러시아의 화학자 드미트리 멘델레예프(1834-1907)가 주기율표를 만든 해는 1869년이다. 주기율표에는 규칙성이 들어 있다. '지식 제로에서 시작하는 과학 개념 따라잡기' 시리즈의 한 권인 '주기율표의 핵심'은 2019년 6월 1일을 기준으로 만들어진 118개의 원소를 다룬 책이다. 주기율표를 이해하는 것은 자연계를 이해하는 일이다. 주기율표는 150년간 진화를 거듭했다. 멘델레예프가 주기율표를 작성한 당시 원소의 총 개수는 63개였다. 

원자는 그 종류와 관계없이 기본적으로 원자핵과 전자라는 같은 구조로 이루어져 있다. 원자의 종류는 원자핵을 이루는 양성자의 수로 결정된다. 원자핵의 주변에는 양성자의 수와 같은 전자가 운동하고 있다. 전자는 원자핵 주변을 자유롭게 운동하는 것이 아니라 정해진 궤도를 따라 움직인다. 전자의 궤도는 몇몇 개를 합쳐서 전자껍질이라는 구면(球面) 구조를 이룬다. 

전자껍질은 안쪽부터 K, L, M 등의 순서로 부른다. 각각의 전자껍질에는 전자가 들어갈 수 있는 수가 K껍질에 2개, L껍질에 8개, M껍질에 18개로 정해져 있다. 바깥쪽일수록 수가 늘어난다. 전자는 기본적으로 안쪽의 전자껍질에 먼저 들어간다. 어느 전자껍질까지 전자가 들어갈지는 원소에 따라 다르다. 가장 바깥쪽(최외곽)의 전자 정원이 꽉 차면 원자는 가장 안정적이다. 같은 주기의 원소는 최외곽이 같다. 

1주기 원소의 최외곽은 K껍질이고 2주기 원소의 최외곽은 L껍질이고 3주기 원소의 최외곽은 M껍질이다. 화학 반응은 전자를 주고받는 것에 따라 일어난다. 전자를 다른 원자에 주려는 것은 반응이 잘 일어난다는 의미다. 탄소는 생명에 꼭 필요한 물질의 주성분이다. 탄소가 만드는 물질은 7000만 종 이상으로 알려져 있다. 인간의 몸을 만드는 단백질도 탄소를 주성분으로 하는 아미노산으로 이루어져 있다. 탄소는 산소와 결합하여 이산화탄소가 되고 수소와 결합하여 메테인이 되고 질소, 산소 등과 결합하여 아미노산이 된다. 아미노산끼리는 직선으로 연결되어 단백질이 되기도 한다. 

주기율표의 가장 오른쪽에 있는 원소인 희(稀) 가스는 비활성기체다. 희가스는 최외곽의 전자 정원이 다 차 있어서 전자를 주고 받을 필요가 없는 안정적인 원소다. 희가스는 타지 않고 안전하다. 희가스는 우리 몸에 들어와도 체내 물질과 결합하지 않고 인체에 해를 끼치지 않는다. 헬륨 가스는 공기보다 가벼워 열기구, 비행선, 풍선 등에 사용된다. 전이 원소는 원자 번호가 커지고 전자 수가 늘어나도 최외곽 전자 수에 변화가 없다. 전이 원소의 전자는 안쪽 전자껍질이 채워지기 전에 최외곽으로 들어가는 경우가 있기 때문이다. 철, 구리, 금 등이 전이 원소들이다.

금속은 특유의 광택이 있고 전기와 열을 잘 전달하며 늘릴 수 있다. 금속은 저온일수록 전기를 잘 전달하는 데 비해 저마늄은 고온일수록 전기를 잘 전달한다. 수소는 예전 열기구와 비행선에 사용되었으나 잘 타는 성질 때문에 지금은 사용되지 않는다. 헬륨은 수소와 함께 우주가 탄생할 때 최초로 만들어진 원소다. 원소 중 가장 끓는 점이 낮은 것이 헬륨이다. 리튬은 수소, 헬륨과 함께 우주가 탄생하며 최초로 만들어진 원소다. 

