원소 (화학)
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1. 개요
원소는 화학적 성질이 동일한 원자들의 집합으로, 원자 번호에 따라 고유하게 정의된다. 원소는 고대부터 알려진 것부터 인공적으로 합성된 것까지 다양하며, 발견된 원소의 이름은 국제순수·응용화학연합(IUPAC)에서 결정한다. 원소는 빅뱅 핵합성, 항성 핵합성, 초신성 핵합성 등 다양한 과정을 통해 생성되며, 원자 번호, 동위 원소, 동소체 등의 특징을 갖는다. 이러한 원소들은 주기율표에 배열되어 화학적 성질의 주기성을 나타내며, 우주, 지구, 인체 등 다양한 환경에서 존재비를 달리한다.
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| 원소 (화학) | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
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| 라틴어 | elementum |
| 영어 | element |
| 한자 | 元素 |
| 관련 항목 | 원소 주기율표 |
| 정의 | |
| 정의 | 더 단순한 물질로 분해될 수 없는 화학 물질 |
2. 원소 이름
원소 이름의 유래는 원소라는 개념이 없던 고대까지 거슬러 올라간다. 황, 금처럼 고대부터 알려진 원소들은 각 나라와 언어마다 다른 이름을 가지고 있다. 예를 들어, 나트륨은 독일어로는 Natrium|나트리움de, 영어로는 Sodium|소듐영어으로 불린다.
오늘날 국제적으로 통용되는 원소의 영어 이름은 국제순수·응용화학연합(IUPAC)이 결정하며, 영국식 영어와 미국식 영어에서 유래한 이름이 섞여 있다. 예를 들어, IUPAC는 원소 기호 Au를 사용하는 79번 원소의 이름으로 라틴어 'aurum' 대신 영어 'gold'를 채택했다. 또한 영국식 철자인 'aluminium', 'caesium'과 미국식 철자인 'sulfur'를 선호한다. 하지만 여러 국가에서는 여전히 현지에서 통용되는 이름을 사용하기도 한다.
대한민국의 원소 이름은 대한화학회가 결정하며, 2007년부터는 모든 원소 명칭을 IUPAC에서 정한 이름을 따르고 있다.[72] IUPAC에 따르면 원소 이름은 고유 명사가 아니므로, 캘리포늄이나 아인슈타이늄처럼 사람 이름이나 지명에서 유래했더라도 영어 등에서는 첫 글자를 대문자로 쓰지 않는다. 다만 화학 기호(예: Cf, Es)는 항상 대문자로 시작한다.
최근에 발견되어 새로 이름이 붙는 원소의 경우, 발견자에게 명명권이 주어진다. 이름은 지명, 사람 이름, 신화, 광물, 원소의 성질 등에서 유래하는 경우가 많다. 금속 원소 이름은 보통 '-ium'으로 끝나고, 17족 원소는 '-ine', 18족 원소는 '-on'으로 끝나는 규칙이 있다. 하지만 어떤 연구팀이 원소를 먼저 발견했는지에 대한 논쟁 때문에 이름 결정이 지연되는 경우도 있었다. 특히 원자 번호 104번 이상 원소들의 명명 과정에서 이러한 논쟁이 있었다. 과거 19세기 후반에는 민족주의적인 이유로 이름에 대한 논란이 있기도 했다. 예를 들어 프랑스 파리를 따서 명명된 루테튬을 독일에서는 '카시오페이움'으로 부르려 했고, 영국인이 신대륙을 기려 명명한 '콜럼븀'은 1950년 니오븀으로 표준화되기 전까지 미국에서 널리 쓰였다.
아직 발견되지 않았거나 발견되었으나 이름이 확정되지 않은 원소에는 원자 번호를 이용한 체계적 원소 이름이 임시로 사용된다. 예를 들어 원자 번호 123번 원소는 각 자릿수에 해당하는 라틴어 또는 그리스어 어근(-un-, -bi-, -tri-)과 접미사 '-ium'을 결합하여 '운비트륨'(Unbitrium, Ubt)으로 명명된다.
수소(水素), 산소(酸素), 탄소(炭素), 질소(窒素) 등과 같이 한자어로 된 원소 이름들은 개화기 이후 서양 과학을 먼저 받아들인 일본에서 만들어진 경우가 많다. 일본은 주로 독일로부터 원소 이름을 받아들였는데, 예를 들어 수소(水素)는 '물(Wasser)'과 '재료(Stoff)'를 뜻하는 독일어 Wasserstoff|바서슈토프de를 직역한 것이다. 마찬가지로 산소(酸素)는 Sauerstoff|자우어슈토프de, 탄소(炭素)는 Kohlenstoff|콜렌슈토프de, 질소(窒素)는 Stickstoff|슈티크슈토프de를 번역한 이름이다.
2. 1. 고대와 중세 시대
물질을 기호로 나타내는 것은 오래전부터 시작되었다. 특히 금속 7원소를 7가지 별에 비유하여 기호로 표현한 것은 매우 오래된 일로, 고대 이집트인들이 이미 이러한 기호를 사용했다. 이 기호들은 약간의 변화를 거치면서도 중세 연금술 시대까지 상당히 오랫동안 사용되었다. 연금술사들은 자신의 비법을 다른 사람에게 들키지 않기 위해 기호를 사용했던 것으로 알려져 있다.[73]
2. 2. 근대와 현대
물질의 근원이 무엇인지에 대한 질문은 아일랜드 출신의 자연 철학자 로버트 보일(1627년–1691년)에 의해 다시 제기되었다. 그는 저서 『회의적 화학자』에서 사고에만 의존했던 고대 그리스 철학의 원소론을 비판하고, 실험을 통해 원소를 탐구해야 한다고 주장했다. 보일은 원소를 "더 이상 단순한 물질로 나눌 수 없는 것"이라고 입자설에 기반하여 정의했으며[55], 원소의 수가 고대에서 생각했던 4~5개보다 훨씬 많을 것이라고 예측했다.
보일의 주장 이후, 실험을 통해 다양한 "나눌 수 없는 것"을 찾으려는 노력이 이어졌다. 앙투안 라부아지에는 1789년 저서 『화학 원론』에서 당시까지 알려진 33종류의 원소를 정리한 표를 제시했다. 이 표에는 플로지스톤이나 빛 같은 잘못된 개념이나, 당시 기술로는 분해할 수 없었던 화합물인 마그네시아, 알루미나 등도 포함되어 있었지만, 실험적 접근 자체는 중요한 진전이었다.
