1장 화학은 어디서 왔고, 무엇을 탐구하는가? 2장 화학의 원리 첫 번째: 원자와 분자 3장 화학의 원리 두 번째: 에너지와 엔트로피 4장 화학 반응 5장 화학의 실험 기술들 6장 화학이 이룬 것들 7장 화학은 어디로 가는가?
용어 해설 옮긴이의 말 찾아보기
달인만이 할 수 있는 짧고 굵은 화학 특강
화학을 간결하고 분명하게 소개하는 일은 결코 쉽지 않다. 화학을 전공하는 대학생들에게 화학의 기본 원리와 법칙을 체계적이고 논리적으로 소개하는 교과서 집필의 달인이었던 앳킨스 교수가 선택한 방법은 독특하다. 화학을 전공하는 과학자들에게나 필요한 세부적인 설명은 과감하게 포기해 버린다는 것이다. 화학이라는 거대한 틀을 이해하기 위해 꼭 필요한 핵심만을 집중적으로 소개한다. 말처럼 쉬운 일이 아니다. 무엇이 중요하고, 무엇이 그렇지 않은지에 대한 확고한 소신이 있어야만 가능한 일이다. - 이덕환 / 서강 대학교 명예 교수
이 책은 화학이라는 매혹적이면서 지적이고 경제적으로도 매우 중요한 지식의 세계를 독자들에게 소개하기 위해 기획되었다. 여러분을 화학의 세계로 안내하고, 이 세계를 제대로 바라볼 수 있도록 돕는 것이 나의 역할이다. 이를 위해 나는 화학자들의 눈으로 본 세계를 독자들과 함께 여행할 것이다. 핵심 개념들을 같이 이해하면서, 화학이 인류의 문화와 복지에 어떻게 기여하고 있는지 보여 줄 것이다. 또한, 작은 돌멩이에서 생명체에 이르기까지 우리 주변의 모든 물질을 화학자들이 어떻게 바라보고 고민하는지 설명할 것이다. 화학자들이 피땀 흘려 쌓은 지식이 공기 중에서 모으거나 땅에서 파낸 물질들을 우리 생활에 쓸모 있게 변화시키는 과정에 어떻게 쓰이는지 구체적으로 살펴볼 것이다. (/ 본문 중에서)
모두 7개의 장으로 구성되어 있는 이 책은 다음과 같은 주제들을 다룬다.
● 화학은 어디서 왔는가? ● 화학은 무엇을 탐구하는가? ● 화학의 기본 원리는 무엇인가? ● 화학 반응이란 무엇인가? ● 화학자들은 어떻게 연구하는가? ● 화학은 세상을 어떻게 바꿨는가? ● 화학자들은 무슨 일을 하는 사람들인가? ● 미래의 화학의 어떤 모습일까?
화학의 기원에서부터 원리와 미래까지 포괄하는 것이다. 각장의 내용을 소개하면 다음과 같다.
1장 화학은 어디서 왔고, 무엇을 탐구하는가? 이 장에서는 화학의 기원이 된 중세의 연금술을 먼저 둘러본다. 이후에 현대 화학의 중요한 요소인 원자에 관해 좀 더 자세히 살펴본다. 과학 지식이 축적되면서, 화학은 여러 분야로 분화되었는데, 물리 화학, 무기 화학, 그리고 유기 화학 등이 대표적이다. 각 분과가 어떤 주제를 연구하는지 개괄한다. 또한 화학은 물리학 및 생물학과 연관성이 깊은데, 화학의 기초 지식들은 물리학의 도움을 받았고, 이후에 생물학의 발전에 많은 기여를 했다. 이 관계도 상세하게 다룬다.
