화학
자연 과학의 한 분야. 물질의 조성과 구조, 성질 및 변화, 제법, 응용 따위를 연구한다. 무기 화학, 유기 화학, 생물 화학, 물리 화학, 분석 화학, 이론 화학, 응용 화학 따위의 갈래가 있다.
- 국립국어원 표준국어대사전
Comment.
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짧은 분량 안에서 역사를 다룬다는 것은 많은 것을 생략한다는 말입니다. 언제나 그랬지만 학문 분야의 역사는 더더욱 저의 임의적인 생략이 많을 수밖에 없는데요. 그럼에도 분량이 너무 많아져서 조금씩 나누어서, 격주가 아닌 매주 화학의 역사로 찾아올 예정입니다.
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지난 번에 다루었던 과학철학의 역사에서 토마스 쿤의 패러다임론이 기억나시나요? 쿤이 패러다임론의 예시로 천동설이 지동설로 변화하는 천문학에서의 혁명뿐만 아니라, 화학 혁명을 이야기합니다. 하지만 저 역시 그랬듯이 화학 혁명은 익숙하지 않은 분이 많으실 텐데요. 그래서 화학의 역사를 준비해 보았습니다.
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보통 화학은 학문적 분류에 따라 무기화학, 유기화학, 물리화학, 분석화학 등으로 나누어 설명하곤 하는데요. 화학사를 볼 때는 다음 질문에 따라 분류하는 것이 이해가 더 쉬울 것으로 판단했습니다.
① 물질은 무엇으로 이루어져 있을까?
② 원소는 어떻게 결합할까? (③ 원소는 어떤 구조로 결합할까?)
④ 원자는 어떻게 생겼을까?
⑤ 새로운 물질을 만들자!
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물론 이렇게 분류하는 과정에서 많은 부분이 생략되겠지만, 전체적인 화학 역사의 흐름만 이해하시고 자세한 내용은 전문가의 글을 보시는 것을 추천드립니다.
- 목차 -
Fig.1 ‘4→3→2’
Figure.1 17세기 화가 아르투스 볼파르트가 그린 4대 원소
화학은 물질의 조성과 구조 그리고 변화를 연구하는 학문입니다. 고대 그리스의 철학자들은 물질이 무엇으로 구성되어 있는지에 대해 다양한 주장을 했는데요. 탈레스Thales of Miletus 는 물, 데모크리토스Democritus 는 원자 등을 주장했죠. 그중 아리스토텔레스Aristotle 가 주장한 4원소설, 즉 모든 물질은 물, 불, 흙, 공기로 이루어져 있다는 주장이 이후 약 2000년간을 지배하게 됩니다. 아리스토텔레스는 4원소의 성분들은 변환될 수 있다고 했는데, 여기에 낚인 연금술사들이 금속으로 금을 만들려는 시도를 수백 년간 하게 되죠.
Figure.2 파라셀수스. 매독 수은 치료를 발명했다
16세기의 연금술사 파라켈수스Paracelsus 는 아리스토텔레스의 4원소설 대신 소금, 유황, 수은으로 이루어져 있다는 3원진설을 주장했습니다. 참고로 파라켈수스의 본명은 테오프라스투스 폰 호엔하임Theophrastus von Hohenheim 으로 호문쿨루스 실험을 하기도 했죠.
Figure.3 판 헬몬트. 2원소설을 주장했지만 최초로 이산화탄소를 발견하기도 했다
17세기의 연금술사인 얀 밥티스타 판 헬몬트Joan Baptista van Helmont 는 4원소설과 3원질설 모두 부정하고 만물은 능동적인 물과 수동적인 공기로 구성되어 있다는 2원소설을 주장합니다. 이를 증명하기 위해 버드나무를 심어 5년간 물만 주었는데요. 5년 후 버드나무는 45.4kg에서 74.4kg으로 늘었고, 흙은 단 57g밖에 줄지 않았죠. (문헌마다 수치가 조금씩 다름) 이를 통해 버드나무는 물과 공기로 이루어져 있다는 결론을 내렸죠.