라부아지에의 "질량 보존의 법칙"[55]과 조제프 루이 프루스트가 1799년에 발표한 "일정 성분비의 법칙"을 바탕으로, 영국의 과학자 돌턴은 1801년부터 1808년에 걸쳐 발표한 논문들에서 "원자설"을 주장했다. 돌턴은 물질의 기본 단위가 원자(atom)이며, 원소의 종류만큼 다양한 원자가 존재한다고 보았다. 같은 종류의 원자는 질량과 크기가 같고, 다른 종류의 원자는 다르다고 설명하며 원자량의 개념을 처음 제시했다. 또한 물질을 같은 원자로 이루어진 단체와 다른 원자로 이루어진 화합물로 구분했다. 돌턴은 원으로 된 독자적인 원소 기호를 고안하기도 했다. 돌턴의 이론은 이후 조제프 루이 게이-뤼삭의 "기체 반응의 법칙"과 아메데오 아보가드로의 "아보가드로의 법칙" 등에 의해 일부 수정되면서 널리 받아들여졌다.
오늘날 사용되는 원소 기호 표기법은 스웨덴의 화학자 옌스 야코브 베르셀리우스(1779년–1844년)가 처음 제안했다[57]. 그는 원소의 라틴어나 그리스어, 때로는 영어나 독일어 이름의 첫 글자를 로마자 대문자로 쓰고, 필요한 경우 두 번째 글자부터 소문자를 덧붙이는 방식을 고안했다.
다음은 베르셀리우스가 제안한 원소 이름 표기 규칙의 예시이다.
- 그리스어나 라틴어 이름에서 유래:
- * Cu (구리, Cuprumla)
- * Ag (은, Argentumla)
- * Au (금, Aurumla)
- 영어나 독일어 이름에서 유래:
- * N (질소, Nitrogen영어)
- * O (산소, Oxygen영어)
- * I (아이오딘, Iodine영어)
- * Cr(크로뮴, Chromde)
- * Xe(제논, Xenonde; 어원: 그리스어 ξένον)
근대 과학이 발전하면서 물질의 기초 단위는 원자라는 이론이 확립되었고, '원자'와 '원소'의 개념은 명확히 구분되었다. '원자'는 물질을 구성하는 구체적인 입자를 의미하는 구조적인 개념인 반면, '원소'는 물질의 종류, 즉 성질의 차이를 나타내는 추상적인 개념이다. 구체적으로 각 원소의 차이는 원자 번호, 즉 원자핵에 들어있는 양성자의 수(핵종)로 결정된다. 따라서 원자핵 내 중성자의 수가 달라 질량수가 다른 동위 원소들도 양성자 수가 같다면 같은 원소로 취급된다. 반면 '원자'를 이야기할 때는 중성자의 수까지 고려한다. 이런 의미에서 원소는 특정 종류의 원자들을 모아 부르는 집합 명사라고도 할 수 있다. 전자의 수가 변해 전하를 띤 상태인 이온 역시 특정 원소에 속하는 원자의 한 상태로 본다.
원소의 화학적 성질은 주로 최외각 전자(가전자)의 수에 따라 결정되기 때문에, 비슷한 성질을 가진 원소들은 주기율표에서 같은 원소의 족(세로줄)으로 묶인다. 현재까지 118종의 원소가 확인되었으며, 이들 모두 국제 순수·응용 화학 연합(IUPAC)에 의해 공식적인 명칭과 기호가 부여되었다. 일부 이론에서는 원소가 173번째까지 존재할 가능성도 제기되고 있다.
3. 원소 합성 (핵합성)
원소는 빅뱅 직후의 대폭발 핵합성, 항성 내부에서의 항성 핵합성, 초신성 폭발에 의한 초신성 핵합성, 우주선에 의한 우주선 파쇄, 그리고 인공 원소 합성 등 다양한 과정을 통해 만들어진다. 핵합성은 핵융합이나 핵분열을 통해 새로운 원자핵을 만들어 내는 과정이다. 우주의 역사와 함께 원소도 탄생했으며, 우주의 진화 과정 속에서 다양한 원소들이 생성되어 왔다.
우주 전체 질량-에너지의 약 4%만이 우리가 아는 원자 또는 이온으로 구성되어 있으며, 이것이 바로 원소의 형태로 나타난다. 이는 전체 물질의 약 15%에 해당하며, 나머지 물질(약 85%)은 정체가 밝혀지지 않은 암흑 물질이다. 암흑 물질은 양성자, 중성자, 전자를 포함하지 않으므로 원소로 구성되지 않는다. 우주의 나머지 비물질 부분은 더욱 알려지지 않은 암흑 에너지로 구성되어 있다.
자연적으로 발생하는 94개의 원소는 크게 네 가지 천체물리학적 과정을 통해 생성되었다.
- 빅뱅 핵합성: 우주 탄생 초기, 빅뱅 후 처음 몇 분 동안 대부분의 수소와 헬륨, 그리고 극미량의 리튬이 생성되었다. 이는 우주 역사상 단 한 번 일어난 사건이다.
- 항성 핵합성: 별 내부에서 일어나는 핵융합 반응을 통해 탄소에서 철에 이르는 원소들이 생성된다. 이 과정은 현재도 우주 곳곳의 별들에서 계속 진행되고 있다.
- 초신성 핵합성 및 중성자별 합병: 철보다 원자 번호가 높은 무거운 원소들(우라늄, 플루토늄 등)은 주로 초신성 폭발이나 중성자별 합병과 같은 격렬한 폭발 과정에서 다양한 형태의 폭발적 핵합성(예: r-과정)을 통해 생성된다. 일부 무거운 원소는 별 내부에서 느린 중성자 포획 과정(s-과정)을 통해 생성되기도 한다.
- 우주선 파쇄: 상대적으로 가벼운 원소인 리튬, 베릴륨, 붕소는 주로 탄소, 질소, 산소와 같은 더 무거운 원소의 원자핵이 고에너지 우주선과 충돌하여 깨지는 과정(우주선 충돌 또는 파쇄)을 통해 생성된다.