주요 개념: #화학의 기원 #연금술과 화학의 관계 #수학과 화학의 관계 #물리학 및 수학과 화학의 관계 #원자 #양자 역학 #유기 화학 #물리 화학 #무기 화학 #분석 화학 #생화학 #공업 화학 #녹색 화학 #분자 생물학
본문에서: 화학의 핵심 주제는 하나의 물질이 (형태와 속성이) 다른 물질로 변화하는 과정인데, 원자는 그 자체로는 변화하지 않는다. 따라서 물질이 변한다는 것은 기초 재료인 원자들이 변화하는 것이 아니라 서로 결합되어 있던 원자들이 그 짝을 바꾼다는 뜻이 된다. 화학자는 이런 원자들의 만남과 이별을 연구하는 일종의 커플 매니저이다.
화학은 물리학자들이 제공하는 훌륭한 지식을 바탕으로 본연의 임무인 물질의 변환, 즉 분자들 사이에 일어나는 반응을 연구하는 일에 몰두하고 있다.
우리는 생명 현상을 탐구하고 물건을 만들고 건물을 짓는다. 이를 위해 땅속에서 광물을 채굴하고 유용한 액체(석유 등)를 길어 올린다. 때때로 공중에서 기체를 포집해 우리가 원하는 유용한 물질로 변환시킨다. 변환 과정은 다양하다. 우리는 원료들을 거푸집에 들이부어 형상을 만들기도 하고, 망치로 두들기거나 풀로 붙인다. 어떤 경우에는 단순히 불에 태우기도 한다. 모두 분자의 구조와 반응에 관계된 일이어서 화학의 영역이다. 실제로 이런 행위가 벌어지는 공장에서 화학자를 찾아보기는 어려울지 모르지만, 이런 행위의 근간에는 화학자들이 발전시킨 지식 체계와 정보가 큰 역할을 하고 있다. 모두 현대의 기술 혁신 및 산업 발전과 깊은 관련이 있다. 이렇게 보면, 화학은 산업과 경제에 막대한 영향력을 가지고 있으며, 거의 모든 지점에서 상호 작용하고 있다는 것을 알 수 있다.
2장 화학의 원리 첫 번째: 원자와 분자 이 장에서는 화학의 기본 개념 중에서 원자에 대해 살펴본다. 원자들이 서로 결합해 분자를 만드는 방식은 화학자들에게 있어 최대 호기심거리이다. 이 장에서는 주기율표의 구조를 설명하고, 주기율표에 담겨 있는 기본적인 지식을 이용해 118가지 원소의 무수히 많은 조합으로 만들어지는 화학 반응과 화학 결합의 메커니즘과 구조를 어떻게 풀 수 있는지 알아본다.
주요 개념: #주기율표 #원자핵 #전자 #양성자 #전자 #원자 번호 #전자의 배치 방식 #화학 결합 #이온 결합 #공유 결합 #금속 결합
본문에서: 그렇다면 주기율표에서 어떤 정보를 얻을 수 있기에 이렇게 중요하게 취급될까? 이 표는 원소들과 그 원자들의 구조적인 속성에 대해 매우 의미 있는 정보를 전해 준다. 하나의 표에 불과하지만, 매우 많은 정보를 내포하고 있어서 화학 교과 과정에서도 많은 시간을 할애해 설명한다. 사실, 이렇게 정리된 표가 아니라면, 100가지가 넘는 원자들과 그들의 속성에 대해 어떻게 학습할 수 있을까? 어떤 원자가 표의 어느 부분에 있는지만 봐도 그 속성을 어느 정도 파악할 수 있으니 그 유용함은 이루 말할 수 없다. 주기율표를 정리한 멘델레예프도 화학 교과서를 집필하면서 이 표를 생각해 냈다고 하니, 출발부터 학생들을 고려한 것이라 하겠다.
이 지식을 가지고 다음 장들을 헤치고 나아가다 보면, 화학자들의 탐구 방식과 매우 유사하게 생각하는 자신을 발견하게 될 것이다. 예를 들어, 어떤 결합은 쉽게 만들어질 것 같고, 어떤 결합은 만들어지기 어려울 것이라는 예상도 가능해진다. 이런 모든 정보의 보고가 바로 주기율표이다. 책장 사이나 과학실 벽에서 혹시 주기율표를 본다면, 이 단순한 표가 얼마나 위대한지 음미하면서 의미심장한 눈짓을 하게 되기 바란다.
