칼 구스타프 모산데르 (Carl Gustaf Mosander): 희토류를 분리해낸 화학자

1839년, 약사 출신의 한 스웨덴 교수가 화학계에서 모두 '산화세륨'이라고 부르던 덩어리를 가져와 인내심을 갖고 부분 분해와 묽은 질산 처리를 거듭한 끝에, 그것이 단일 물질이 아니라 적어도 두 가지 물질임을 증명해냈다. 화학적으로 너무나 닮아 거의 쌍둥이처럼 행동하는 원소들을 떼어내는 그 벤치 위의 기교는 칼 구스타프 모산데르 (Carl Gustaf Mosander) 의 트레이드마크가 되었으며, 이는 결국 주기율표의 숨겨진 거대한 계열인 희토류를 세상에 드러내게 된다.

도제에서 화학자의 길로

모산데르는 1797년 9월 10일 스웨덴 칼마르 (Kalmar) 에서 태어났으며, 정통 학술적 경로를 통해 화학에 입문하지 않았다. 그는 1809년 가족이 스톡홀름 (Stockholm) 으로 이주할 때까지 고향에서 학교를 다녔으며, 그 이후의 훈련은 학구적이라기보다는 실무적이었습니다. 그는 우글란 (Ugglan) 약국에서 도제 생활을 했고 1817년 약사 시험을 마쳤다. 그로부터 무려 9년 뒤인 1826년, 그는 당시의 카롤린 의료원(현 카롤린스카 연구소, Karolinska Institute) 스톡홀름 화학 실험실의 책임자로 임명되었다. 그 사이 그는 1820년 연구소에 등록하여 1825년 의학 시험을 통과하며 정규 의학 공부를 추구했다. 그는 또한 한때 스톡홀름에서 온천장을 운영하기도 했는데, 이는 그의 경력이 단 하나의 깔끔한 학문적 사다리에서 얼마나 멀리 떨어져 있었는지를 보여주는 세부 사항이다.

베셀리우스의 그늘 아래, 그리고 그의 곁에서

모산데르의 과학적 생애를 결정지은 관계는 19세기 초 유럽 화학계를 지배했던 스웨덴의 화학자 옌스 야코브 베셀리우스 (Jöns Jacob Berzelius) 와의 관계였다. 모산데르는 베셀리우스의 실험실에서 일하며 원자량과 분석 정밀도에 대한 선배의 엄격한 기준을 흡수했고, 바로 그곳에서 세기의 위대한 화학자 중 한 사람이 될 동료 학생 프리드리히 뵐러 (Friedrich Wöhler) 와 우정을 쌓았다. 베셀리우스가 교수직에서 은퇴하자, 모산데르는 1832년 카롤린스카 연구소에서 화학 및 광물학 교수로서 그의 뒤를 이었다(일부 출처에서는 이 직함이 화학 및 약학이라고도 한다). 그는 1845년 약학연구소의 교수이자 감찰관이 될 때까지 그직을 유지했으며, 수년 동안 스웨덴 자연사박물관 (Swedish Museum of Natural History) 이 된 곳의 광물 컬렉션 부관을 겸임했는데, 바로 이 직책 덕분에 희귀하고 잘 알려지지 않은 광물들을 매일 접할 수 있었다.

세륨의 비밀을 풀다

이러한 접근이 중요했던 이유는 19세기 초의 희토류 광물들이 화학자들의 악몽이었기 때문이다. 즉, 당시의 어떤 표준 기술로도 분리를 거부하는 조밀하고 비슷해 보이는 산화물들이었기 때문이다. 수십 년 전에 베셀리우스와 빌헬름 히싱어 (Wilhelm Hisinger) 가 발견한 세륨은 광석 속에 결합된 단일 원소로 여겨졌다. 모산데르는 그렇지 않을 것이라 의심했다. 산화세륨을 가지고 작업하면서, 그는 신중하고 반복적인 처리(부분 분해에 이어 묽은 질산 처리)를 통해 그 안에 숨어 있던 두 번째 물질을 분리해냈다. 그는 1839년에 이 새로운 원소를 발표하고, 그리스어로 '숨겨져 있다'는 뜻에서 '란타눔(lanthanum)'이라고 명명했는데, 이는 수십 년 동안 다른 것의 일부로 가장해 온 원소에 걸맞은 이름이었다.

이트리아 수수께끼

모산데르는 여기서 멈추지 않았다. 화학적으로 겉보기보다 더 복잡하다는 것이 이미 알려진 또 다른 희토류 산화물인 이트리아로 눈을 돌려, 그는 동일한 법의학적 인내심을 발휘하여 1843년 그로부터 두 가지 원소인 테르븀과 에르븀을 더 끌어냈다. 두 이름의 이야기는 이 화학이 얼마나 혼란스러웠는지를 보여주는 작은 기념비 그 자체이다. 나중에 화학자들은 모산데르가 두 원소의 성질에 붙인 원래의 라벨이 서로 바뀌었다는 사실을 발견했다. 그래서 오늘날 테르븀이라고 불리는 것과 에르븀이라고 불리는 것은 어떤 면에서는 그가 원래 의도했던 것의 거울 이미지와 같다. 이는 아주 사소한 역사적 혼동이지만, 시사하는 바가 크다. 즉, 이 작업이 당시의 기술 한계선에 얼마나 가까이서 이루어지고 있었는지를 보여준다.