지구와 같은 행성에서는 이러한 초기 과정 외에도 다양한 원소의 미량 성분들이 다른 원소로부터 계속 생성되고 있다. 여기에는 우주선에 의한 핵 변환으로 생성되는 것(예: 대기 중 질소에서 생성되는 14C)과, 자연에 존재하는 불안정한 방사성 동위원소(예: 40K)가 붕괴하면서 생성되는 것(예: 40K 붕괴로 생성되는 40Ar)이 포함된다.[22] 또한, 토륨, 우라늄, 플루토늄과 같은 무거운 악티늄족 원소들은 방사성 붕괴를 거치면서 라듐, 라돈 등 짧은 수명을 가진 다양한 중간 생성물들을 일시적으로 만들어낸다. 테크네튬, 프로메튬, 넵투늄과 같은 일부 방사성 원소는 자연 상태의 우라늄 등 무거운 원소의 자발적 핵분열이나 다른 희귀한 핵 과정을 통해 극미량 생성되기도 한다.
자연적으로 발생하는 94개의 원소 외에도, 여러 인공 원소가 입자 가속기 등을 이용한 핵물리학 실험을 통해 인공적으로 합성되었다. 2016년을 기준으로 원자 번호 118번 오가네손(Og)까지의 모든 원소가 실험실에서 성공적으로 만들어졌다.
화학자와 핵 과학자는 "순수한 원소"를 다르게 정의하기도 한다. 화학에서는 거의 모든 원자가 동일한 원자 번호(양성자 수)를 갖는 물질을 순수한 원소라고 본다. 예를 들어, 99.99% 순수한 구리선은 원자의 99.99%가 29개의 양성자를 가진 구리 원자라는 의미이다. 그러나 핵 과학에서는 단 하나의 동위 원소로만 구성된 물질을 순수한 원소로 정의한다. 일반적인 구리는 안정한 동위원소인 63Cu(약 69%)와 65Cu(약 31%)가 섞여 있어 동위원소적으로는 순수하지 않다. 반면, 순수한 금은 자연 상태에서 거의 단일 동위원소인 197Au로만 존재하기 때문에 화학적으로나 동위원소적으로 모두 순수하다고 할 수 있다.[18]
3. 1. 빅뱅 핵합성
빅뱅 이론에 따르면, 우주가 시작될 때 매우 높은 에너지의 방출과 함께 급격한 팽창이 일어나면서 온도가 점차 낮아졌고, 이 과정에서 모든 물질이 생겨났다.
빅뱅 발생 약 1초 후, 우주의 온도가 약 1000억 도로 내려가면서 양성자와 중성자가 생성되었다. 초기에는 전자, 중성미자와의 반응을 통해 양성자와 중성자가 서로 변환하며 평형 상태를 이루었으나, 우주가 팽창하며 온도가 더 낮아지자 중성자가 양성자로 변하는 과정이 더 우세해져 양성자의 수가 상대적으로 많아지게 된다.[65]
약 100초가 지나 온도가 약 100억 도까지 내려가자, 양성자와 중성자가 결합하여 중수소(2H) 원자핵이 만들어지기 시작했고, 연이어 헬륨-4(4He) 원자핵으로 핵반응을 일으켰다. 헬륨 원자핵이 구성되면 중성자는 안정되어 붕괴가 일어나지 않게 된다. 이 합성이 진행될 무렵 양성자와 중성자의 개수비는 7:1이었기 때문에, 핵합성 후 남은 양성자들은 수소 원자핵이 되었다.
빅뱅 핵합성은 약 10분 만에 종료되었으며, 그 결과 우주 초기 원소의 존재 비율은 질량 기준으로 수소 약 75%, 헬륨 약 25%가 되었다. 원자핵의 개수비로는 수소와 헬륨이 약 12:1이다.[20] 또한 중수소가 약 0.01%, 그리고 리튬(Li)과 베릴륨(Be)이 극미량(10−10 수준) 생성되었다.[20] 일부에서는 붕소(B)도 소량 생성되었을 가능성을 제기하는데, 이는 아주 오래된 별에서 붕소는 관측되지만 탄소(C)는 발견되지 않는다는 점에 근거한다.[19] 빅뱅 과정에서는 붕소보다 무거운 원소는 생성되지 않았다.
다만, 빅뱅 핵합성을 통해 생성된 것으로 여겨지는 리튬의 양은 이론적인 예측값과 실제 관측값 사이에 차이가 존재하며, 이 문제는 빅뱅 이론의 추가적인 검토나 수정 가능성을 시사한다.
3. 2. 항성 핵합성
빅뱅으로 생성된 원소는 대부분 수소나 헬륨이었으며, 이들은 우주 공간에 흩어져 존재했다. 시간이 지나면서 밀도가 높은 영역에 물질이 모여 고온 고압 상태가 되었고, 여기서 첫 번째 세대의 항성이 탄생하여 핵융합 반응이 시작되었다. 최초의 항성은 빅뱅 이후 약 2억 년 후에 나타난 것으로 추정된다. 항성 내부에서는 양성자-양성자 연쇄 반응을 통해 수소(양성자)가 헬륨으로 핵융합되며, 이 과정에서 발생하는 에너지로 별이 빛나게 된다. 이러한 별을 주계열성이라고 부른다.[66] 또한, 항성 내부에서는 탄소, 질소, 산소를 촉매로 사용하여 수소가 헬륨으로 변환되는 CNO 순환도 일어나지만, 이 반응 자체만으로는 탄소 등의 원소 양이 크게 증가하지는 않는다.
항성은 중심부의 수소를 소모하며 에너지를 생산한다. 수소가 고갈되면 중심핵에는 헬륨이 쌓이게 되고, 수소 핵융합은 핵 주변부에서 계속 일어난다. 중심핵에 헬륨이 충분히 쌓여 온도가 약 1억 K에 도달하면, 헬륨 원자핵 3개가 융합하여 탄소를 생성하는 삼중 알파 과정이 시작된다(헬륨 연소 과정[66]). 상대적으로 질량이 작은 별(예: 태양)은 이 단계에서 적색 거성으로 팽창하며, 이후 외부층의 가스를 성간 가스로 방출하고 중심에는 백색 왜성이 남게 된다.
태양 질량의 약 3배 이하인 별에서는 핵융합 반응이 탄소 생성 단계에서 멈추지만, 이보다 더 무거운 별에서는 핵융합이 계속 진행된다. 중심핵에 쌓인 탄소와 산소가 핵융합 반응(탄소 연소 과정, 산소 연소 과정)을 일으켜[66] 네온, 마그네슘, 규소, 황 등을 거쳐 최종적으로 철까지 생성한다. 철의 원자핵은 매우 안정적이어서 더 이상 핵융합을 통해 에너지를 생산하기 어렵다. 따라서 철이 생성되면 항성 중심부에서의 에너지 생산은 멈추게 된다. 이 단계의 무거운 별은 중심부의 철 핵을 기준으로 바깥쪽으로 갈수록 가벼운 원소들이 층을 이루는, 마치 양파와 같은 구조를 가지게 된다. 이러한 별들은 결국 초신성 폭발을 통해 자신이 생성한 무거운 원소들을 우주 공간으로 방출한다.
