101개 단어로 배우자!

푸른들녘 101 시리즈는
각 전문가가 분야별로 엄선한 101개 키워드로 문해력을 키우고,
청소년에게 꼭 필요한 지식과 정보를 제공합니다.

학교 공부와 교양은 별개의 장에 놓여 있는 것이 아닙니다.
과거와 현재, 나와 세상을 잇는 101개의 생생한 키워드로
교과 연계, 핵심 개념 이해, 논술 준비까지!
『101』이 함께합니다.

세상의 모든 화학을
101개 키워드로 설명한다!

인간을 포함한 물질과 우주는 화학에서 시작한다는데, 눈에 보이지 않는 원소며 원자, 핵 그리고 우주를 구성하는 모든 물질의 기본 재료가 된다는 수소와 헬륨이 나와 대체 무슨 상관일까? 수소는 우주에서 가장 흔한 원소로, 산소와 함께 생명에 없어서는 안 될 물을 구성하는 원자다. 수소에 이어 헬륨은 두 번째로 흔한 원소지만 지구에서는 희귀하다. 헬륨은 땅속 갈라진 틈이나 모래 틈에서 서서히 빠져나와 지금도 다른 기체들과 섞여 운동하면서 대기를 구성하고 있다. 이런 것들을 다 외워야 할까? 아니다. 화학은 암기과목이 아니라 이해해야 하는 분야다. ‘암기과목이 아니라니, 주기율표와 각종 화학식, 분자식, 원소기호를 달달 외우면 되는 과목 아닌가?’ 하고 갸우뚱해졌다면 주목하자. 인간은 전적으로 화학적인 존재다. 우리는 매 순간 화학과 소통하고 있다. 주기율표를 열심히 외워봐도 산화-환원 반응이 무엇인지 모르겠고, 여전히 화학이 낯설고 어렵다면 조금만 생각을 바꾸어보자. 아침에 눈을 뜨고 감을 때까지 우리는 화학과 함께한다. 씻을 때 비누가 때를 씻어내는 데에는 기름때를 잡아당기는 계면활성제의 반응이 작용한다. 음식에서 맛있는 냄새가 나는 이유, 맛이 느껴지게 하는 것, 시원하게 마시는 탄산 음료 한 잔에도 화학 반응이 숨어 있다. 자동차에 쓰이는 연료와 전자기기를 사용하기 위해 쓰이는 전지는 물론, 자는 동안에도 우리는 호흡하는 과정에서 산소를 마시고 이산화탄소를 내뿜는다. 어느 하나 화학 반응과 연결되지 않는 것이 없다. 문제집 속 화학, 주기율표 암기를 넘어서 원리를 이해하면 화학식과 분자식은 더는 외워야 할 것이 아니라 깨닫고 소화할 수 있는 친구가 된다.

술술술 재미있게 읽다 보면
착착착 쌓여가는 화학 지식

우리를 둘러싼 모든 물질이 가진 화학의 비밀을 안내하기 위해 국제 화학 올림피아드 운영위원, 과학 앰배서더, 대한화학회 이사를 역임한 정규성 교수가 나섰다. 물리화학 박사이자 교육 현장에서 학생들과 활발하게 만나고 있는 저자는 별의 탄생부터 일상의 화학, 미래를 위해 알아두어야 할 화학 지식까지 갈릴레이 이후 인류가 이룬 성과에서 화학이 물질 과학에 영향을 미친 중요도에 따라 101개 키워드를 꼽았다. 정규성 교수와 함께 101개 키워드를 따라가면 어느새 향기를 맡으면 에스터를 떠올리고, 손을 씻으며 친수기를 생각하고, 자고 일어나면 밤새 내뿜은 이산화탄소를 내보내기 위해 환기하며, 얼음이 부풀 것을 감안하여 물을 적게 얼리는 자신을 발견할 것이다.

외우기 위해 애쓰는 대신, 『101 화학』을 만나면 세상을 바라보는 지식의 한계를 뛰어넘을 수 있다. 과학 기술 발전을 이용하고 활용하는 책임은 인간에게 있음을 깨닫고, 환경오염을 이야기할 때 내연기관과 석탄을 탓하지 않고 탄소 감축을 위해 인류가 해야 할 노력을 고민하며, 석탄 또한 지구가 우리에게 준 귀중한 선물임을 알 수 있을 것이다.

