레예프가 예측하지 못했던 비활성 기체의 발견조차도 그의 체계에 여덟 번째 주족으로 깔끔하게 들어맞았다.
그럼에도 불구하고 멘델레예프는 알려진 란타넘족 원소를 그의 체계에 맞추는 데 어려움을 겪었다. 왜냐하면 이 원소는 다른 원소들처럼 원자가의 주기적 변화를 보이지 않았기 때문이다. 많은 연구 끝에 체코 화학자 보후슬라프 브라우너는 1902년에 란타넘족 원소를 모두 주기율표의 한 족에 함께 배치할 수 있다고 제안했다. 그는 이를 천문학적 유추로서 "소행성 가설"이라고 명명했다. 화성과 목성 사이에 단일 행성 대신 소행성대가 있는 것처럼, 이트륨 아래의 자리는 단일한 원소 대신 모든 란타넘족 원소로 채워져야 한다고 생각했다.
원자 번호.
원자의 내부 구조가 탐구된 후, 네덜란드 아마추어 물리학자 안토니우스 반 덴 브록은 1913년에 원자핵의 전하가 주기율표에서 원소의 위치를 결정한다고 제안했다. 뉴질랜드 물리학자 어니스트 러더포드는 이 원자핵 전하에 대해 "원자 번호"라는 용어를 만들었다. 반 덴 브록의 출판된 논문에서 그는 원소가 전자 수에 따라 배열된 최초의 전자 주기율표를 그렸다. 러더포드는 1914년 자신의 논문에서 보어가 반 덴 브록의 견해를 수용했음을 확인했다.
같은 해, 영국의 물리학자 헨리 모즐리는 엑스선분광학을 사용하여 반 덴 브록의 제안을 실험적으로 확인했다. 모즐리는 알루미늄부터 금까지 각 원소의 핵 전하 값을 결정했으며, 멘델레예프의 배열이 실제로 원소를 원자핵의 전하 순서로 연속적으로 배치된다는 것을 보여주었다. 원자핵 전하는 양성자 수와 동일하며 각 원소의 원자 번호(Z) 값을 결정한다. 원자 번호를 사용하면 원소에 대한 명확한 정수 순서를 얻을 수 있다. 모즐리의 연구는 원자량과 화학적 특성 사이의 불일치, 즉 원자 번호는 증가하지만 원자량은 감소하는 텔루륨과 아이오딘과 같은 경우의 문제를 곧바로 해결했다. 모즐리는 곧 제1차 세계 대전에서 사망했지만, 스웨덴 물리학자 만네 시그반은 우라늄까지 그의 연구를 계속이어가 당시 알려진 가장 높은 원자 번호(92)를 가진 원소임을 입증했다. 모즐리와 시그반의 연구를 바탕으로 아직 발견되지 않은 원소의 원자 번호(43, 61, 72, 75, 85, 87)도 알려지게 되었다. (원소 75는 사실 1908년 일본 화학자 마사타카 오가와가 이미 발견하여 니포늄이라고 명명했지만, 그는 실수로 이 원소를 75번이 아닌 43번 원소라고 착각하여 그의 발견은 나중에야 학계에 인정되었다. 원소 75의 현재 인정되는 최초 발견은 1925년에 발터 노다크, 이다 타케, 오토 베르크가 독립적으로 재발견하여 현재 이름인 레늄을 부여했을 때 이루어졌다.)
원자 물리학의 도래는 동위 원소의 상황을 명확히 했다. 원시 방사성 원소인 토륨과 우라늄의 붕괴 사슬에서, 곧이어 원자량은 다르지만 화학적 특성은 정확히 같은 많은 새로운 원소들이 나타난다는 것이 분명해졌다. 1913년에 프레더릭 소디는 이러한 상황을 설명하기 위해 "동위 원소"라는 용어를 만들었고, 동위 원소를 단순히 같은 화학 원소의 다른 형태라고 생각했다. 이는 또한 텔루륨과 아이오딘과 같은 불일치를 명확히 했다. 텔루륨의 자연 동위 원소 구성은 아이오딘보다 무거운 동위 원소 쪽으로 치우쳐 있지만, 텔루륨은 원자 번호가 더 낮다.
전자 껍질.
덴마크 물리학자 닐스 보어는 막스 플랑크의 양자화 개념을 원자에 적용했다. 이들은 전자의 에너지 준위가 양자화되어 있다고 결론내렸다. 즉 전자는 안정적인 에너지 상태가 띄엄띄엄 떨어진 이산적인 간격 사이세서만 움직일 수 있다. 보어는 1913년 내부 전자도 원소의 화학적 특성에 영향을 줄 것이라 추측하면서 전자 배열을 통해 원소의 주기성을 이해하려고 시도했다. 1913년 보어는 양자화된 원자에 기반한 최초의 전자 주기율표를 만들었다.
