세상은 어떤 물질로 만들어졌을까

세상은 어떤 물질로 만들어졌을까

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자료(資料)가 한정된 분량으로 역사를 서술(敍述)하는 과정에서는 불가피하게 내용이 축약(縮約)될 수밖에 없습니다. 늘 그래왔듯이, 특히나 인문학(人文學)에서는 제가 필요한 부분만 발췌(拔萃)해서 설명을 드릴 텐데요. 그럼에도 불구하고 내용(內容)이 너무 많아 부득불 요약(要約)해서 작성하렵니다.

과거에 배웠던 과학철학사(科學哲學史)에서 토마스 쿤의 패러다임 이론(理論)을 기억하시나요?. 쿤은 패러다임 전환의 사례로 천문학(天文學)에서 지구가 태양 주위를 돈다는 지동설(地動說)로의 변환과 같은 과학혁명뿐 아니라, 화학 분야(化學分野)에서도 새로운 물질들이 발견되는 등 획기적인 발전이 이루어진 것을 제시하고 있습니다.

그러나 여러분들도 아시다시피 따라서 화학의 역사에 대해 알아보도록 하겠습니다.

일반적으로 화학은 연구 분야에 따라 무기화학(無機化學), 유기화학(有機化學), 물리화학(物理化學), 분석화학(分析化學) 등으로 구분할 수 있습니다. 화학사(化學史)의 흐름을 파악할 때에는 다음과 같은 기준으로 분류(分類)하면 좀 더 쉽게 이해할 수 있을 것입니다.

1 물질의 구성 성분(成分)은 무엇일까?. 두 가지 원소(元素)가 만나면 어떤 일이 벌어질까? 3 원소들은 어떤 방식(方式)으로 결합하는 걸까? 4 원자의 모양은 어떨까? 새로운 물질(物質)을 만들어보자!.

물론 이런 식으로 나누다 보면 세부적인 사항(事項)들은 빠질 수밖에 없겠지만, 큰 틀에서의 변화는 파악할 수 있을 겁니다. 더 자세한 정보(情報)를 알고 싶다면 관련 서적이나 논문(論文)을 참고해주세요.

화학은 물질을 구성하는 성분이나 결합 방식(結合方式), 상태의 변화 등을 연구하는 학문입니다.

고대 그리스의 철학자(哲學者)들은 물질의 구성요소가 무엇인지에 대해 서로 다른 의견을 제시했습니다. 밀레투스의 탈레스는 물을, 그리고 데모크리토스는 원자를 만물의 근원으로 보았습니다. 특히 고대 그리스의 철학자 아리스토텔레스가 주장한 4원소 변환설(變換說)에 따르면 세상의 모든 물질은 물(水), 불(火), 흙(土), 공기(空氣)라는 네 가지 원소로 이루어져 있다고 합니다. 이 이론은 무려 2천 년 동안이나 사람들에게 널리 받아들여졌습니다.

아리스토텔레스는 세상 만물이 물, 불, 흙, 공기라는 네 가지 원소로 이루어져 있으며 이 원소들은 서로 변환될 수 있다고 주장했는데요. 이러한 그의 이론에 현혹된 연금술사(鍊金術師)들은 오랜 세월 동안 다양한 실험을 통해 값싼 금속을 금으로 바꾸려 했습니다. 16세기의 연금술사 파라켈수스는 만물이 물, 불, 공기, 흙이라는 네 가지 원소로 이루어졌다는 아리스토텔레스의 4원소설에 반대하여 모든 물질은 소금(鹽), 유황(硫黃), 수은(水銀) 등 세 가지 원소로 구성되어 있다고 주장했습니다. 참고로 파라켈수스의 원래 이름은 테오프라스트 폰 호헨하임으로, 그는 인공생명체(人工生命體)를 만드는 실험을 하기도 했습니다. 17세기의 연금술사였던 얀 밥티스타 판 헬몬트는 아리스토텔레스가 주장한 4원소 변환설과 엠페도클레스가 주장한 3원질 변환설을 모두 부정하고, 만물(萬物)은 스스로 움직이는 물과 다른 것에 의해 움직이는 공기로 이루어져 있다는 2원소설을 주장했습니다. 이는 실험을 통해서도 확인할 수 있는데요,.

5년이 지나자 버드나무의 무게는 45.4kg에서 74.4kg으로 증가했지만, 흙의 양은 고작 57g만 감소했습니다. 문헌(文獻)마다 제시하는 수치는 다르지만, 이로써 버드나무의 대부분은 물과 공기로 구성되어 있음을 알 수 있습니다.

로버트 보일은 1661년 발표한 '회의적 화학자(懷疑的化學者)'라는 책에서 화학과 연금술을 구분하고 아리스토텔레스의 4원소 변환설과 파라켈수스의 3원 변환설 등을 부정하며 여러 가지 원소가 일정한 비율로 결합하여 물질을 구성한다는 근대적인 원자(原子) 및 분자(分子) 개념을 확립하였습니다. 이렇게 해서 연금술이 쇠퇴하고, 새로운 원소들과 화합물(化合物)을 발견할 수 있는 길이 열리게 되었습니다. 보일은 자신을 화학자라고 불렀지만, 당시에는 여전히 연금술사들이 활동하고 있었습니다.