3장 화학의 원리 두 번째: 에너지와 엔트로피 에너지가 없다면 화학에서는 아무런 일도 일어나지 않을 것이다. 이 장에서는 에너지의 역할과 화학 변화의 엔진이 되는 엔트로피의 개념을 살펴보면서 화학 반응을 질적 측면에서, 그리고 양적 측면에서 입체적으로 설명한다. 물리학에서 파생된 열역학이 화학에서 어떻게 활용되어 열화학으로 발전했는지도 이해할 수 있다.
주요 개념: #에너지 #엔트로피 #열역학 #에너지 보존 법칙 #엔트로피의 법칙 #열화학 #흡열 반응 #발열 반응 #반응 속도 #반응 메커니즘 #활성화 에너지 #촉매 #평형
본문에서: 원자는 화학이라는 세계를 관통하는 큰 물줄기 중 하나이다. 그리고 우리는 또 다른 큰 물줄기를 탐사하기 위한 여정을 시작할 텐데, 그 이름은 의외로 평범한 에너지이다. 화학 반응이 왜 일어나고 어떻게 진행되는지, 그리고 화학 결합은 왜 여러 방식으로 진행되는지, 화학자들은 이런 의문에 대한 대답이 에너지에 있다고 믿는다.
화학 결합의 측면에서 반응 전의 물질들은 새로운 짝을 찾아 결합을 이루면서 가지고 있던 에너지 일부를 주위에 내놓는다. 그래서 반응 후의 화합물은 에너지 수준이 반응 전보다 낮아지는 게 일반적이다. 이런 과정에서도 에너지의 총량은 변하지 않고, 계는 더 무질서해질 뿐이다. 마치, 물건을 살 때, 지갑에 잘 정리돼 있던 돈을 꺼내 가게 주인에게 건네는 경우와 비슷하다. 돈이 다른 사람에게 옮겨 간 것일 뿐 돈의 총액은 변하지 않는다. 돈은 주변으로 흩어지게 되어 더 자유롭게 퍼져 나간다. 이것이 경제를 돌아가게 만든다.
지금까지 에너지와 반응의 관계, 다시 말해 에너지가 반응이라는 말을 이끄는 채찍이 되기도 하고, 당근이 되기도 하는 것을 살펴보았다. 가만히 두면 무질서한-엔트로피가 증가하는-상태가 되기를 원하는 자연 환경에서 이를 가능하게 해 주는 에너지는 좋은 당근 역할을 한다. 반면, 원하는 상태가 되기 위해 넘어야 할 언덕이 있는데, 에너지는 채찍이 되어 이 언덕을 넘게 해 준다.
4장 화학 반응 화학의 핵심은 원자들의 조합이 다른 조합으로 전환되는 과정이다. 이 장에서는 이 전환의 과정, 즉 화학 반응에 대해 집중적으로 살펴본다. 기본적인 반응은 산-염기 반응, 산화-환원 반응, 라디칼 반응, 루이스 산-염기 반응, 네 가지로 나누어 볼 수 있다. 종류는 여럿이지만, 각각은 크게 복잡하지 않다. 이 장에서는 기본적인 지식과 이를 밝혀내기 위한 화학자들의 노력 등에 대해 살펴보려 한다. 2019년 노벨 화학상을 받은 리튬 이온 배터리 연구의 핵심은 산화-환원 반응이다.
주요 개념: #산-염기 반응 #산화-환원 반응 #라디칼 반응 #루이스 산-염기 반응 #치환 반응 #중합
본문에서: 주방에서 요리할 때에도 화학 반응을 관찰할 수 있고, 지금도 우리 몸 안에서는 무수히 많은 화학 반응이 일어나고 있다. 우리는 화학 반응과 함께 사는 것이다. 따라서 이런 지식은 오랫동안 축적되어 왔는데, 여기서는 한 가지 중요한 질문을 가지고 이야기를 풀어 가고자 한다. ‘화학 반응이란 정확히 무엇일까?’ 다르게 표현하자면, ‘화학자들이 용액을 흔들고 젓고 끓이고 다른 용액을 부으면서 하는 신비로운 행동들은 무엇을 위한 것인가?’