보어는 1913년에 자신의 전자 껍질을 "고리"(rings)라고 불렀다. 당시 그의 행성 모델에는 껍질 내 원자 궤도가 존재하지 않았다. 보어는 그의 유명한 1913년 논문 3부에서 껍질당 최대 전자가 8개라고 설명하며, "또한 우리는 n개의 전자로 이루어진 고리가 전하 ne를 가진 핵 주위를 하나의 고리에서 회전할 수 없다는 것을 알 수 있다. 단, n &lt; 8인 경우를 제외한다."라고 썼다. 더 작은 원자의 경우 전자 껍질은 다음과 같이 채워진다. "전자 고리는 같은 수의 전자를 포함할 경우에만 결합할 것이며, 따라서 내부 고리의 전자 수는 2, 4, 8이 될 것이다." 그러나 원자번호가 더 큰 원자에서는 가장 안쪽 껍질이 8개의 전자를 포함할 것이다. "반면에, 원소 주기율표는 이미 네온 N = 10에서 8개의 전자로 이루어진 내부 고리가 나타날 것임을 강력히 시사한다."라고 말했다. 그가 제안한 원자들의 전자 배열(오른쪽에 표시됨)은 대부분 현재 알려진 것과 일치하지 않는다. 이들은 아르놀트 조머펠트와 에드먼드 스토너가 더 많은 양자수를 발견하면서 개선되었다.
보어의 원자 이론의 화학적 전위를 체계적으로 확장하고 수정하려 한 최초의 인물은 1914년과 1916년의 발터 코셀이었다. 코셀은 주기율표에서 새로운 원소는 전자가 외부 껍질에 추가될 때 생성될 것이라고 설명했다. 코셀의 논문에서 그는 다음과 같이 썼다. 이는 추가되는 전자가 동심원의 고리 또는 껍질에 들어가야 하며, 각 고리에는 ... 특정 수의 전자, 즉 우리의 경우 8개만 배열되어야 한다는 결론으로 이어진다. 하나의 고리 또는 껍질이 완성되는 즉시, 다음 원소에서는 새로운 고리를 채우면서 시작해야 한다. 가장 쉽게 접근할 수 있고 가장 바깥쪽에 위치한 전자의 수는 원소마다 다시 증가하므로, 각 새로운 껍질의 형성에서 화학적 주기성이 반복된다.
1919년 논문에서 어빙 랭뮤어는 현재 우리가 전자 궤도라고 부르는 "세포"의 존재를 가정했는데, 각 세포는 최대 8개의 전자를 가질 수 있으며, 이들은 현재 우리가 껍질이라고 부르는 "같은 거리를 둔 층"에 배열되어 있다. 그는 첫 번째 껍질만 2개의 전자를 포함하다는 예외를 두었다. 화학자 찰스 루젤리 베리는 1921년에 껍질에 8개와 18개의 전자가 안정적인 배열을 형성한다고 제안했다. 베리는 전이 원소의 전자 배열이 바깥 껍질의 원자가 전자에 달려 있다고 주장했다. 그는 현재 전이 금속 또는 전이 원소로 알려진 원소들을 설명하기 위해 처음으로 전이(transition)라는 단어를 도입했다. 보어의 이론은 72번 원소의 발견으로 입증되었다. 조르주 위르뱅은 이를 희토류 원소인 셀튬으로 발견했다고 주장했지만, 베리와 보어는 72번 원소가 희토류 원소가 될 수 없으며 지르코늄의 동족체여야 한다고 예측했다. 디르크 코스터와 게오르크 폰 헤베시는 지르코늄 광석에서 그 원소를 찾아냈고, 그들은 보어의 고향인 코펜하겐(라틴어로 하프니아(Hafnia))의 이름을 따서 하프늄이라고 명명했다. 위르뱅의 셀튬은 단순히 정제된 루테튬(원소 71)으로 밝혀졌다. 따라서 하프늄과 레늄이 마지막으로 발견된 안정 원소가 되었다.
보어의 이론을 받아 볼프강 파울리는 1923년 전자 배열 문제를 다루었다. 파울리는 보어의 체계를 4개의 양자수를 사용하도록 확장하고, 두 개의 전자가 같은 4개의 양자수를 가질 수 없다는 파울리 배타 원리를 공식화했다. 이는 주기율표에서 보이는 주기의 길이(2, 8, 18, 32)를 설명할 수 있는데 주기는 각 껍질이 차지할 수 있는 전자 수에 해당한다. 1925년에 프리드리히 훈트는 현대의 배열과 유사한 배열에 도달했다. 이러한 발전 끝에 주기성은 원소의 원자가보다는 화학적으로 활성인 또는 원자가 전자의 수에 기반하는 것으로 전환되었다. 원소의 전자 배열을 설명하는 쌓음 원리는 1926년 에르빈 마델룽이 처음 경험적으로 관찰했지만, 이를 처음 발표한 사람은 1930년 블라디미르 카라페토프였다. 1961년, 프세볼로트 클레치콥스키는 토마스-페르미 모델에서 쌓음 원리의 첫 부분(궤도가 n + ℓ 증가 순서로 채워진다는 것)을 이론을 통해 도출했다. 완전한 규칙은 1971년 유리 N. 뎀코프와 발렌틴 N. 오스트로프스키가 비슷한 퍼텐셜을 통해 도출되었다.