3. 3. 초신성 핵합성
항성 내부의 핵융합 반응으로는 철보다 무거운 원소는 거의 생성되지 않으며, 아주 소량이 생성되더라도 곧 분해된다. 이러한 무거운 원소들은 원자핵이 전기적 반발력을 일으키지 않는 중성자를 포획하는 방식으로 생성되는데, 이러한 반응이 가능한 환경은 제한적이다. 중성자 포획 과정은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 하나는 이미 철 등 무거운 원소를 포함하고 있는 별 내부에서 일어나는 느린 과정(s-과정)이고, 다른 하나는 초신성 폭발 순간에 일어나는 빠른 과정(r-과정)이다.
태양보다 약간 무거운 정도의 별(중질량성)에서는 중심부의 핵융합으로 생성되는 원소는 탄소에서 멈춘다. 이러한 별의 마지막 단계에서는 정확한 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았지만, 중성자가 생성되어 별이 원래 가지고 있던 무거운 원소들이 이를 포획한다. 중성자를 포획한 원자핵은 양성자 수는 같지만 중성자 수가 많은 동위원소가 된다. 이 동위원소가 불안정하면 중성자 하나가 베타 붕괴를 일으켜 양성자로 변하면서 원자 번호가 하나 더 큰 원소로 변환된다. 이 반응이 반복되면서 철보다 무거운 원소가 점진적으로 생성된다. 중질량성 내부에서는 비교적 중성자 수가 적기 때문에, 중성자 포획과 베타 붕괴가 순차적으로 천천히 반복된다. 이를 느린 과정 (s-과정, s-process)이라고 부른다. 이 과정에서 중성자 포획은 수만 년에서 수십만 년에 걸쳐 하나씩 일어나며, 비스무스까지의 무거운 원소를 생성하는 것으로 생각된다.[66]
반면, 중성자 수가 매우 많아 베타 붕괴가 일어날 틈도 없이 빠르게 중성자 포획이 일어나는 환경이 초신성 폭발이다. 태양 질량의 10배 이상인 별은 마지막 단계에서 중심부에 중성자 덩어리가 형성되고, 결국 중력 붕괴로 인한 대규모 폭발(II형 초신성)을 일으키며 생을 마감한다. 이 초신성 폭발 시에도 막대한 양의 중성자가 발생하여 별 내부에 있던 원소들에 포획된다. 이 과정은 불과 수 초라는 짧은 시간에 일어나며, 불안정한 동위원소가 베타 붕괴를 일으킬 시간조차 없이 계속해서 중성자를 흡수하여 질량수를 크게 늘린다. 이렇게 질량수가 매우 커진 동위원소들은 우주 공간으로 방출된 후 여러 차례의 베타 붕괴를 거치면서 원자 번호가 높은 무거운 원소로 변환된다. 이를 빠른 과정 (r-과정, r-process)이라고 부른다. 이 과정을 통해 우라늄보다 무거운 캘리포늄과 같은 원소까지 생성될 수 있음이 관측을 통해 확인되었다.[66] 하지만 r-과정의 정확한 메커니즘에 대해서는 아직 불명확한 점이 많다.
이 외에도 다른 유형의 초신성 폭발이나 천체 현상을 통해 무거운 원소가 합성될 수 있다는 연구가 진행 중이다. 예를 들어, 질량이 태양 정도인 항성이 중성자별과 쌍성계를 이루고 있을 때, 특정 조건(찬드라세카르 한계, 태양 질량의 약 1.4배)에 도달하면 Ia형 초신성 폭발을 일으키며 무거운 원소를 생성할 가능성이 제기되었다.[67] 또한, 중성자별끼리 충돌할 때에도 막대한 양의 중성자가 방출되면서 r-과정이 일어나 무거운 원소가 합성될 수 있다는 주장이 있다. 특히, 지구상에 존재하는 금이나 백금과 같은 귀금속의 양은 기존의 항성 핵합성 이론만으로는 설명하기 어려웠는데, 중성자별 충돌 시뮬레이션 결과 이러한 원소들이 대량으로 생성 및 방출될 수 있다는 연구 결과가 발표되기도 했다.[68]
3. 4. 우주선 파쇄
우주선 파쇄는 원소가 생성되는 과정 중 하나이다. 이는 높은 에너지를 가진 입자인 우주선이 성간 물질이나 지구 대기권에 있는 원자핵과 충돌하여 발생하는 우주선 충돌 현상이다. 이 충돌로 인해 무거운 원자핵이 깨지거나 조각나면서(파쇄) 더 가벼운 원소들이 만들어진다.특히 리튬(Li), 베릴륨(Be), 붕소(B)와 같은 가벼운 원소들은 탄소, 질소, 산소와 같은 더 무거운 원소의 원자핵이 우주선과 충돌하여 파쇄되는 과정을 통해 주로 생성된다.
지구에서도 우주선에 의한 핵 변환이 계속 일어나는데, 예를 들어 대기 중의 질소 원자가 우주선과 충돌하여 미량의 탄소-14(14C)가 지속적으로 생성되는 것이 대표적인 예이다.[22]
3. 5. 인공 원소 합성
자연적으로 존재하는 94개의 원소 외에도, 과학자들은 핵물리학 기술을 이용하여 여러 인공 원소를 만들어냈다. 2016년까지 원자 번호 118번까지의 모든 원소가 이러한 실험을 통해 생성되었다.가장 먼저 발견된 초우라늄 원소(원자 번호 92번 우라늄보다 무거운 원소)는 1940년에 발견된 넵투늄(원자 번호 93번)이다. 1999년부터는 국제 순수·응용 화학 연합(IUPAC)과 국제 순수·응용 물리학 연합(IUPAP)의 공동 실무단이 새로운 원소 발견 주장을 검토하고 인정하는 역할을 맡고 있다. 2016년 1월 기준으로, 118번까지의 모든 원소가 IUPAC에 의해 발견된 것으로 공식 확인되었다.