과학 기술 개발에는 늘 양면성이 따르며, 인간의 모든 에너지 소비는 필연적으로 환경파괴를 수반한다. 우리는 화학 지식을 응용해 지구를 보호하며 개인의 삶을 더 윤택하고 지혜롭게 하는 기적을 만드는 사람이 될 수 있다. 더욱이 생각해볼 거리를 던져주는 재치 있는 일러스트들은 화학으로 가는 문턱을 낮추는 데 도움을 준다.

책 속에서

현대과학에 의하면 우주는 100여 종의 원자가 물질의 바탕을 이루고 있어요. 이 중에서 수소와 헬륨처럼 가벼운 원자들은 우주가 탄생하던 대폭발big bang 초기에 만들어졌고, 일부는 별이 진화하면서 별 내부에서 만들어집니다. 또 금이나 은처럼 무거운 원소들은 초신성이 폭발하는 과정에서 생성되기도 하고요. 우리들의 몸을 이루고 있는 다양한 원소들의 역사도 마찬가지입니다. 그래서 어떤 학자는 “우리는 모두 과거에 별이었으며 별에서 온 존재다.”라고 말합니다. 이 말은 우리의 몸 자체가 우주의 역사를 고스란히 품고 있다는 의미예요. 더는 쪼개지지 않는다는 의미로 이름 지어진 원자였지만, 현대과학은 원자를 더 작은 알맹이로 자를 수 있다는 사실을 알아냈어요. 원자는 핵과 전자로 이루어졌으며, 원자핵은 양성자와 중성자로 또 이들은 소립자라고 부르는 더 작은 입자로 이루어져 있다는 사실은 이제 크게 놀랄 일도 아니지요. 그리고 지금 이 순간에도 더 작은 알맹이인 기본 입자elementary particle의 본질을 탐구하고자 하는 우리 인류의 연구는 계속되고 있어요.
_“003 | 원자 | 현대과학의 바탕이 된 불멸의 아톰” 중에서

축구 선수들의 포지션을 그라운드에 표시해놓고 보면 마치 골키퍼를 기점으로 바깥쪽으로 겹겹이 껍질처럼 둘러싸고 있는 것 같습니다. 원자 내에 있는 전자들도 마찬가지예요. 이들에게도 각각 맡은 영역이 있습니다. 원자핵을 중심으로 전자들의 고유영역을 표시해놓고 보면 마치 껍질 같은 구조로 보이거든요. 물론 이 껍질이 양파나 호두처럼 항상 둥근 모양은 아니고 완전히 경계가 나누어진 것도 아니에요. 하지만 확률적으로 전자들이 자주 출몰하는 지역을 살펴보면 분명 껍질과 같은 형태를 가지고 있어요. 축구 선수들의 포지션은 선수 각자의 기량에 따라 정해집니다. 마찬가지로 원자 내에 있는 전자의 위치를 결정하는 것은 그 전자가 갖고 있는 에너지예요. 전자가 가진 에너지가 낮을수록(안정할수록) 안쪽에 위치할 확률이 높고, 반대로 에너지가 높
을수록(불안정할수록) 바깥쪽에 위치할 확률이 높아요.
이제 다시 원점으로 돌아가보죠. 화학은 전자의 이동을 연구하는 학문이라고 했어요. 그렇다면 전자들은 각기 포지션에 따라 상대적으로 더 잘 이동하는 것도 있고 그렇지 못한 것도 있을 거예요. 원자 내의 전자들은 껍질구조로 되어 있는데 그중에서 가장 바깥에 위치한 껍질에 있는 전자들은 에너지가 높아서(불안정) 쉽게 위치를 이탈할 수 있답니다. 반면 안쪽에 있는 전자들은 여간한 외부 충격에도 잘 견디며 쉽게 위치를 이탈하지 않아요. 화학에서는 가장 바깥쪽 껍질에 있는 전자를 최외각 전자valence electron, 또는 ‘원자가 전자’라고 부른답니다. 반대로 안쪽 껍질에 있는 전자를 내부 전자core electron라고 부릅니다.
_“015 | 전자 구조 | 에너지에 따라 결정되는 전자의 포지션” 중에서