양자 이론은 전이 금속과 란타넘족 원소가 주족 원소들 사이에 자신들만의 별개 집단을 형성함을 명확히 보였지만, 일부 화학자는 이미 그 전부터 별도로 표시하는 방식으로 전이 금속 계열을 보여주는 주기율표를 제안했다. 영국의 화학자 헨리 배싯은 1892년에, 덴마크의 화학자 율리우스 톰센은 1895년에, 스위스의 화학자 알프레트 베르너는 1905년에 이런 주기율표를 작성했다. 보어는 1922년 노벨 강연에서 톰센의 형태를 사용했으며, 베르너의 형태는 현대의 32열 형태와 매우 유사하다. 특히, 이는 브라우너의 소행성 가설을 대체했다.
란타넘족의 정확한 위치와 그에 따른 3족의 구성은 수십 년간 논란의 여지가 있었는데, 그들의 전자 배열이 처음에는 잘못 측정되었기 때문이다. 화학적 근거로 배싯, 베르너, 베리는 스칸듐과 이트륨을 란타넘이 아닌 루테튬과 함께 분류했다 (앞의 두 사람은 루테튬이 아직 발견되지 않았기 때문에 이트륨 아래에 빈 공간을 남겨두었다). 훈트는 1927년에 모든 란타넘족 원자가 주로 3가라는 이유로 [Xe]4f0−145d16s2의 배열을 가진다고 가정했다. 현대에서는 화학과 전자 배열 사이의 관계가 그보다 더 복잡하다는 것이 알려져 있다. 초기 분광학적 증거에선 이러한 배열을 확인하는 듯 보였고, 따라서 주기율표는 3족을 스칸듐, 이트륨, 란타넘, 악티늄으로 구성하고, 란타넘과 하프늄 사이에 14개의 f-원소를 넣어 d-구역을 분할하도록 구성되었다. 그러나 나중에 이것이 15개의 란타넘족 원소 중 4개(란타넘, 세륨, 가돌리늄, 루테튬)에만 해당되며, 다른 란타넘족 원자는 d-전자를 가지지 않는다는 것이 밝혀졌다. 특히 이터븀은 4f 껍질을 완성하며, 따라서 1948년 소련의 물리학자 레프 란다우와 예브게니 리프시츠는 루테튬이 f-구역 원소가 아닌 d-구역 원소로 간주되어야 맞는 배치라고 언급했다. 대량의 란타넘이 f-금속이라는 것은 곤도 준이 1963년에 저온 초전도 현상을 근거로 처음 제안했다. 이는 원소를 구역별로 분류하고 표에 배치할 때 화학적 환경에서 역할을 할 수 있는 원자의 낮은 에너지에서 들뜬상태를 살펴보는 것의 중요성을 명확히 했다. 많은 저자가 이후 물리적, 화학적, 전자적 관점에서 이 수정을 재발견하고 모든 관련 원소에 적용하여 3족에 스칸듐, 이트륨, 루테튬, 로렌슘을 포함하게 되었고 란타넘부터 이터븀까지, 그리고 악티늄부터 노벨륨까지를 f-구역 행으로 만들었다. 이 수정된 버전은 쌓음 원리와 일관성을 이루고 배싯, 베르너, 베리의 초기 화학적 배치를 입증한다.
1988년 IUPAC는 3족의 이러한 구성을 지지하는 보고서를 발표했고, 이 결정은 2021년에 재확인되었다. 하지만 3족의 구성에 대한 변형은 여전히 교과서에서 찾아볼 수 있으며, 이 형태에 대한 일부 다른 주장은 오늘날에도 출판되고 있지만, 이 문제를 고려한 화학자와 물리학자는 대부분 3족에 스칸듐, 이트륨, 루테튬, 로렌슘이 포함된다는 데 동의하며 반대 주장을 일관성이 없다고 비판한다.
합성 원소.
1936년까지 수소에서 우라늄 사이 누락된 원소는 4개로 줄어들었다. 이 시점에서 43, 61, 85, 87번 원소가 여전히 누락되어 있었다. 43번 원소는 결국 자연에서 발견된 것이 아니라 핵 반응을 통해 인공적으로 합성된 최초의 원소로 기록되었다. 이 원소는 1937년 이탈리아 화학자 에밀리오 지노 세그레와 카를로 페리에가 발견했으며, 그들은 그리스어로 "인공적인"이라는 단어에서 이름을 따서 테크네튬이라고 명명했다. 61번 원소(프로메튬)와 85번 원소(아스타틴)도 마찬가지로 각각 1945년과 1940년에 인공적으로 생산되었다. 87번 원소(프랑슘)는 1939년 프랑스 화학자 마르게리트 페레가 자연에서 발견된 마지막 원소가 되었다. 우라늄을 초과하는 원소도 마찬가지로 인공적으로 발견되었는데, 에드윈 맥미런과 필립 아벨슨이 1940년에 넵투늄을 발견(우라늄에 중성자를 충격하여)하면서 시작되었다. 글렌 T. 시보그와 그의 LBNL 팀은 1941년 플루토늄을 시작으로 초우라늄 원소를 계속해서 발견했으며, 이전의 생각과는 달리 악티늄 이후의 원소가 전이 금속이 아니라 란타넘족 원소의 동족체라는 것을 발견했다. 배싯(1892), 베르너(1905), 프랑스 엔지니어 샤를 자네트(1928)가 이전에 이를 주장했지만, 그들의 아이디어는 당시에는 학계에서 받아들여지지 않았다. 따라서 시보그는 이들을 악티늄족이라고 불렀다. 101번 원소(멘델레븀, 멘델레예프를 기려 명명됨)까지의 원소는 1955년까지 중성자 또는 알파 입자 조사, 또는 99번(아인슈타이늄)과 100번(페르뮴)의 경우 핵폭발을 통해 합성되었다.