Figure.4 최초의 화학자 로버트 보일
로버트 보일Robert Boyle 은 1661년 <회의적 화학자>에서 화학과 연금술을 구분하고 아리스토텔레스의 4원소설(불, 물, 흙, 공기)과 파라켈수스의 삼원론(수은, 황, 소금) 등을 부정하고 작은 미립자들이 서로 다른 종류와 개수로 모여 물질을 형성한다는 현대적 원자, 분자에 대한 개념을 제시합니다. 이로써 연금술의 시대가 가고 다양한 분자와 원자들이 등장할 수 있는 토대가 마련됩니다.
Fig.2 뭔가 조금 잘못된 기체 발견의 시대
Figure.5 조지프 프리스틀리의 실험 장비
보일이 스스로를 화학자라고 선언했지만, 아직 연금술사들이 공존하던 시대였습니다. 그중 연금술사 요한 베허Johann Becher 는 1667년 <지하 세계의 물리>에서 흙을 연소성과 광택을 기준 삼아 세 가지로 나누었습니다. 그중 연소성이 있는 흙을 플로지스톤이라고 이름 붙였죠.
베허의 제자였던 게오르크 슈탈Georg Stahl 이 플로지스톤을 체계화합니다. 나무는 딱딱하고 차갑지만 타기 시작하면 그 속에서 뜨거운 불이 계속해서 나오는데요. 슈탈은 나무 속에 플로지스톤이 들어 있었기 때문이라고 보았습니다. 슈탈은 플로지스톤으로 연소 작용뿐만 아니라 금속성, 산성, 알칼리성, 꽃의 색과 향기, 화학적 반응성 및 합성 등을 설명했죠. 이처럼 플로지스톤 이론은 많은 화학 현상을 설명할 수 있었기 때문에 정설로 받아들여졌습니다.
Figure.6 조지프 프리스틀리. 탄산수, 지우개를 최초로 발명하기도 했다
1774년 플로지스톤 이론의 지지자였던 조지프 프리스틀리Joseph Priestley 는 녹이 플로지스톤을 빨아들이면 금속이 되는 실험을 밀폐된 공간에서 시도해 플로지스톤이 결핍된 공기를 얻고자 했습니다. 그렇게 해서 얻어낸 공기를 ‘탈 플로지스톤 공기’(산소)라고 불렀죠.
한편 헨리 캐번디시Henry Cavendish 는 1766년 금속에 산을 녹였을 때 나오는 기체(수소)를 발견합니다. 이 기체를 모아서 불을 붙여보니 펑하고 탔습니다. 캐번디시는 산이 금속을 플로지스톤과 녹으로 분해시킨다고 생각했습니다. 즉, 자신이 발견한 가연성 기체가 플로지스톤 그 자체라고 본 것이죠.
Fig.3 ??? : 그거 아닌데
Figure.7 라부아지에, 세금징수원으로 일한 죄(?)로 프랑스 혁명 시기 단두대에서 처형당했다
하지만 플로지스톤 이론에는 문제가 있었습니다. 목재를 태우면 질량이 감소하는 것은 플로지스톤이 날아가는 것으로 설명할 수 있었지만, 금속은 정반대였습니다. 금속을 태우면 질량이 증가하고, 재(금속회)를 태우면 질량이 감소하죠. 이에 일부 플로지스톤 지지자들은 금속의 플로지스톤이 음의 질량을 가진다고 주장하기도 했고, 플로지스톤이 너무 가벼워서 플로지스톤이 갇혀있던 금속 몸체가 부풀려진 것이라고도 했습니다. 물론 이는 터무니없는 주장이었습니다. 그나마 프리스틀리가 금속이 플로지스톤을 잃는 동시에 물과 결합해서 무게가 증가한다고 설명합니다.