우리는 혼자가 되면 누군가를 그리워하고, 또 어떤 사람과 너무 가까워지면 적당히 거리를 두고 싶어 하는 마음이 생깁니다. 사람들의 마음에는 이른바 ‘사랑’과 ‘미움’이 공존하며 이것들은 사람 사이의 관계를 적절히 조절해주는 역할을 하지요. 물질 사이에도 이런 작용이 있답니다. 물론 사람과 같은 사랑과 미움의 감정은 아니겠지만, 그 작용은 유사하다고 말할 수 있어요. 화학에서는 이런 알맹이들의 상호작용이 때로는 화학 결합이라는 현상으로 나타납니다.
세상의 모든 물질은 원자라는 알맹이로 이루어졌다고 했지요. 또 원자는 그 안에 핵과 전자라는 더 작은 알맹이들을 가지고 있고요. 핵은 양전하를, 전자는 음전하를 띠고 있어 그 둘 사이에는 서로 잡아당기는 힘(정전기적 인력)이 존재합니다. 그래서 원자가 안정한 상태를 유지하도록 균형을 유지해주지요. 여러 개의 전자를 가진 원자에서는 핵의 양전하를 모든 전자가 균일하게 느끼기 어려워요. 아무래도 핵에 가까이 있는 전자가 멀리 있는 것보다는 핵과의 관계(정전기적 인력)를 더 잘 유지할 수 있고, 핵에서 멀리 떨어져 있는 전자는 앞쪽에 있는 전자들의 방해로 핵의 양전하를 제대로 느끼기 어렵죠. 이런 전자는 작은 충격에도 핵과의 관계가 끊어져서 쉽게 떨어져 나갈 수 있답니다. 이때 전자가 떨어져 나간 원자는 양전하를 띤 이온이 됩니다. 앞에서 살펴보았듯, 이것을 양이온이라고 불러요. 이와는 정반대로 어떤 원자는 전자를 받아들이기 쉬운 상태에 있어요. 전자를 받아들인 원자는 음전하를 띠게 되고, 우리는 이것을 음이온이라고 부릅니다. 여러분은 서로 반대의 전하를 띤 물체에는 서로 잡아당기는 성질이 있다는 것을 잘 알고 있을 것입니다. 그래서 양이온과 음이온은 서로 잡아당길 수 있답니다. 또 같은 전하를 띤 양이온과 양이온 혹은 음이온과 음이온끼리는 서로 밀어내려고 하는 힘이 생기고요.
_“025 | 화학 결합 | 알맹이들도 서로 사랑하고 미워해요” 중에서

‘간편함’을 만능으로 여기는 시대입니다. 우리 주변에서 가장 쉽게 볼 수 있는 금속 중 하나가 바로 알루미늄일 거예요. 알루미늄은 음료 캔에서부터 창틀용 재료 그리고 음식물의 포장에 이용되는 알루미늄 포일에 이르기까지 그 이용도가 정말 다양하지요. 그런데 이렇게 흔한 알루미늄이 조금만 옛날로 거슬러 올라가도 아주 구하기 어려운 귀한 금속이었다는 것을 알고 있나요? 알루미늄은 지각을 이루는 원소 중에서 산소와 규소에 이어 세 번째로 풍부한 원소예요. 전체 지각 질량의 약 8.2%를 차지한다고 알려져 있죠. 금속 원소 중에는 단연 첫 번째로 풍부한 물질이기도 해요. 지각에서 발견되는 알루미늄은 대개 보크사이트bauxite라고 불리는 알루미늄 산화물, 철 산화물, 실리카 등이 혼합된 형태로 존재해요. 사실 사람들에게 친숙한 금속인 금, 은, 구
리, 납, 철 등은 오랜 옛날부터 자연에서 원소 상태로 발견되었고 그것을 생활에 이용할 수 있었지만, 알루미늄은 그렇지 못했어요. 알루미늄 금속은 비교적 최근에야 우리에게 알려졌거든요. 1754년 독일 화학자 마르크그라프Marggraf는 백반(명반) 속에 금속산화물이 존재한다는 사실을 알아냈고, 1809년 영국의 데이비Davy가 이것을 처음으로 분리해내는 데 성공했어요. 알루미늄aluminum은 라틴어의 백반을 뜻하는 ‘almen’에서 유래된 말이에요. 그 후 수은에 녹아 있는 염화알루미늄을 환원하여 순수한 알루미늄을 얻는 방법이 발명됐지만, 이 방법으로 얻을 수 있는 알루미늄 양은 매우 적었어요. 그래서 19세기 중반까지만 해도 알루미늄은 가장 비싼 귀금속으로 분류되었고 아주 특별한 계층의 사람들만 소유할 수 있었답니다.
알루미늄의 은은하고 고급스러운 광채는 프랑스의 나폴레옹 황제를 매료시켰다고 하죠. 그는 특별한 손님을 접대할 때만 알루미늄으로 만든 식기를 썼다고 해요.
_“043 | 알루미늄 | 우리 일상에 늘 함께하는 금속” 중에서