원소 112번은 2009년에 발견이 인정되었고, ''코페르니슘''(Copernicium, 기호 Cn)이라는 이름이 제안되어 2010년 2월 19일에 공식 승인되었다.[31][32] 현재까지 합성된 가장 무거운 원소는 118번 오가네손(Oganesson, Og)으로, 2006년 10월 9일 러시아 두브나의 플레로프 핵반응 연구소에서 처음 만들어졌다.[33] 117번 테네신(Tennessine, Ts)은 2009년에 발견이 보고된 비교적 최근 원소이다.[34] 2016년 11월 28일, IUPAC는 니호늄(Nh, 113번), 모스코븀(Mc, 115번), 테네신(Ts, 117번), 오가네손(Og, 118번) 네 원소의 이름을 공식적으로 인정했다.[35][36]
4. 원소의 성질
원소는 다양한 물리적 성질을 기준으로 분류될 수 있다. 일반적으로 표준 온도 및 압력(STP)에서의 물질의 상태에 따라 고체, 액체, 기체로 나뉜다. 대부분의 원소는 STP에서 고체 상태이며, 일부는 기체 상태로 존재한다. 0°C (약 0.0°C) 및 1기압 조건에서 액체 상태인 원소는 브로민과 수은뿐이다. 세슘과 갈륨은 이 온도에서는 고체이지만, 각각 28.4°C (약 28.4°C)와 29.8°C (약 29.8°C)에서 녹는 비교적 낮은 녹는점을 가진다.
원소의 녹는점과 끓는점은 해당 원소를 특징짓는 중요한 물리적 성질로, 보통 1기압에서의 섭씨 온도로 표시된다. 대부분의 원소에 대해 이 값들이 알려져 있지만, 극소량만 존재하는 일부 방사성 원소의 경우 아직 측정되지 않은 경우도 있다. 헬륨은 예외적으로 대기압 하에서는 절대 영도에서도 액체 상태를 유지하므로, 일반적인 의미의 녹는점은 없고 끓는점만 존재한다.
밀도 역시 원소를 특징짓는 데 자주 사용되는 성질로, 주로 표준 온도 압력(STP)에서의 값이 이용된다. 밀도는 보통 세제곱센티미터당 그램(g/cm3) 단위로 표시된다. 상온에서 기체 상태인 원소들의 밀도는 일반적으로 기체 상태일 때의 값으로 주어지지만, 액화되거나 고체화되면 다른 원소들과 비슷한 밀도를 가진다. 원소가 서로 다른 밀도를 가진 동소체를 가질 때, 요약 발표에서는 하나의 대표적인 동소체가 일반적으로 선택되며, 더 자세한 정보가 제공될 경우 각 동소체의 밀도를 명시할 수 있다.
고체 상태로 존재하는 원소들은 특정한 결정 구조를 가진다. 현재까지 알려진 고체 원소들은 입방, 체심 입방, 면심 입방, 육방, 단사, 사방정계, 능면체, 정방정계의 8가지 주요 결정 구조 중 하나를 가진다. 다만, 인공적으로 합성된 일부 초우라늄 원소는 샘플의 양이 매우 적어 결정 구조를 확인하기 어려운 경우도 있다.
4. 1. 원자 번호 (Atomic Number)
원소의 원자 번호는 각 원자 내의 양성자 수와 같으며, 이는 원소를 고유하게 정의한다.[15] 예를 들어, 모든 탄소(C) 원자는 원자핵에 6개의 양성자를 포함하고 있으므로, 탄소의 원자 번호는 6이다.[16] 원자 번호의 기호는 ''Z''이다.원자핵 내의 양성자 수는 핵의 전하를 결정하고, 이는 원자가 이온화되지 않은 상태에서의 전자 수를 결정한다. 전자는 원자의 화학적 성질을 결정하는 원자 궤도에 배치된다. 같은 원소라도 중성자 수가 다른 원자가 존재하는데, 이를 해당 원소의 동위 원소라고 한다.[17] 핵 내의 중성자 수는 일반적으로 원소의 화학적 성질에 거의 영향을 미치지 않는다. 예를 들어 모든 탄소 동위 원소는 중성자 수가 6개에서 8개까지 다를 수 있지만, 양성자 수가 6개로 같아 전자 수도 6개이므로 거의 동일한 화학적 성질을 갖는다. (단, 수소의 경우 동위 원소 효과가 상당히 크다.) 따라서 질량수나 원자량이 아닌 원자 번호가 원소를 식별하는 중요한 특징으로 간주된다.
영국의 물리학자 헨리 모즐리는 1913년에 원자핵의 전하가 원자 번호의 물리적 근거임을 실험적으로 밝혀냈다. 이후 양성자와 중성자의 존재가 확인되면서 원자 번호는 원자핵 속 양성자의 수로 더욱 명확하게 정의되었다. 원소를 구별하는 기준으로 원자량 대신 원자 번호를 사용하게 되면서 여러 이점이 생겼다. 원자 번호는 정수이기 때문에 예측하기 쉽고, 같은 원소 내에서 동위 원소나 동소체의 특성이 다른 경우 발생하는 혼란을 줄일 수 있다. 현재 국제 순수·응용 화학 연합(IUPAC)은 핵이 전자 구름을 형성하는 데 걸리는 시간인 10-14초보다 수명이 긴 동위 원소를 가진 원소를 존재한다고 정의한다.[30]
4. 2. 동위 원소 (Isotopes)
동위 원소는 같은 원소이면서 핵 안의 양성자 수는 같지만 중성자 수가 다른 원자를 말한다. 예를 들어, 탄소에는 세 가지 주요 동위 원소가 있다. 모든 탄소 원자는 양성자를 6개 가지고 있지만, 중성자는 6개, 7개, 또는 8개를 가질 수 있다. 이들의 질량수는 각각 12, 13, 14이므로, 이 세 동위 원소는 탄소-12(12C), 탄소-13(13C), 탄소-14(14C)로 알려져 있다. 자연 상태의 탄소는 12C가 약 98.9%, 13C가 약 1.1%를 차지하며, 14C는 1조 개의 원자당 약 1개꼴로 존재하는 혼합물이다.자연적으로 존재하는 94개의 원소 중 54개는 두 개 이상의 안정한 동위 원소를 가진다. 수소의 동위 원소는 상대 질량 차이가 커서 화학적 성질에 영향을 줄 수 있지만, 이를 제외하면 같은 원소의 동위 원소들은 화학적으로 거의 구별되지 않는다.