1960년대와 1970년대에 102번부터 106번 원소 사이에 대해 중대한 논쟁이 발생했는데, 앨버트 기오소가 이끄는 LBNL 팀과 게오르기 플료로프가 이끄는 소비에트 과학자 팀 간의 경쟁이 격화되었기 때문이었다. 각 팀은 서로 자신이 원소를 발견했다고 주장했으며, 일부의 경우 각자 원소에 대한 자체적인 이름을 제안하여 수십 년간 지속된 원소 명명 논란을 일으켰다. 이 원소는 악티늄족 원소에 가벼운 이온을 충돌시켜 만들어졌다. IUPAC는 처음에는 합의가 이루어질지 기다리면서 방관적인 입장을 취했다. 그러나 냉전이 한창이던 시기였기 때문에 이것이 불가능하다는 것이 분명해졌다. 이에 따라 IUPAC와 IUPAP는 1985년에 트랜스페르뮴 연구단(TWG, 페르뮴은 100번 원소)을 구성하여 원소 발견 기준을 설정했고, 이는 1991년에 발표되었다. 추가적인 논란 끝에 이 원소는 1997년에 최종적으로 이름이 정해졌다. 여기에는 시보그를 기리는 시보귬(106번)도 포함되었다.
TWG의 기준은 LBNL과 JINR뿐만 아니라 이후 독일(GSI)과 일본(이화학연구소)의 연구 기관 사이 원소 발견 주장을 중재하는 데 사용되었다. 현재 원소 발견 주장 심사는 IUPAC/IUPAP 합동 실무단에서 수행한다. 우선권이 부여된다면 발견한 원소를 공식적으로 주기율표에 추가했고 발견자는 그 원소의 이름을 붙일 수 있는 자리에 초청받았다. 2016년까지 118번까지의 모든 원소에 대해 이러한 절차가 이루어졌으며, 이에 따라 주기율표의 첫 7개 줄이 완성되었다. 106번 이후 원소의 발견은 유리 오가네샨이 JINR에서 고안한 기술 덕분에 가능했다. 냉핵융합(납과 비스무트에 중이온을 충돌시킴)으로 1981년부터 2004년까지 GSI에서 107번부터 112번 원소, 이화학연구소에서 113번 원소가 발견되었고, 그는 1998년부터 2010년까지 고온 핵융합(악티늄족 원소에 칼슘 이온을 충돌시킴)을 사용하여 114번부터 118번 원소를 발견하는 JINR 팀을 이끌었다(미국 과학자들과 협력). 가장 무거운 원소인 오가네손(118번)은 오가네샨의 이름을 따서 명명되었다. 114번 원소는 그의 전임자이자 스승인 플료로프를 기려 플레로븀으로 명명되었다.
주기율표 탄생 150주년을 기념하여, 유엔은 2019년을 국제 주기율표의 해로 선포하며 "과학에서 가장 중요한 성과 중 하나"를 기념했다. TWG가 설정한 발견 기준은 1991년에는 예측하지 못했던 실험적, 이론적 진보에 대응하여 2020년에 업데이트되었다. 오늘날 주기율표는 화학에서 가장 뚜렷한 성과 중 하나이다. IUPAC는 새로운 원소의 인정 및 명명, 족 번호 및 집단 이름 추천, 원자량 업데이트 등 오늘날 주기율표와 관련된 많은 과정에 관여하고 있다.
7주기 너머로의 주기율표 확장.
가장 최근에 명명된 원소인 니호늄(113), 모스코븀(115), 테네신(117), 오가네손(118)의 발견으로 주기율표의 일곱 번째 줄이 완성되었다. 미래에 발견될 원소는 여덟 번째 줄을 채워야 한다. 이 원소는 원자 번호(예: "164번 원소")로 불리거나, 1978년에 채택된 IUPAC 체계적 원소 이름(예: 164번 원소의 경우 라틴어 unus "하나", 그리스어 hexa "여섯", 라틴어 quadra "넷" 및 금속 원소의 전통적인 -ium 접미사에서 파생된 "운헥스콰듐")으로 부를 수 있다. 지금까지 8주기 원소를 합성하려는 모든 시도는 실패했다. 119번 원소를 만들려는 시도는 2018년부터 일본의 이화학연구소에서 진행 중이다. 미국의 LBNL, 러시아의 JINR, 중국의 란저우시의 중이온연구시설(HIRFL)도 처음 몇 개의 8주기 원소를 합성하려는 자체적인 시도를 계획하고 있다.