우리 주변의 원자들은 제법 교활해서 약간의 이익만 있어도 쉽게 짝을 갈아치운다. 이런 교환 과정 전의 물질들을 반응물이라 부르고, 교환 과정 후에 새롭게 만들어진 물질들을 생성물이라고 한다. 생성물과 반응물은 원자들의 조합이 바뀐 것뿐이어서 새롭게 생겨나거나 없어진 원자는 있을 수 없다. 따라서 반응물과 생성물의 알짜 질량은 같다는 질량 보존의 법칙이 성립하게 된다.
연소나 폭발 등은 작은 불꽃으로 인해 순식간에 일어나기도 하지만, 그물처럼 얽혀 있는 복잡한 의약품들은 대부분 엄청난 노력과 정교한 계획, 높은 수준의 지식, 그리고 무엇보다 적당한 운이 있어야만 만들어 낼 수 있다. 하나의 생성물을 위해 일생을 바치는 경우도 비일비재하다.
5장 화학의 실험 기술들 반응을 이해하고, 새로운 분자를 합성하기 위해서는 다양한 종류의 기술과 장비가 필요하다. 특히, 분석 화학 실험실에서 기존의 분석 방법을 발전시키고 새로운 기술을 개발하는 일에 큰 노력을 기울이고 있다. 이 장에서는 화학자들이 사용하는 여러 실험 및 분석 기술들을 살펴본다.
주요 개념: #적정 #여과 #크로마토그래피 #분광학 #원자 분광학 #핵 자기 공명 #NMR #MRI #질량 분석법 #엑스선 회절법 #주사 터널링 현미경 #원자 힘 현미경 #STM #AFM #판데르발스 힘 #계산 화학 #조합적 화학
6장 화학이 이룬 것들 이 장에서는 지금까지 살펴본 화학의 주요 개념과 원리가 어떻게 우리의 생활에 기여하는지 살펴본다. 의약품, 농약 및 비료, 교통 수단, 무기 같은 유용한 물질을 개발하고 활용하는 데 한 화학의 기여를 훑어보게 될 것이다. 이를 통해 독자들은 화학이 어떻게 세상을 다채롭게 하고, 인류의 질병을 치료해 수명을 연장하게 하고, 삶에 기반이 되는 물질들을 만들어 내는지 이해하게 될 것이다.
주요 개념: #역삼투압 #유전 공학 #질소 포집 #암모니아 상업 생산 #인산칼슘 #지속 가능성 #화석 연료 #태양 전지 #전기 화학 #연료 전지 #수소 전지 #석유 화학 #핵발전 #플라스틱 #재료 혁명 #광섬유 #양자 컴퓨터 #분자 컴퓨터 #유전체학 #단백질체학 #화학 무기 #녹색 화학 #화학의 책임
화학이 없었다면, 우리는 석기 시대를 못 벗어났을 것이다. 현재 우리의 일상을 편안하고 윤택하게 하는 유용한 물질들은 모두 화학이 쌓아 올린 지식을 기반으로 해서 발전되었다.
최대한 폭넓게 바라본다면, 화학자들은 물질에 대한 이해를 바탕으로 한 물질이 다른 물질로 변환되는 과정을 탐구하고 있다. 그들은 원유나 광석과 같은 천연 자원을 원료로 바꾸어 쓸 수 있음을 밝혀냈고, 화석 연료와 철과 같은 물질을 생산했다. 기체를 끌어모으는 법과 공기 중에서 질소를 분리해 비료로 만드는 법을 알아냈다. 그들은 또 섬유로 쓸 수 있는 새로운 물질들을 생산해 냈고, 첨단 기술에 필요한 핵심 원료들을 공급하는 데 성공했다. 모두 화학자들의 공헌이었다.