질소는 우리 체중의 약 3%를 차지한다. 질소는 공기의 약 80%를 차지하지만 호흡으로는 섭취할 수 없고 음식물을 통해 섭취해야 한다. 산소는 부피로 보면 대기 중에 약 21% 비율로 존재한다. 원시 지구의 대기에는 산소가 거의 없었다. 현재 대기 중의 산소는 식물이 이산화탄소와 물로 광합성을 해서 만든 것이다. 광합성은 식물 잎의 세포 안에 있는 엽록체에서 이루어진다. 광합성을 통해 생성된 산소는 잎의 기공을 통해 대기 중으로 방출된다. 소리가 지나는 길에 헬륨 가스가 섞이면 기체 밀도가 공기보다 낮아져 공기 중보다 소리의 속도가 빨라져서 진동수가 증가하여 높은 소리가 난다. 

마그네슘은 식물의 광합성에도 중요한 역할을 한다. 식물의 엽록체에 들어 있는 마그네슘이 빛을 전자로 변환한다. 이 전자가 유기물 합성에 사용된다. 알루미늄은 지각 내에서 산소, 규소에 이어 금속 원소로서 가장 많이 존재한다. 인은 생명체 내의 다양한 화합물을 구성하는 원소로 생물에 꼭 필요한 원소다. 인은 DNA 등 유전물질을 생성하는 데 관여하며 인산칼슘은 뼈와 치아를 만든다. 생체의 메커니즘인 ATP도 인 화합물이다. 근육은 ATP의 에너지를 사용하여 움직인다. 

칼륨은 질소, 인과 함께 식물에 가장 많은 원소다. 식물에 주는 비료에 이 세 원소를 함유한 화합물이 들어 있다. 식물의 기공은 산소와 이산화탄소가 들고나는 중요 기관이다. 칼륨은 기공의 개폐에 중요 역할을 한다. 기공 내에 칼륨 이온이 흡수되면 세포 안팎의 이온 농도에 차이가 생겨 기공의 개폐가 일어난다. 칼슘은 근육이 수축할 때 필요하다. 칼슘은 척추동물의 체내에서 뼈와 치아를 만드는 인산칼슘에 들어 있다. 칼슘이 부족하면 불안감이 생긴다. 칼슘은 시멘트에도 사용된다. 

망가니즈는 매우 무른 성질이 있어서 철에 첨가해 망가니즈 강으로 제조해 충격과 마모에 강하게 만든다. 철은 우리 생활에서 핵심적인 역할을 하는 금속 원소다. 철은 우리 혈액 내 헤모글로빈에 들어 있다. 철은 산소가 풍부한 곳(폐 등)으로 이동하면 산소와 결합하고 산소가 적은 곳에서는 운반 중이던 산소를 떼어놓는다. 철의 이런 성질은 폐로 마신 산소를 체내 각 부분으로 옮겨주는 짐꾼 역할을 한다. 

아연은 우리 몸에도 필수적인 미네랄로 부족하면 음식 맛을 잘 느끼지 못한다. 저마늄은 지각에 넓고 얕게 분포하는 원소다. 텅스텐은 금속 중에서 녹는 점이 가장 높고 증기압은 낮다. 이리듐은 존재량이 매우 적은 금속이다. 가공이 어려워 단독으로 쓰이고 용도가 거의 없다. 공룡이 멸종한 약 6550만년전의 지층인 백악기-팔레오기 경계에서 발견되었다. 이리듐이 운석에 다량 함유되어 있어서 공룡은 우주에서 운석이 떨어져 멸종했다는 추측이 제기되기도 했다.

금은 홑원소로 자연계에서 산출되는 금속 중 유일하게 황금색으로 빛난다. 우라늄의 동위원소는 몇 가지가 알려져 있다. 모두 방사성이다. 우라늄의 원자핵에 중성자를 충돌시키면 핵분열이 일어나 에너지가 발생한다. 이 핵분열의 연쇄반응을 지속시켜 단번에 엄청난 에너지를 얻는 것이 원자력발전의 원리다.