8주기가 이전 주기와 동일한 패턴을 따른다면, 8s, 5g, 6f, 7d, 마지막으로 8p 부껍질을 채우는 50개의 원소가 포함될 것이다. 하지만 이 시점부터는 상대론적 효과 때문에 쌓음 원리에서 상당한 오차가 발생할 것이다. 8주기 원소의 배열과 주기율표에 결과를 표시하는 방법에 대해 다양한 모델이 제안되었다. 모든 모델은 8주기가 이전 주기와 마찬가지로 두 개의 8s 원소인 119번과 120번으로 시작해야 한다는 데에는 동의한다. 그러나 그 이후에는 5g, 6f, 7d, 8p 부껍질이 전부 엄청나게 에너지가 겹치기 때문에 거의 모든 부껍질이 함께 채워지기 시작하며, 특정 5g 및 6f 계열 전자 쌓음을 분리하는 방법이 명확하지 않다. 따라서 121번부터 156번까지의 원소는 주기율표의 이전 부분에 있는 어떤 구역과도 화학적으로 잘 들어맞지 않지만, 형식적으로는 이들의 전자 배열을 반영하기 위해 5g, 6f, 기타 계열로 배치되기도 했다. 에릭 스체리는 이 영역에서 마델룽 규칙이 들어맞지 않는 것을 확장 주기율표가 고려해야 하는지, 아니면 그러한 예외를 무시해야 하는지에 대한 의문을 제기했다. 이 시점에서는 껍질 구조가 상당히 형식적일 수도 있다. 이미 오가네손 원자의 전자 분포는 뚜렷한 껍질 구조가 없이 상당히 균일할 것으로 예상된다.
157번부터 172번까지의 상황은 정상으로 돌아와 이전 주기와 더 유사할 것으로 예상된다. 무거운 p-껍질은 스핀-궤도 상호작용에 따라 분리된다. 하나의 p 궤도(p1/2)는 더 안정화되고, 다른 두 개(p3/2)는 불안정화된다.(이러한 양자수 변화는 모든 종류의 껍질에서 발생하지만, p-껍질의 경우 전자가 쌓이는 순서에 가장 큰 영향을 미친다.) 157번 원소에 이르면 총 4개의 전자를 가진 8s 및 8p1/2 껍질이 내부 껍질로 가라앉을 가능성이 높다. 내부 너머에는 비슷한 에너지의 7d와 9s 궤도가 뒤따르고, 그 다음 비슷한 에너지의 9p1/2와 8p3/2 궤도가 있으며, 그 다음에는 큰 간격이 있다. 따라서 9s와 9p1/2 궤도는 본질적으로 8s와 8p1/2 궤도를 대체하여, 157번부터 172번까지의 원소가 아마도 3족부터 18족까지와 화학적으로 유사하게 될 것이다. 예를 들어, 164번 원소는 일반적인 패턴에 따르면 납 아래 14족에 나타날 것이지만, 실제로는 10족의 팔라듐과 매우 유사할 것으로 계산된다. 따라서 118번 이후 다음 비활성 원소에 도달하려면 50개가 아닌 54개의 원소가 필요하다. 그러나 157번부터 172번까지의 원소의 화학적 특성에 대한 이러한 결론은 모델 간에 대체로 비슷한 결과가 나와 동의하지만, 주기율표가 화학적 유사성을 반영해야 하는지, 아니면 이전 주기와는 상당히 다를 것으로 예상되고 각 출처 간에 합의되지 않은 형식적인 전자 배열을 반영해야 하는지에 대한 의견 차이가 있다. 따라서 8주기의 형태에 대한 논의는 계속된다.
172번 원소 이후의 계산은 1s 전자 에너지 준위가 허수가 되면서 복잡해진다. 이러한 상황은 물리적 해석을 가지며 주기율표에 전자적 한계를 자체적으로 제시하지는 않지만, 이러한 상태를 다전자 계산에 통합하는 올바른 방법은 여전히 이 지점 이후의 주기율표 구조를 계산하기 위해 해결해야 할 미해결 문제이다.
핵의 안정성이 가능한 원소의 수를 제한하는 결정적인 요인이 될 것이다. 이는 양성자 사이의 전기적 반발력과 양성자 및 중성자를 함께 묶는 강한 핵력 사이의 균형에 달려 있다. 양성자와 중성자는 전자와 마찬가지로 껍질에 배열되어 있으며, 닫힌 껍질은 안정성을 크게 늘릴 수 있다. 알려진 초중핵은 이러한 껍질 닫힘, 아마도 114~126번 원소 사이 양성자와 184번 원소의 중성자 근처에서 발생하기 때문에 존재한다. 이는 아마도 안정성의 섬이라고 예측되는 곳에 가까이 있을 것이며, 여기서 초중핵은 예상보다 더 오래 생존할 수 있다고 예상된다. 이 섬에서 가장 오래 지속되는 핵종에 대한 예측은 마이크로초에서 수백만 년에 이른다. 하지만 이러한 예측은 본질적으로 핵종 차트의 미지의 부분을 추정을 통해 외삽한 값이며, 체계적인 모델 불확실성을 고려해야 한다는 점에 유의해야 한다.