모든 원소는 방사성 동위 원소(방사성 핵종)를 가지고 있으며, 이들 대부분은 자연적으로 발생하지 않는다. 방사성 핵종은 보통 알파 붕괴, 베타 붕괴, 또는 역 베타 붕괴를 통해 다른 원소로 붕괴한다. 가장 무거운 원소의 일부 동위 원소는 자발 핵분열을 겪기도 한다. 방사성이 없는 동위 원소는 "안정 동위 원소"라고 부르며, 알려진 모든 안정 동위 원소는 자연적으로 발생한다(원시 핵종 참조). 자연에서 발견되지 않는 많은 방사성 동위 원소는 인공적으로 만들어져 연구되었다. 어떤 원소들은 안정 동위 원소가 전혀 없고 오직 방사성 동위 원소로만 구성되는데, 대표적으로 테크네튬(원자 번호 43), 프로메튬(원자 번호 61), 그리고 원자 번호 82보다 큰 모든 원소가 해당한다.
적어도 하나의 안정 동위 원소를 가진 80개의 원소 중 26개는 단 하나의 안정 동위 원소만을 가지고 있다. 이 80개 원소의 평균 안정 동위 원소 수는 원소당 3.1개이다. 가장 많은 안정 동위 원소를 가지는 원소는 주석(Sn, 원소 50)으로 10개이다.
원소의 질량수, ''A''는 원자핵 속 핵자(양성자와 중성자)의 총 개수이다. 같은 원소의 다른 동위 원소들은 화학 기호 왼쪽 위에 질량수를 표기하여 구분한다(예: 238U). 질량수는 항상 정수이며 "핵자" 단위를 가진다. 예를 들어, 마그네슘-24(24Mg)는 24개의 핵자(양성자 12개와 중성자 12개)를 가진 원자이다.
질량수는 단순히 핵자 수를 센 정수값이지만, 특정 동위 원소(핵종)의 원자 질량은 그 동위 원소의 단일 원자 질량을 의미하며 보통 달톤(Da) 또는 원자 질량 단위(u)로 나타낸다. 상대 원자 질량은 원자 질량을 원자 질량 상수(1 Da와 같음)로 나눈 값으로 단위가 없다. 일반적으로 특정 핵종의 질량수와 상대 원자 질량은 약간의 차이를 보이는데, 이는 각 양성자와 중성자의 질량이 정확히 1 Da가 아니고, 중성자 수가 양성자 수를 초과하면서 전자가 원자 질량에 기여하는 정도가 미미하며, 핵 결합 에너지와 전자 결합 에너지의 영향 때문이다. 예를 들어, 염소-35(35Cl)의 원자 질량은 유효 숫자 5자리까지 34.969 Da이고, 염소-37(37Cl)의 원자 질량은 36.966 Da이다. 하지만 각 동위 원소의 상대 원자 질량은 질량수에 매우 가깝다(항상 1% 이내). 원자 질량이 정확히 자연수인 유일한 동위 원소는 12C인데, 그 질량이 정의에 따라 정확히 12 Da이기 때문이다(달톤은 바닥 상태의 자유 중성 탄소-12 원자 질량의 1/12로 정의됨).
원소의 표준 원자량(흔히 "원자량"이라고 불림)은 특정 환경에서 발견되는 해당 원소의 모든 동위 원소들의 원자 질량을 동위 원소 존재 비율에 따라 가중 평균한 값이다. 이 값은 정수에 가깝지 않은 분수일 수 있다. 예를 들어, 염소의 상대 원자 질량은 35.453 u인데, 이는 자연계에 존재하는 염소가 약 76%의 35Cl과 약 24%의 37Cl로 이루어진 혼합물의 평균값이기 때문에 정수와 상당히 다르다. 상대 원자 질량 값이 정수와 약 1% 이상 차이가 나는 경우는 이처럼 해당 원소 시료에 두 가지 이상의 동위 원소가 상당량 자연적으로 존재하기 때문이다.
화학 원소는 또한 지구에서의 기원에 따라 분류될 수 있으며, 처음 94개는 자연 발생으로 간주되고, 원자 번호가 94 이상인 원소는 인간이 만든 핵반응을 통해 인공적으로 생성되었다.
자연 발생 원소 94개 중 83개는 원시 원소로 간주되며 안정 동위 원소이거나 약하게 방사성이 있다. 나머지 11개 원소의 가장 긴 수명의 동위 원소는 반감기가 너무 짧아 태양계가 시작될 때 존재했을 수 없으므로 과도기적 원소로 간주된다. 이 11개의 과도기적 원소 중 5개( 폴로늄, 라돈, 라듐, 악티늄, 프로트악티늄)는 토륨과 우라늄의 비교적 흔한 붕괴 생성물이다. 나머지 6개의 과도기적 원소(테크네튬, 프로메튬, 아스타틴, 프랑슘, 넵투늄, 플루토늄)은 드물게 나타나며, 드문 붕괴 모드 또는 우라늄 또는 기타 중원소를 포함하는 핵반응 과정의 생성물로 존재한다.
원자 번호가 1부터 82까지인 원소는 43(테크네튬)과 61(프로메튬)을 제외하고, 각각 방사성 붕괴가 관찰되지 않은 동위 원소를 최소 하나 이상 가지고 있다. 그러나 텅스텐 및 납과 같은 일부 원소의 관찰상 안정 동위 원소는 매우 긴 반감기를 가지고 약간 방사성을 띨 것으로 예측된다. 예를 들어, 관찰상 안정적인 납 동위 원소에 대해 예측된 반감기는 1035에서 10189년까지 다양하다. 원자 번호가 43, 61, 83에서 94인 원소는 방사성 붕괴를 감지할 수 있을 정도로 불안정하다. 이 원소 중 3개, 즉 비스무트(원소 83), 토륨(90) 및 우라늄(92)은 태양계 형성 전에 무거운 원소를 생성한 폭발적인 별 핵합성의 잔해로 살아남을 수 있을 정도로 긴 반감기를 가진 동위 원소를 하나 이상 가지고 있다. 예를 들어, 1.9×1019년 이상으로, 우주의 추정 나이보다 10억 배 이상 긴 비스무트-209(209Bi)는 알려진 가장 긴 알파 붕괴 반감기를 가진 동위 원소이다. 마지막 24개의 원소(플루토늄, 원소 94 이후)는 짧은 반감기를 가진 방사성 붕괴를 겪으며 더 긴 수명의 원소의 딸로 생성될 수 없으므로 자연계에 전혀 존재하지 않는 것으로 알려져 있다.