삼투압osmotic pressure은 우리가 김치를 담글 때 배추를 절이는 과정에서 흔히 접하는 현상이지요. 쉽게 말하면, 야채에 소금을 뿌렸을 때 속에 있는 물이 밖으로 빠져나오는 현상이에요. 물은 염분 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 이동하는데 이때 발생하는 압력을 삼투압이라고 한답니다. 역삼투는 이와 정반대되는 현상이에요. 즉 삼투압과는 반대로 염분의 농도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 반투막semipermeable membrane을 거쳐 물이 이동하도록 외부에서 압력을 가해주는 것이죠. 최근에는 가정에서 사용하는 정수기에도 이런 역삼투 방법을 이용하기도 해요. 가정용 역삼투 정수기는 수돗물의 압력을 이용해 외부 압력을 만들어요. 따라서 정수기를 가동하기 위해 수돗물을 낭비하는 문제가 생깁니다만, 역삼투 방법은 깨끗한 물을 얻을 수 있는 효율적인 방법 중 하나예요. 다만 역삼투 현상의 핵심이 되는 반투막의 필터를 잘 관리해야 한다는 점을 잊으면 안 되겠지요?
우리나라는 풍부한 담수 자원을 가진 나라로 세계에서 손꼽힙니다. 하지만 수돗물을 불신하는 마음이 커서 상당수 가정에서는 정수기를 사용하거나 생수를 구입하여 마시지요. 지구상의 상당수 나라가 물 부족에 시달리며 안정된 식수의 보급마저 위협받고 있는 상황에서 우리가 무심코 흘려버리는 물, 하천이나 해양으로 무단 방류하는 각종 쓰레기 그리고 수많은 생활 플라스틱과 각종 화학제품이 우리의 지구를 오염시킵니다. 이에 따라 한 모금의 물마저도 안심하고 마실 수 없게 만들고 있어요. 이러한 식수의 불균형을 그대로 방치하면 머지않아 우리가 당연한 듯 누리는 평온한 삶의 균형이 깨질 수도 있어요.
_“043 | 알루미늄 | 우리 일상에 늘 함께하는 금속” 중에서

현재 전 세계에서 생산되는 석유의 양은 하루에 1억 배럴(1배럴=159리터) 정도예요. 일부는 각 국가가 전략적으로 저장하고 있으나 대부분은 소비됩니다. 정말 어마어마한 양이지요. 지난 35년간 인류가 소비한 석유의 양은 약 1조 배럴에 이를 것으로 추산되고요. 이변이 없는 한 석유 사용은 계속 증가할 것으로 예측됩니다. 또 한 가지 문제는 향후 우리가 사용할 수 있는 석유의 총량이 얼마인가 하는 것이지요. 연구자마다 예측치가 다르지만, 경제적 가치가 있는 석유의 매장량은 약 2~3조 배럴일 것으로 추산돼요. 하지만 경제성이 떨어지는 석유까지 고려하면 이보다 서너 배는 많을 것으로 추측됩니다. 석유의 소비 감소와 대체 에너지 개발에 적극적으로 나서지 않는다면, 인류는 최소 다음 세기에 석유 자원의 고갈을 맞이하게 될 확률이 높아요.
석유는 다른 행성이나 천체에서 지구로 날아온 자원이 아니에요. 지구라는 시스템이 오랜 시간에 걸쳐 스스로 만들어낸 것이지요. 석유 에너지의 근원은 사실 태양이에요. 수억 년 전 태양에너지로 광합성해서 번성했던 식물들과 그것을 먹고 자란 동물들의 유해가 오랜 시간 층층이 땅에 묻혀 만들어진 것이 석유입니다. 문제는 사람들이 그 오랜 시간 동안 만들어진 석유를 단지 수백 년 만에 모조리 소비해버렸다는 거예요. 더 심각한 사실은 우리가 모두 그 결말을 잘 알고 있으면서도 대안을 찾는 데 소홀하다는 점이고요. 지금 이 순간에도 어디에선가는 석유 자원의 고갈을 염려하고 환경파괴를 경고하는 목소리가 나오고 있지만, 석유 소비를 줄이려는 노력은 너무 미약해요. 과학을 공부하는 우리는 이 문제를 깊이 생각해야 해요.
_“052 | 석유 | 20세기를 주도한 에너지원” 중에서


읽다가 덮는 과학책, 외우기만 하는 과학책 대신 101개 키워드에 담긴 이야기를 호흡에 맞추어 따라가보자. 그러면 어느새 화학 지식이 이해되고, 과학을 알아가고 교양을 쌓아가는 자신을 만날 것이다. 책장을 덮고 난 이후에는 주기율표 너머의 새로운 화학을 볼 수 있으리라.