닫힌 껍질을 넘어서면 안정화 효과가 사라질 것으로 예상된다. 따라서 184개 이상의 중성자를 가진 초중핵종은 훨씬 짧은 수명을 가지며 10−15초 이내에 자발적으로 핵분열할 것으로 예상된다. 만약 그렇다면, 이를 화학 원소로 간주하는 것은 의미가 없을 것이다. IUPAC/IUPAP는 핵이 전자 구름을 모으는 데 필요한 시간인 10−14초보다 오래 생존할 때만 원소가 존재한다고 이론화하고 권고한다. 그럼에도 불구하고, 반감기에 대한 이론적 추정치는 모델에 매우 의존적이며, 여러 자릿수의 오차범위로 다양하게 나타난다. 양성자 사이의 극심한 반발은 기포, 고리, 토러스와 같은 특이한 핵 위상을 만들어 낼 것으로 예측된다. 이는 외삽을 더욱 복잡하게 만든다. 뚜렷한 핵 껍질의 예상되는 흐려짐(오가네손의 전자 껍질에서도 이미 예상됨) 때문에 더 바깥쪽 껍질 닫힘이 존재하는지는 불분명하다. 또한, 나중에 껍질 닫힘이 존재하더라도 그러한 무거운 원소가 존재할 수 있게 할지는 불분명하다. 따라서 주기율표는 120번 원소 근처에서 실질적으로 끝날 수도 있다. 원소의 수명이 너무 짧아 관찰할 수 없게 되고, 화학적 특성을 가질 수 없을 정도로 수명이 짧아지기 때문이다. 새로운 원소를 발견하는 시대는 따라서 거의 끝나가고 있을 것이다. 126번을 넘어 또 다른 양성자 껍질 닫힘이 존재한다면, 이는 아마도 164번 근처에서 발생할 것이다. 따라서 주기성이 붕괴되는 영역은 대략적으로 껍질 닫힘 사이의 불안정 영역과 일치한다.
또는 핵이 양성자와 중성자로 결합하는 대신 자유롭게 흐르는 위 쿼크와 아래 쿼크로 구성될 때, 쿼크 물질이 높은 질량수에서 안정해질 수 있다. 이는 안정성의 섬 대신 안정성의 대륙을 만들 것이다. 다른 효과도 작용할 수 있다. 예를 들어, 매우 무거운 원소에서는 1s 전자가 핵에 너무 가까이 머무르면서 실제로 핵 내부에 있는 시간이 상당할 것으로 예상되는데, 이는 전자 포획에 취약하게 만들 것이다.
여덟 번째 줄 원소가 존재할 수 있다고 하더라도 이를 생성하는 것은 어려울 가능성이 높고, 원자 번호가 증가함에 따라 더욱 어려워질 것이다. 8s 원소인 119번과 120번은 현재의 수단으로 합성 가능할 것으로 예상되지만, 그 이후의 원소는 새로운 기술을 필요로 할 것으로 예상된다. 만약 생산될 수 있다면 말이다. 이 원소를 화학적으로 특성화하는 것도 큰 도전이 될 것이다.
대안 주기율표.
주기율은 여러 가지 방식으로 표현될 수 있으며, 표준 주기율표는 그 중 하나일 뿐이다. 1869년 멘델레예프 표가 등장한 지 100년 안에 에드워드 G. 마주르스는 약 700개의 다른 모양의 출판된 주기율표를 수집했다. 많은 형태가 직사각형 구조를 유지하는데, 여기에는 샤를 자네트의 왼쪽 계단 주기율표(아래 그림)와 러시아에서 여전히 흔히 사용되는 멘델레예프의 원래 8열 배열의 현대화된 형태가 포함된다. 기타 다른 주기율표 형식으로 나선형(오토 테오도어 벤페이의 그림이 오른쪽에 있음), 원형, 삼각형과 같이 훨씬 더 특이한 형태로 만들어진 주기율표도 있다.
대안 주기율표는 전통적인 주기율표에서는 덜 명확한 원소의 화학적 또는 물리적 특성을 강조하거나 부각시키기 위해 개발되는 경우가 많으며, 어떤 표는 화학을, 어떤 표는 물리학을 더 강조하는 경향이 있다. 가장 일반적인 형태인 표준형은 두 분야의 중간쯤에 위치한다.
주기율표의 다양한 형태는 주기율표의 최적 또는 최종 형태가 있는지, 있다면 무엇인지에 대한 질문을 제기했다. 이 두 질문에 대한 현재 합의된 답은 없다. 자네트의 왼쪽 계단형 주기율표는 최적 또는 가장 근본적인 형태가 될 수 있는 후보로 점점 더 논의되고 있다. 스체리는 이 표가 헬륨의 s-구역 원소로서의 본질을 명확히 하고, 모든 주기의 길이가 동일하게 반복되어 규칙성을 높이며, 각 주기를 하나의 n + ℓ 값에 대응시킴으로써 마델룽 규칙을 충실히 따르고, 원자 번호의 3원소와 첫 줄 이상 현상 추세를 규칙화하기 때문에 이를 지지한다. 그는 헬륨을 알칼리 토금속 위에 배치하는 것이 화학적 관점에서 단점으로 보일 수 있다는 점을 지적하면서도, 첫 줄 이상 현상에 호소하여 주기율표가 "근본적으로 양자역학으로 귀결"되며, "추상 원소"에 관한 것이므로 거시적 특성보다는 원자 특성에 관한 것이라고 반박한다.