원소의 동위원소는 질량수(총 양성자 및 중성자 수)로 구별되며, 이 수는 원소 기호와 결합된다. IUPAC은 실용적일 경우 동위원소 기호를 윗첨자 표기법으로 작성하는 것을 선호하며, 예를 들어 12C 및 235U가 있다. 그러나 탄소-12 및 우라늄-235, 또는 C-12 및 U-235와 같은 다른 표기법도 사용된다.
특별한 경우로, 수소의 세 가지 자연 발생 동위원소는 종종 1H(프로튬)에 대한 '''H''', 2H (듀테륨)에 대한 '''D''', 3H (트리튬)에 대한 '''T'''로 지정된다. 이 규칙은 화학 방정식에서 질량수를 매번 적을 필요가 없으므로 사용하기 더 쉽다. 따라서 중수의 화학식은 2H2O 대신 D2O로 작성할 수 있다.
4. 3. 동소체 (Allotropes)
같은 원소로 이루어져 있지만, 원자의 배열이나 결합 방식이 달라 서로 다른 성질을 나타내는 물질을 동소체(同素體, Allotrope)라고 한다. 대표적인 예로 탄소(C)의 동소체인 다이아몬드, 흑연, 풀러렌, 탄소 나노튜브 등이 있으며, 산소(O)의 동소체로는 산소(O2)와 오존(O3)이 있다.동소체는 서로 다른 구조를 가지므로 밀도와 같은 물리적 성질에서 차이를 보인다. 예를 들어, 탄소의 동소체 중 비정질 탄소는 1.8–2.1 g/cm3, 흑연은 2.267 g/cm3, 다이아몬드는 3.515 g/cm3의 밀도를 가진다. 원소의 특성을 나타낼 때 여러 동소체가 존재하면, 대표적인 동소체의 값을 사용하거나 각 동소체의 값을 명시하기도 한다.
4. 4. 주기율표 (Periodic Table)
주기율표는 화학 원소들을 원자 번호 순서대로 배열하고, 비슷한 화학적 성질을 가진 원소들을 같은 족(세로줄)에 배치하여 원소들의 주기적인 성질 변화를 나타낸 표이다. 주기율표에서 가로줄은 주기라고 하며, 세로줄은 족이라고 한다. 이 표를 통해 원소의 성질을 예측하고, 다양한 화학 반응을 이해하는 데 도움을 받을 수 있다.
원소들을 체계적으로 분류하려는 시도는 이전에도 있었지만, 현대적인 주기율표의 발명은 일반적으로 1869년 러시아의 화학자 드미트리 멘델레예프의 업적으로 여겨진다. 멘델레예프는 당시 알려진 63개의 원소를 원자량 순서로 배열하면서 화학적 성질이 주기적으로 반복된다는 사실을 발견하고, 이를 바탕으로 주기율표를 만들었다. 그는 주기율표의 빈칸을 통해 아직 발견되지 않은 원소의 존재와 성질을 예측하기도 했는데, 이후 갈륨, 스칸듐, 게르마늄 등이 발견되면서 그의 예측이 정확했음이 증명되었다.
멘델레예프 이후 새로운 원소들이 계속 발견되고, 원자 구조에 대한 이해가 깊어지면서 주기율표는 계속 수정되고 확장되었다. 현대 주기율표는 원자량 대신 원자 번호 순서로 원소를 배열하며, 이는 원소의 전자 배치, 특히 최외각 전자의 수가 화학적 성질을 결정하는 중요한 요인임을 더 명확하게 보여준다. 비슷한 전자 배치를 가진 원소들이 같은 족에 위치하며 유사한 화학적 성질을 나타낸다.
2021년 현재 이 표에는 118개의 확인된 원소가 포함되어 있다. 이 원소들은 전자가 채워지는 원자 궤도의 종류에 따라 s-블록, p-블록, d-블록, f-블록 원소로 분류되기도 한다.
주기율표는 화학 분야에서 매우 유용한 프레임워크를 제공하며, 다양한 형태의 화학적 거동을 분류, 체계화 및 비교하는 데 널리 사용된다. 이 표는 또한 물리학, 지질학, 생물학, 재료 과학, 공학, 농업, 의학, 영양, 환경 보건 및 천문학 등 다양한 과학 및 기술 분야에서 중요하게 활용된다.
5. 원소의 존재비
원소의 분포는 환경에 따라 크게 다르며, 이러한 존재 비율 구성을 원소 구성비라고 부른다.
우주 전체에서는 빅뱅 초기에 생성된 수소와 헬륨이 대부분을 차지한다. 이후 별 내부와 초신성 폭발 등을 통해 탄소부터 철, 그리고 더 무거운 원소들이 만들어지면서 원소 구성이 다양해졌다. 일반적으로 원자 번호가 증가할수록 존재비는 감소하며, 철과 같이 핵 안정성이 높은 원소가 상대적으로 풍부하다.
지구는 형성 과정에서 가벼운 원소들이 상당 부분 손실되어 우주와는 다른 원소 구성을 보인다. 지각에는 산소와 규소가 가장 많고, 지구 전체적으로는 철과 산소의 비율이 높을 것으로 추정된다.
인체는 주로 물(H2O)의 성분인 산소와 수소, 그리고 유기물의 핵심인 탄소와 질소로 구성된다. 이는 해수의 조성과 일부 유사성을 보이지만, 생명 활동에 필수적인 특정 원소들의 비율이 높다는 차이가 있다. 생물 종류에 따라 필요한 원소는 달라진다.
5. 1. 우주
우주 전체 질량의 약 4%만이 원자 또는 이온으로 구성되어 있으며, 따라서 화학 원소로 나타난다. 이는 우주 전체 물질의 약 15%에 해당하며, 나머지 물질(약 85%)은 암흑 물질이다. 암흑 물질의 본질은 아직 알려져 있지 않지만, 양성자, 중성자, 전자를 포함하지 않으므로 원자로 구성되지 않는다. 우주의 나머지 비물질 부분은 아직 덜 알려진 암흑 에너지로 구성되어 있다.
자연적으로 발생하는 94개의 원소는 크게 네 가지 천체 물리학적 과정을 통해 생성되었다.