그중 연금술사 요한 베허는 1667년에 출간한 저서 <지하 세계의 물리학(地下世界物理學)>에서 흙을 연소성(燃燒性), 광택(光澤) 등 여러 기준으로 분류했습니다. 그중에서 불에 잘 타는 성질을 가진 흙을 플로지스톤이라고 불렀습니다. 베허의 제자인 게오르크 슈탈은 플로지스톤 이론을 정립(正立)했습니다. 나무는 겉보기에는 딱딱하고 차가워 보이지만, 일단 불이 붙으면 활활 타오르는 성질을 가지고 있습니다. 슈탈은 나무가 연소하는 이유를 나무속에 플로지스톤이 들어 있기 때문이라고 설명했습니다. 슈탈은 플로지스톤 이론에 입각하여 연소 현상뿐 아니라 금속(金屬)이나 산(酸), 알칼리(碱), 꽃(花)의 색깔과 향기, 화학반응성(化學反應性)과 합성 등도 설명했습니다. 이처럼 플로지스톤 이론은 당시의 여러 화학적 현상들을 잘 설명했기 때문에 오랫동안 사실로 여겨졌습니다.

1774년, 플로지스톤 이론을 지지했던 조셉 프리스틀리는 산소가 부족한 곳에서 철에 열을 가하면 산화철(酸化鐵)이 생성되는 것을 발견했습니다. 그래서 그 과정을 통해 얻은 기체를 '탈플로지스톤 공기' 또는 '산소(酸素)'라고 부르게 된 것입니다. 이와 달리, 헨리 캐번디시는 1766년 수소(水素)가 금속과 산이 반응할 때 발생한다는 사실을 알아냈습니다. 이렇게 모은 기체에 불을 붙이니 큰 소리와 함께 폭발했습니다. 캐번디시는 산이 금속을 플로지스톤과 산소로 분해(分解)시킨다고 생각했습니다. 다시 말해, 라부아지에는 자신이 발견한 산소라는 기체가 바로 플로지스톤이라고 생각했던 것입니다.

그러나 플로지스톤 이론은 여러 가지 문제점(問題點)을 가지고 있었습니다. 나무를 태우면 질량이 줄어드는 현상을 플로지스톤의 이동으로 설명할 수 있었지만, 금속에서는 그 반대가 되었습니다. 금속을 가열(加熱)하면 무게가 늘어나고, 타고 남은 재는 무게가 줄어듭니다. 플로지스톤 이론을 믿는 사람들 중에는 금속 안에 있는 플로지스톤이 빠져나가면서 금속이 가벼워지고 그 결과 금속 덩어리가 부풀어 오른다는 의견(意見)을 제시하는 사람들도 있었습니다. 하지만 그의 말은 전혀 근거가 없는 것이었습니다. 그래도 다행인 것은 프리스틀리의 주장입니다. 그는 금속이 연소하면서 플로지스톤을 잃어버리는 동시에 물과 결합해 무게가 늘어난다고 말했습니다.

라부아지에 역시도 과거의 학설(學說)인 플로지스톤설을 이용하여 해당 현상을 이해하려 하였습니다. 금속재는 공기 중의 산소를 포함하고 있는데, 이 재를 태우면 재가 가지고 있던 산소가 빠져나가면서 플로지스톤과 결합하여 연소 가스가 되는 것입니다. 한참을 고민하던 라부아지에는 플로지스톤의 도움 없이도 연소를 설명할 수 있다는 사실을 깨달았습니다. 연소를 촉진(促進)하는 특정 기체가 있는데, 금속을 가열하면 이 기체가 금속과 결합하여 금속회로 변하고, 이것을 다시 가열하면 원래의 기체로 환원(還元)된다고 생각했던 것입니다.

이 연구를 바탕으로 라부아지에는 1783년 '플로지스톤설의 오류'라는 논문을 발표하여 플로지스톤설을 반박하였습니다. 그는 이를 널리 알리기 위해 1789년에 자신의 이론을 담은 책인 <화학원론(化學原論)>과 잡지 <화학연보(化學年報)>를 발간했습니다. 결국 플로지스톤 이론은 더 이상 받아들여지지 않게 됩니다. 이러한 변화를 일컬어 화학혁명(化學革命)이라고 부릅니다.

과학 기술이 발달함에 따라 새롭게 발견되는 원소가 늘어나고 있습니다. 19세기 초에 전기분해 기술(電氣分解技術)이 개발되면서 셀레늄(硒), 토륨(钍), 지르코늄(锆), 타이타늄(钛), 바륨(钡), 칼슘(钙), 스트론튬(锶), 마그네슘(镁) 등의 원소가 새로 발견되었습니다. 이런 원소들은 분광법(分光法)과 방사선(放射線)을 이용하여 처음으로 발견되었습니다. 발견되는 원소의 수가 늘어나면서 화학자들은 원소들을 체계적으로 분류하기 시작했습니다. 그리고 프랑스 혁명이 일어난 해인 1789년, 화학자 앙투안 로랑 라부아지에가 새로운 원소인 산소를 발견했습니다. 그는 33가지 종류의 원소들을 기체(氣體), 금속, 비금속, 그리고 토양으로 분류했습니다. 1826년 요한 야코프 베르셀리우스는 49가지 원소들의 원자량(原子量)을 표로 정리했습니다. 그리고 이제는 원소의 성질에 따라 배열하고, 각 원소의 원자량을 표시한 주기율표(週期律表)가 사용되고 있습니다. 오늘 이만하고 후에 시간을 짜내 다시 돌아오겠습니다. 감사합니다!