아미노산( - 酸, )은 아미노기(생물학적 조건에서 양성자화된 −NH3+ 형태), 카복실기(생물학적 조건에서 탈양성자화된 −COO− 형태), 특정한 곁사슬(R기)를 가지고 있는 유기 화합물이다. 모든 아미노산에 존재하는 원소는 탄소(C), 수소(H), 산소(O), 질소(N)이다. 또한 황(S)은 시스테인과 메티오닌의 곁사슬에 존재하고, 셀레늄(Se)은 덜 일반적인 아미노산인 셀레노시스테인의 곁사슬에 존재한다. 2020년을 기준으로 500가지 이상의 자연적으로 생성되는 아미노산들이 존재한다. 이 중 일부는 단백질을 비롯한 펩타이드의 단량체 단위를 구성하는 것으로 알려져 있지만 유전 부호에는 22가지의 α-아미노산만 나타나며 그 중 20가지는 고유한 지정된 코돈을 가지고 있고, 나머지 2가지(모든 진핵생물에 존재하는 셀레노시스테인과 일부 원핵생물에 존재하는 피롤리신)는 특수 코딩 기전을 가지고 있다.
아미노산은 핵심적인 구조 작용기의 위치에 따라 알파-아미노산(α-아미노산), 베타-아미노산(β-아미노산), 감마-아미노산(γ-아미노산) 또는 델타-아미노산(δ-아미노산)으로 분류할 수 있다. 다른 분류 범주는 극성, 이온화 및 곁사슬 작용기의 유형(지방족, 비고리형, 방향족, 하이드록실기 또는 황의 함유 여부 등)과 관련된다. 사람의 근육 및 기타 조직에서 단백질의 형태로서의 아미노산 잔기들은 두 번째로 큰 구성 성분(물이 가장 큼)을 차지한다. 아미노산은 단백질의 잔기로서의 역할 외에도 신경전달물질 운반, 생합성과 같은 여러 과정들에 관여한다. 이는 지구 상의 생명체의 출현을 가능하게 하는 데 핵심적인 역할을 한 것으로 생각된다.
아미노산은 그림에 표시된 가상의 "중성" 구조의 관점에서 IUPAC-IUBMB 생화학 명명 공동 위원회에 의해 공식적으로 명명되었다. 예를 들어 알라닌의 계통명은 화학식 에 기반한 2-아미노프로판산이다. IUPAC-IUBMB 생화학 명명 공동 위원회는 이러한 접근 방식을 다음과 같이 정당화했다.
1800년대 초에 몇몇 아미노산들이 최초로 발견되었다. 1806년에 프랑스의 화학자 루이니콜라 보클랭과 피에르 장 로비케는 아스파라거스로부터 화합물을 분리하였는데, 이 화합물은 최초로 발견된 아미노산이었으며 아스파라긴으로 명명되었다. 시스틴은 1810년에 발견되었지만 시스틴의 단량체인 시스테인은 1884년에 이르러서야 발견되었다. 1820년에는 글리신과 류신이 발견되었다. 20가지 표준 아미노산들 중 마지막으로 발견된 아미노산은 트레오닌으로 1935년에 윌리엄 커밍 로즈가 발견하였다. 로즈는 또한 필수 아미노산을 결정하고 최적의 생장을 위한 모든 아미노산들의 최소 일일 요구량을 설정했다.
아미노산들의 화학적 범주의 단일성은 1865년에 샤를 아돌프 뷔르츠에 의해 인식되었지만 그는 이것에 대해 특별한 명칭을 부여하지 않았다. 영어에서 "아미노산()"이라는 용어가 처음으로 사용된 것은 1898년부터이며 독일어에서 "아미노산()"이라는 용어는 영어에서보다 더 일찍 사용되었다. 단백질이 효소적으로 소화되거나 산성 가수분해되면 아미노산으로 분해된다는 것이 밝혀졌다. 1902년에 에밀 피셔와 프란츠 호프마이스터는 각각 독립적으로 단백질이 많은 아미노산들로부터 형성되며, 이 과정에서 한 아미노산의 아미노기와 다른 아미노산의 카복실기 사이에 결합이 형성되어 선형 구조를 생성한다고 제안했다. 피셔는 이 선형 구조를 "펩타이드"라고 명명했다.
일반 구조.
그림에 표시된 구조에서 R은 각 아미노산의 특정한 곁사슬을 나타낸다. 카복실기 옆에 있는 탄소 원자를 α-탄소라고 한다. α-탄소에 직접적으로 결합된 아미노기를 가지고 있는 아미노산을 α-아미노산이라고 한다. 여기에는 2차 아민인 프롤린과 하이드록시프롤린이 포함된다. 과거에는 종종 이미노산이라고 불렸는데 이는 이민 부분()을 포함하지 않기 때문에 부적절한 명칭이다.
이성질체.
일반적인 천연 형태의 아미노산은 아미노기(, 프롤린의 경우 )와 카복실기()가 동일한 α-탄소 원자에 결합되어 있기 때문에 α-아미노산이다. 비카이랄성인 글리신을 제외하고 천연 아미노산은 L-입체배치를 가지고 있으며 리보솜에서 번역되는 동안 단백질에서 발견되는 형태는 L-아미노산이다.