인류의 기원 이래 다음 네 가지 물질에 대한 중요성은 끊임없이 강조되어 왔다. 이 물질들을 가지고 화학이 이루어 온 일들을 살펴보면서 우리의 여정을 다시 시작해 보겠다. 이 네 가지 물질들은 흙, 공기, 불, 그리고 물이다.
정리해 보면, 녹색 화학이 포부는 이런 것이다. 화학 산업이 현재와 같은 상태로 계속 발전하는 것은 지속 가능하지 않다. 그렇다고 해서 인위적으로 산업 생산을 줄이고, 우리가 이룩한 문명을 포기할 수는 없다. 기업으로서도 이익이 감소하는 것을 받아들이려 하지 않을 것이다. 따라서 환경에 대한 책임과 기업의 이익 사이에 갈등이 발생하는 것을 피할 수는 없다. 핵심적인 것은 문제가 발생하기 전에 위험성을 인지하고 선제적인 해결 방안을 찾는 것이다. 이것은 모두의 책임이고, 더 많은 이익을 가지는 집단이 더 많은 책임을 져야 할 것이다.
자연이 하는 일에 간섭하는 것은 어쩔 수 없이 위험을 수반한다. 판도라의 상자는 항상 있어 왔다. 화학자들은 자연이 제공하는 원자들의 비밀을 풀어내고, 이를 조합해 새로운 물질을 만들어 낸다. 동시에 생태계를 교란하고, 오랜 기간 유지해 왔던 균형을 흔든다. 따라서 원자를 다루는 이런 마법 같은 능력은 항상 책임감을 동반한다. 과거에는 능력의 향상에만 초점이 맞춰졌다면, 이제는 사회의 다른 이해 관계자들과 연대해 문제의 해결에 적극적으로 나서야 한다.
화학이 감당해야 할 책임은 무엇인가? 우리가 당면하고 있는 문제의 해결 방안을 제시하는 것이다. 화학은 요람에서 무덤까지 일상 생활의 모든 면을 향상시키는 열쇠를 가지고 있다. 앞에서 여러 차례 보았듯이, 지식과 환경을 포함해 현대 문명의 기반이 되는 모든 물질적인 기반을 제공한다. 아직도 발전해야 할 분야가 많다. 우리의 소통을 향상시키고, 더 나은 컴퓨터 환경을 구축하고, 효율이 높은 연료를 개발하고, 촉매를 개발해 해로운 물질을 감소시켜야 한다. 그리고 태양 전지의 개발처럼 에너지원을 화석 연료에서 재생 가능 에너지로 대체해야 한다. 이런 일들을 제대로 수행하는 것이 화학의 책임이다.
화학이 물질의 가장 근본적인 측면까지 다루는 것은 아니다. 원자 아래 물질의 심연까지 파고드는 것은 물리학, 즉 입자 물리학의 영역이다. 그런데도 화학은 원자의 특성을 바탕으로 그들의 다양한 조합에 대한 지식을 축적해 왔다. 주기율표에서 보듯이, 화학을 통해 우리는 원자들의 개별 특성과 그 특성을 이루는 핵심 요소를 이해할 수 있다. 이들은 서로 조합하고, 배척하는데, 왜 이런 일들이 일어나는지 이해할 수 있다. 이런 지식은 새로운 분자를 설계하고 만들 수 있게 해 준다. 새로운 분자들은 정말 새로워서, 우주 역사에서 존재한 적조차 없던 분자들도 있다.
7장 화학은 어디로 가는가? 이 장에서는 화학의 미래를 살펴본다. 21세기 현재 활발한 연구가 일어나는 분야들과 새롭게 나타날 것으로 예상되는 주제, 즉 신소재 개발과 컴퓨터 기술 혁신과 나노 기과학 및 기술 개척과 관련해서 화학자들이 하고 있는 역할을 보여 줄 것이다. 이 장을 통해 미래 문명을 건설하는 데 화학이 어떤 기여를 하게 될지 짐작할 수 있을 것이다.