1. 빅뱅 핵합성: 우주 탄생 후 처음 몇 분 동안 가장 가벼운 원소들이 만들어졌다. 이때 생성된 수소(주로 1H)와 헬륨(주로 4He)이 우주 질량의 대부분(각각 약 75%, 25%, 질량비 약 3:1)을 차지하게 되었다.[3][4][5] 이 과정에서 소량의 중수소(2H)와 극미량(약 10-10)의 리튬과 베릴륨도 함께 생성되었다.[20] 일부 오래된 별에서 붕소가 관찰되지만 탄소는 관찰되지 않아, 빅뱅에서 붕소보다 무거운 원소는 생성되지 않은 것으로 보인다.[19]
2. 항성 핵합성: 별 내부의 핵융합 반응을 통해 탄소부터 철에 이르는 원소들이 생성된다. 별의 질량과 진화 단계에 따라 다양한 원소가 만들어진다.[6]
3. 폭발성 핵합성: 철보다 무거운 원소들은 주로 초신성 폭발이나 중성자별 병합과 같은 격렬한 현상 속에서 생성된다. 이러한 과정에서 빠른 중성자 포획(r-과정) 등을 통해 우라늄, 플루토늄과 같은 무거운 원소들이 만들어진다.
4. 우주선 파쇄: 리튬, 베릴륨, 붕소와 같은 가벼운 원소들은 주로 우주선이 성간 물질의 탄소, 질소, 산소 원자핵과 충돌하면서 파쇄되는 과정을 통해 생성된다.
이러한 과정을 거쳐 형성된 원소들의 우주 전체적인 존재비는 빅뱅과 이후 별들의 활동을 통해 결정된다. 수소와 헬륨이 압도적으로 많으며, 그 다음으로는 산소, 탄소, 네온, 철 순으로 존재한다. 일반적으로 원자 번호가 증가할수록 존재비는 감소하는 경향을 보인다.
우주 원소 존재비에는 몇 가지 특징적인 경향이 나타난다.
- Oddo–Harkins 규칙: 원자 번호가 짝수인 원소가 인접한 홀수 원자 번호의 원소보다 더 풍부하게 존재하는 경향이 있다. 이는 짝수 양성자 수를 가진 원자핵이 더 안정하기 때문이다.
- 철(Fe)의 풍부함: 철-56(56Fe)은 핵자당 결합 에너지가 가장 큰 안정한 핵종 중 하나로, 항성 핵합성의 최종 단계에서 많이 생성되어 특히 풍부하다. (정확히는 방사성 니켈-56이 먼저 생성된 후 붕괴하여 철-56이 된다.)
- 마법수 효과: 중성자 수가 특정 수(50, 82, 126 등, 마법수라고 불림)가 되면 원자핵이 특히 안정해진다. 이로 인해 중성자 포획 과정에서 해당 중성자 수를 가진 핵종(예: 스트론튬(Sr, 중성자 50개), 바륨(Ba, 중성자 82개), 납(Pb, 중성자 126개))의 생성이 상대적으로 많아져, 존재비가 주변 원소보다 높게 나타난다.
| 원소 | 질량 백만분율 (ppm) |
|---|---|
| 수소 (H) | 739,000 |
| 헬륨 (He) | 240,000 |
| 산소 (O) | 10,400 |
| 탄소 (C) | 4,600 |
| 네온 (Ne) | 1,340 |
| 철 (Fe) | 1,090 |
| 질소 (N) | 960 |
| 규소 (Si) | 650 |
| 마그네슘 (Mg) | 580 |
| 황 (S) | 440 |
| 칼륨 (K) | 210 |
| 니켈 (Ni) | 100 |
은하 헤일로나 은하간 공간은 별 형성 활동이 적어 원시적인 원소 구성비(주로 수소와 헬륨)에 가까운 상태를 유지할 수 있지만,[21] 우리 은하와 같이 활발한 별 형성 역사를 가진 은하들은 항성 핵합성과 초신성 핵합성을 통해 무거운 원소들이 지속적으로 생성되고 축적되어 왔다.
5. 2. 지구
지구 전체의 원소 분포는 고르지 않으며, 그 존재 비율은 범위에 따라 크게 다르다. 이러한 비율 구성을 원소 구성비라고 부른다.
지구 전체의 원소 구성은 핵이나 맨틀을 직접 조사할 수 없기 때문에, 운석(핵 부분은 운철, 맨틀 부분은 무규칙 콘드라이트) 분석이나 지진파 관측을 통해 각 층의 탄성률·밀도 등을 종합하여 추정한다. 이 추정에 따르면, 존재비로는 산소가 가장 많으며, 우주에 풍부한 수소나 헬륨의 비율은 상대적으로 낮다. 금속 원소도 많은 편으로, 규소, 마그네슘, 철 등이 상위권을 차지한다. 다만, 황은 황화철 형태로 광범위하게 분포되어 있어 정확한 존재비를 파악하기는 어렵다.
지각을 구성하는 주요 원소는 질량비로 표시되는 클라크 수를 통해 잘 알려져 있다. 산화물 형태로 지각에, 물로서 수권에, 그리고 기체로서 대기에 존재하는 산소가 지구 전체와 마찬가지로 가장 높은 비율을 차지한다. 하지만 지각의 구성은 지구 전체와 차이가 있는데, 마그네슘이나 니켈의 비율은 낮은 반면, 수소, 나트륨, 알루미늄의 비율은 더 높게 나타난다.
5. 3. 인체
인체의 원소 구성은 해수의 조성과 유사한 면이 있다. 인체를 구성하는 원소 중에는 물(H2O)의 성분인 수소(H)와 산소(O)가 질량 기준으로 가장 큰 비율을 차지한다. 이러한 구성은 해수의 원소 비율과 유사성이 지적되기도 한다.다만, 인체에는 단백질과 핵산을 형성하는 데 필요한 탄소(C)와 질소(N)가 풍부하며, 핵산과 세포 에너지 전달 분자인 아데노신 삼인산(ATP)의 구성 요소인 인(P) 역시 중요한 비율을 차지한다. 특히 인(P)의 비율은 해수와 비교했을 때 인체에서 훨씬 높게 나타나는 등 차이점도 존재한다. 또한 인체는 생명 유지에 필수적인 다양한 미량 원소를 포함하고 있으며, 이들은 주로 효소의 활성화 등에 중요한 역할을 한다.
생물 종류에 따라 필수적인 원소의 종류와 비율은 달라질 수 있다. 예를 들어 녹색 식물은 엽록소 합성에 마그네슘(Mg)을 필요로 하며, 연체동물은 껍데기를 만들기 위해 칼슘(Ca)을 사용하고, 척추동물은 혈액 속 적혈구의 헤모글로빈에 철(Fe)을 포함하여 산소를 운반한다.
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