Figure.8 라부아지에의 실험장치, 라부아지에는 부유한 귀족이었기 때문에 실험 장비도 좋았다 ⓒgallica.bnf.fr
라부아지에도 처음에는 당시 정설이었던 플로지스톤 이론으로 이 문제를 설명하고자 했습니다. 재(금속회)는 공기 물질을 포함하고 있고, 재를 태우면 그 공기 물질이 빠져나와 플로지스톤과 결합해 기체가 된다는 것이죠. 곰곰이 생각하던 라부아지에는 플로지스톤 없이도 이 과정을 설명할 수 있음을 깨닫습니다. 연소를 돕는 특정 공기가 있고, 금속을 가열하면 이 공기가 금속에 결합하고, 재(금속회)를 가열하면 이 순수한 공기가 다시 빠져나온다고 본 것이죠.
라부아지에는 이를 바탕으로 1783년 <플로지스톤에 대한 재고>를 발표하고 새로운 이론을 세웁니다. 이 새로운 이론을 알리기 위해 1789년 자신의 이론을 담은 화학 교과서 <화학원론>과 새로운 화학을 위한 학술잡지 <화학연보>를 출판합니다. 결국 플로지스톤 이론은 지지를 잃고 사라지게 되죠. 이 과정을 화학 혁명이라고 합니다.
Fig.4 원소 발견의 시대
Figure.8 (왼쪽) 라부아지에의 원소 분류표, (오른쪽) 베르셀리우스의 원자량표
과학기술이 발전하면서 새로운 원소들이 계속해서 발견됩니다. 19세기 초에는 전기분해 기술이 등장하면서 셀레늄, 토륨, 지르코늄, 타이타늄, 바륨, 칼슘, 스트론튬, 마그네슘 등이 발견되었고요. 분광법과 방사선을 통해 폴로늄, 라듐, 악티늄, 프로탁티늄, 하프늄, 레늄 등이 발견되었죠.
발견되는 원소가 많아지면서 화학자들은 분류를 시도하게 됩니다. 그 시작도 1789년 라부아지에였죠. 그는 33종의 원소들을 기체, 금속, 비금속, 토류로 분류했습니다. 1826년 베르셀리우스Jöns Jakob Berzelius 는 49종의 원소를 원자량표로 만들었죠. 그리고 이제 원소의 성질 분류와 원자량표를 합친 주기율표가 등장하게 됩니다.
Fig.5 원소도 꿰어야 주기율표
Figure.9 샹쿠르투아스의 주기율표, 표 가운데 텔루륨이 있어 텔루륨 나선이라고 불린다
성질 분류에 따른 표, 그러니까 주기율표의 첫 등장은 1862년 샹쿠르투아스Alexandre-Emile Béguyer de Chancourtois 에 의해서입니다. 그는 원소를 원자량 순서로 나열하고 이를 원통으로 만들면 되베라이너Johann Wolfgang Döbereiner 의 3원소에 속하는 원소들이 같은 위치에 놓인다는 것을 발견한 것이었죠.
되베라이너의 3원소란 물리적 특성이 유사하게 관련되어 있는 세 개의 원소 그룹이 있으며, 그 중심 원소 원자량은 나머지 두 원소 원자량의 평균값을 가진다는 것입니다. 예를 들어 리튬, 소듐, 포타슘은 알칼리 형성 원소 그룹인데 소듐의 원자량(23.0)은 리튬(7.0)과 포타슘 원자량(39.0)의 평균값이라는 것이죠.
Figure.10 뉴랜즈의 주기율표. 뉴랜즈는 멘델레예프와 아이디어를 주고 받았다고 한다
존 뉴랜즈John Newlands 는 원자량의 순서로 배열한 주기율표를 제안합니다. 그는 1865년에 당시 알려져 있던 62개의 원소를 원자량 순서로 나열하되 여덟 번째 원소마다 비슷한 성질을 가진다는 ‘옥타브 법칙’을 발표했습니다. 이는 오늘날의 주기율표와 유사한 것이죠. 그러나 당시 학계 사람들은 말도 안 된다며 조롱했고 뉴랜즈는 화학계를 떠납니다.