디디뮴: 아슬아슬하게 빗나갔지만 여전히 가치 있던 발견

1840년, 모산데르는 세륨족 광물 속에서 또 다른 새로운 물질을 확인하고, 그 성질이 란타눔과 세륨에 너무 가까워 분리해내는 것 자체가 업적이었기 때문에 그리스어로 '쌍둥이'를 뜻하는 디디뮴(didymium)이라고 불렀다. 디디뮴은 수십 년 동안 화학 교과서에서 그 자리를 지켰다. 오스트리아의 화학자 카를 아우어 폰 벨스바흐 (Carl Auer von Welsbach) 가 디디뮴이 단일 원소가 아니라 네오디뮴과 프라세오디뮴이라는 두 가지 원소의 혼합물임을 밝혀내는 데는 1885년까지 걸렸으며, 그보다 더 나중에는 화학자들이 사마륨을 당시의 희토류 샘플에 얽혀 있던 또 다른 성분으로 인식했다. 모산데르의 '쌍둥이' 원소는 결국 세쌍둥이에 가까웠다. 그의 잠정적인 발견이 이용 가능한 도구들로 거의 반세기 동안 유의미하고 순수하지는 않더라도 의미 있는 물질로 버텨냈다는 사실 자체가, 그가 얼마나 주의 깊게 분리 작업을 수행했는지를 보여주는 척도이다.

인정과 말년

모산데르의 공헌은 비교적 일찍 국내에서 인정받았다. 그는 자신의 이름을 알리게 될 업적을 공고히 하던 중이던 1833년 스웨덴 왕립 과학 아카데미 (Royal Swedish Academy of Sciences) 회원으로 선출되었다. 그의 개인사는 비슷한 시기에 안정되었다. 그는 1832년 12월 20일 훌다 필리피나 포르스트룀 (Hulda Philippina Forsström) 과 결혼했고, 부부는 두 쌍의 쌍둥이로 태어난 네 자녀를 두었다. 말년에 그는 백내장으로 시력을 잃었고, 1858년 10월 15일 스톡홀름 카운티의 뢰본(Lövön) 섬(엥스홀멘 Ängsholmen 으로도 기록됨)에 있는 여름 별장에서 예순한 살의 나이로 사망했다.

칼이 천재로 불리는 이유

모산데르가 천재로 칭송받는 근거는 좁지만 실제적인 형태의 과학적 재능에 있다. 그것은 화학적 모호성에 대한 비범한 인내심과, 거의 동일하게 행동하는 물질들을 분리해내는 수작업 및 분석적 규율의 결합이었다. 란타눔, 테르븀, 에르븀을 발견하는 것은 물질에 대한 새로운 이론을 필요로 하지 않았다. 그것은 '순수한' 화합물이 순수하지 않다는 것을 알아차리고, 반복적이고 화려하지 않은 침전 및 산 처리 과정을 통해 이를 증명할 인내심을 갖는 것을 필요로 했다. 그것은 통찰력만큼이나 공예이며, 스승인 베셀리우스 같은 이론가의 비약보다는 숙련된 제련가의 기술에 가깝다. 정직한 반론은 모산데르가 베셀리우스가 이미 구축한 패러다임 안에서, 베셀리우스가 정제한 기술을 사용하여 일했으며, 그의 가장 야심 찬 주장인 디디뮴이 비판가들이 예측할 수 있었던 바로 그 방식, 즉 혼합물을 원소로 오인한 것으로 판명되었다는 점이다. 그러나 혼돈이 일상이었고 그 자신의 오류가 수십 년이 지난 후에야 더 민감한 도구들에 의해 수정되었던 분야에서 세 가지 원소를 올바르게 찾아냈다는 사실은, 비록 이론적이라기보다는 실용적인 성격의 것이었을지라도 물질 속의 숨겨진 구조를 포착하는 그의 안목을 천재에 가까운 것으로 부를 만한 신뢰할 수 있는 근거가 된다.

유산

모산데르의 이름은 그가 발견한 원소들보다 오늘날 덜 유명하지만, 다른 모든 사람들이 원소라고 부르는 것의 순수성을 의심하고 증거를 향해 파고드는 그의 방법론은 19세기 남은 기간 동안 희토류 화학이 따르는 틀이 되었다. 이후의 화학자들이 그의 참을성 있는 논리를 사용하여 그의 '원소'들을 더 나아가 계속 쪼개었기 때문이다.