아미노산의 입체배치에 대한 L 및 D 규칙은 아미노산 자체의 광학 활성을 따른 것이 아니라 이론산 그 아미노산이 합성될 수 있는 글리세르알데하이드의 이성질체의 광학 활성을 따른 것이다. D-글리세르알데하이드는 우선성, L-글리세르알데하이드는 좌선성이다.
다른 규칙은 ("S") 및 ("R") 지정자를 사용하여 절대배치를 지정하는 것이다. 단백질의 거의 모든 아미노산은 α-탄소에 ("S")가 있고, 시스테인은 ("R")이며, 글리신은 카이랄성이 아니다. 시스테인은 다른 아미노산들과 동일한 기하학적 위치에 곁사슬을 가지고 있지만, "R"/"S" 용어는 칸-인골드-프렐로그 순위 규칙에 의해 곁사슬에 더 높은 우선 순위를 부여하는 카복실 산소에 비해 황의 원자 번호가 더높기 때문에 반대이다. 대부분의 다른 곁사슬에 있는 원자들은 카복실기에 비해 우선 순위가 낮다.
드물게 D-아미노산 잔기가 단백질에서 발견되며 번역 후 변형으로 L-아미노산으로부터 전환된다.
곁사슬.
아미노산은 아미노기의 질소 원자가 카복실기 탄소 옆의 탄소 원자인 α-탄소에 결합될 때 α-아미노산으로 지정된다. 아미노산을 분류하는 방법에는 여러 가지가 있다. 그러나 이들은 종종 이 섹션의 머리 부분에 있는 그래픽에 묘사된 것처럼 곁사슬의 극성에 따라 분류된다.
이 단락 아래의 모든 경우에서 formula_1값(있는 경우)은 단백질의 아미노산 잔기로서 작용기의 이온화를 나타낸다. 이는 유리 아미노산(생화학적 중요성이 거의 없음)에 대한 formula_1값이 아니다.
지방족 곁사슬.
여러 곁사슬들은 H와 C만 가지고 있으며 이온화되지 않는다. 해당하는 아미노산들은 다음과 같다(괄호 안에 세 문자 약어 및 한 문자 약어 포함).
극성 중성 곁사슬.
두 가지 아미노산은 곁사슬에 하이드록실기를 포함하고 있다. 이들은 정상적인 조건에서 이온화되지 않지만 세린은 세린 프로테에이스에 의한 촉매 작용 동안 탈양성자화된다. 이것은 심하게 교란되는 예이며 일반적인 세린 잔기의 특징은 아니다.
트레오닌은 2개의 카이랄 중심을 가지고 있는데 이는 카이랄성이 아닌 글리신을 제외한 모든 아미노산들이 공유하고 있는 α-탄소의 L(2"S") 카이랄 중심 뿐만 아니라 β-탄소의 (3"R") 카이랄 중심을 가지고 있다. 전체 입체화학적 사양은 L-트레오닌(2"S",3"R")이다.
아마이드 곁사슬.
다음의 2가지 아미노산은 아마이드 곁사슬을 가지고 있다.
이러한 곁사슬은 정상 범위의 pH에서 이온화되지 않는다.
황 함유 곁사슬.
다음의 2가지 아미노산의 곁사슬에는 황 원자가 포함되어 있으며, 그 중 하나는 정상 범위(formula_1로 표시됨)에서 이온화되고 다른 하나는 이온화되지 않는다.
방향족 곁사슬.
다음의 세 가지 아미노산은 곁사슬에 방향족 고리를 가지고 있다. 이 중 티로신은 정상 범위에서 이온화되며, 다른 2가지는 이온화되지 않는다.
음이온 곁사슬.
두 가지 아미노산은 보통의 pH에서 음이온인 곁사슬을 가지고 있다. 이러한 아미노산은 보통 카복실산으로 같이 지칭되지만 가장 적절한 pH 값에서 탈양성자화되기 때문에 보다 정확하게는 카복실산염()이라고 한다. 음이온성 카복실산염 작용기는 포유류의 위에서와 같이 pH가 매우 낮은 환경에서 작용하는 펩신과 같은 효소를 제외하고 모든 환경에서 브뢴스테드 염기로 작용한다.
양이온 곁사슬.
중성 pH에서 양이온인 곁사슬을 가지고 있는 3가지 아미노산이 있다(히스티딘에는 양이온 및 중성 형태가 모두 존재한다.). 이들은 일반적으로 염기성 아미노산이라고 불리지만, 이 용어는 오해의 소지가 있다. 히스티딘은 중성 pH에서 브뢴스테드산과 브뢴스테드 염기로 작용할 수 있으며, 리신은 브뢴스테드 산으로 작용하며, 아르기닌은 고정된 양전하를 가지며 중성 조건에서 이온화되지 않는다. 히스티디늄(histidinium), 리스늄(lysinium), 아르기니늄(argininium)이라는 명칭이 구조에 대한 더 정확한 명칭이지만 기본적으로 통용되지 않는다.
β-아미노산 및 γ-아미노산.