Figure.11 멘델레예프의 개정된 주기율표. ?표시는 당시 발견되지 않은 원소
오늘날의 주기율표는 1868년 멘델레예프Dmitry Ivanovich Mendeleyev 가 고안해 냅니다. 당시에는 모두 63종의 원소가 알려져 있었는데, 이들을 원자량의 순서로 배열할 때 주기적 성질이 있음을 발견하고 <원소 원자량과 그 성질 사이의 관계>라는 제목으로 발표했죠. 1871년에는 앞서 발표했던 주기율표를 수정하여 <원소들의 자연적 체계>라는 논문으로 발표했습니다. 여기에서 알루미늄, 실리콘, 보론 아래에 빈칸을 두어 아직 발견되지 않은 원소가 채워질 것이라고 예상하고 각각의 원자량을 예측했죠. 각각 1875년 갈륨, 1879년 스칸듐, 1886년 게르마늄이 멘델레예프가 예상한 원자량으로 발견되면서 이 주기율표의 위상이 높아졌습니다. 오늘날에도 멘델레예프의 주기율표에 따라 새로운 원소를 예측하며 발견하고 있죠.
Fig.6 중요한 건 원자량이 아니라 전하량이야
멘델레예프는 원소의 주기적 성질이 무엇때문에 나타나는 지는 알지 못했는데, 이는 1913년 모즐리Henry Gwyn Jeffreys Moseley 가 밝혀냅니다.
모즐리는 전자빔을 원소에 쏘아서 나오는 X선 스펙트럼을 연구했습니다. 연구 결과 X선 스펙트럼의 파장이 원자핵 전하와 비례한다는 것을 밝혀내죠. 이로서 주기율표의 기준은 원자량이 아닌 원자핵의 (+) 전하량으로 해야 한다는 것이죠. 원자번호로 주기율표를 재구성하자 모즐리는 원자번호 43번, 61번, 72번, 75번이 비어 있다는 것을 알게되고, 이들은 1923년 72번 하프늄, 1925년 75번 레늄, 1937년 43번 테크네튬, 1945년 61번 프로메튬으로 발견됩니다.
모즐리의 X선 실험으로 원소의 원자번호를 쉽게 결정할 수 있었는데요. 희토류의 전문가 조르주 위르뱅Georges Urbain 은 네 종류의 희토류 원소가 섞여 있는 시료를 모즐리에게 가져다주었는데, 자기가 몇 년을 고생해서 연구했던 결과를 모즐리가 불과 몇 시간 만에 분석해내서 놀라기도 했죠.
현대 주기율표를 완성시킨 모즐리는 1차 세계대전이 발발하자 자원해서 입대했고, 1915년 갈리폴리에 투입되어 전사하고 맙니다.
Fig.7 연금술(물리)
지구에 자연 상태로 존재하는 원소의 발견은 1939년 프랑슘의 발견이 마지막으로 총 92종의 자연 원소가 있습니다. 그 이후부터는 원소를 입자를 빛의 속도에 가깝게 쏘아 서로 충돌시키는 입자가속기를 통해 만들어낸 인공원소들이죠. 최초의 인공원소는 테크네튬으로 1937년 만들어졌습니다. 1944년 아메리슘과 퀴륨, 이후 멘델레븀, 뢴트게늄 등이 만들어지며 주기율표에는 총 118개의 원소가 기록되어 있습니다.
인공원소들이 자연 상태에서 관찰되지 않는 이유는 반감기가 짧기 때문입니다. 뢴트게늄은 반감기가 10여 분이고, 118번 오가네손은 단 0.00069초, 테네신은 0.00051초 마다 절반씩 사라지죠. 이렇게 순식간에 사라지는 인공원소를 만드는 이유는 우주에 존재하는 물질의 구조와 기원을 이해하는데 도움이 되기 때문입니다. 또한 인공원소인 테크네튬은 방사성 영상 진단 기술에, 아메리슘은 화재 경보기에 쓰이며 실생활에 도움이 되기도 합니다.
여기까지 내용을 요약해보자면,
0. 화학의 역사는 목적에 따라 ① 물질은 무엇으로 이루어져 있을까? ② 원소는 어떻게 결합할까? ③ 원소는 어떤 구조로 결합할까? ④ 원자는 어떻게 생겼을까? ⑤ 새로운 물질을 만들자! 로 나뉠 수 있습니다.
1. 물질은 무엇으로 이루어져 있을까?에 대한 답으로 고대 사람들은 물질은 물(1원소설) 혹은 물, 불, 흙, 공기(4원소설) 혹은 물과 공기(2원소설) 등으로 구성되어 있다고 생각했습니다.
2. 로버트 보일은 1~4개의 원소로만 물질이 이루어졌다는 고대의 원소설을 부정하고, 현대적인 원소 개념을 기반으로한 학문으로써 화학을 정립합니다.
3. 18세기에는 특히 기체 원소들의 발명이 두드러졌는데, 당시 정설로 받아들여지고 있던 플로지스톤 이론에 따라 각 원소들이 정의되고 명명되었습니다.
4. 하지만 라부아지에가 플로지스톤 이론을 무너트리면서 기체 원소들은 새롭게 정의되고 명명되었죠.
5. 새로운 원소들이 계속해서 발견되면서 원소들을 분류하는 시도가 이어지는데요. 원자량 순서로 나열하면서 되베라이너의 3원소, 옥타브 규칙 등 새로운 규칙이 발견되고, 마침내 1871년 멘델레예프에 의해 오늘날의 주기율표가 완성됩니다. 이를 통해 아직 발견되지 않은 원소들도 예측할 수 있게 되었습니다.
6. 오늘날에는 입자가속기를 이용해 원소를 인공적으로 만들어내는데요. 그렇게 해서 발견된 원소는 총 118개이죠.
Reference.
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장홍제. (2021). 화학연대기. EBSBOOKS
572페이지의 두꺼운 분량을 가지고 있어 처음에는 선뜻 손이 안갔던 책이었는데요. 나중에는 이 책을 중심으로 뉴스레터를 작성했습니다. 그 만큼 화학사에 대해서는 정말 모든 것을 다루고 있고, 과학자에 대한 TMI들도 많이 나와서 재밌어요. 앞으로 다른 과학사 준비할 때도 많이 참고하게 될 것 같습니다.
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윌리엄 H. 브록. (2017). 화학의 역사. 교유서가
교유서가 첫단추 시리즈의 과학철학을 좋게 읽었던 터라 기대했지만, 번역투 때문에 읽기 힘들었습니다. 참고하긴 했지만 처음 화학사를 접하는 사람에게는 추천하지는 않습니다.
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장하석. (2017). 과학, 철학을 만나다. 지식플러스
과학철학에 이어 또 다시 참고한 책입니다. 전에도 말씀드렸다시피 쉬운 문체와 풍부한 사례를 들어 쉽게 읽힙니다. 내용도 가볍지 않고요. 화학 혁명에 대한 내용도 이곳에서 많이 참고했습니다. 제 뉴스레터에서는 다루지 않았지만 '물이 과연 100도에서 끓는가?'에 대한 내용도 추천합니다
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장홍제. (2022). [제257호 과학학술: 8주기 원소를 찾아서] 새로운 도전, 8주기 인공원소. 경희대학교 대학원보. URL : https://khugnews.co.kr/?p=4775
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최정모.(2022~).[화학칼럼] 화학사 돌아보기. 화학세계.
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Nalnarioppa. 화학사. 네이버 블로그. URL : https://blog.naver.com/nalnarioppa/222013461003
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