주요 개념: #새로운 원소 #원자와 분자의 직접 관측 #나노 과학 및 기술 #자기 조립 분자 #빛 수확 기술 #DNA 컴퓨터 #분자 컴퓨터 합성 #신소재 #그래핀 #2차원 화학 #표면 화학 #분자 기계 #유전체학 #단백질체학 #신약 개발
본문에서: 이 영역에서 다룰 분자들, 즉 나노 분자들은 유기 혹은 무기 화학자들이 합성해 제공한다. 나노 분자들을 만드는 것은 두 가지 방법이 가능한데, 큰 물질을 만들어서 작게 깎아내리거나, 작은 분자들을 쌓아 올리는 방법이 그것이다. 이중에서 쌓아 올리는 방법이 큰 주목을 받고 있는데, 일반적으로 자기 조립(self-assembly)의 방식으로 만들어지기 때문이다. 이 방식에 따르면, 외부에서 특별한 자극을 주지 않아도 분자들이 상호 작용을 해 분해되고 재조립되면서 원하는 형태의 나노 물질이 완성된다. 퍼즐 조각으로 그림을 맞추는 것과 비슷한데, 하나하나 그림을 맞춰 가는 것보다는 한꺼번에 맞춰지는 양상과 비슷하다. 자연의 천재성이다.
지금까지 화학이 어떤 일을 할 수 있는지, 마치 마법과 같은 일들도 포함해 살펴보았다. 그러나 독자들에게 흥미로운 응용 분야를 소개하는 것으로 화학의 발전을 모두 설명할 수는 없을 것이다. 이런 것들은 나름대로 눈에 잘 띄고 이해하기 쉬운 면이 있지만, 화학은 좀 더 근본적인 탐구, 즉 물질에 대한 지식을 확대하고 지식을 활용하는 방법에 집중해야 한다. 그러면서 비록 점증적이기는 하지만, 우리는 자연이 하는 일들을 이해하고 따라 하고 경이로움에 감탄하고 지식의 위대함을 깨닫게 된다. 기초 연구는 이와 같은 일들을 가능하게 하는 핵심이다. 기초 연구를 통해 예측하지 못한 발견을 이루어 내고 깨달음을 얻으며 상식을 깨는 제품을 개발할 수 있다.
아마도 이런저런 이유로 화학과 화학자들을 오해하고 있던 독자들이 있을 것이다. 내가 이 책에서 소개한 내용이 그런 오해를 조금이나마 지울 수 있었으면 좋겠다. 동시에, 이 놀라운 세계와 이 세계를 발견하는 기쁨을 독자들도 같이 느끼면 좋겠다.
‘케미포비아’를 위한 우아한 화학 가이드
화학은 눈이 부실 정도의 업적도 많지만, 숙제도 여전히 많다. 쓸모도 많지만 어디까지 재화보다는 자연에 대한 통찰을 생산해 내는 순수 과학이다. 화학자들이 지식 창고를 가득 채워 놓은 덕에 이제 우리는 조그만 돌멩이에서 복잡한 생명체까지 물질들의 작동 방식을 이해하게 되었다. 이런 통찰은 인류 문명의 발전을 가져왔고, 자연을 또 다른 의미에서 경이롭게 바라볼 수 있게 해 주었다. 이것만으로도 화학은 놀라운 학문이다. 세상에서 가장 쓸모 있는 화학의 전모를 바쁜 현대인을 위해 알차게 축약해 낸 이 책은 말 그대로 ‘케미포비아’도 ‘화학 마니아’로 바꿔 놓을 우아한 화학 가이드라고 할 수 있을 것이다.
화학이라는 학문의 여러 구성 요소를 다 살피고 6장에 이르면, 독자들은 평생을 화학의 발전과 교육에 바친 노교수의 진정한 목소리를 들을 수 있을 것이다. 이 장은 이 책의 핵심이라고 할 수 있는데, 앳킨스 교수는 미사여구를 통해 화학을 찬양하지도, 엉터리 과학을 통해 화학의 문제를 가리려고 하지 않는다. 대신, 담담한 목소리로 화학이라는 학문이 원시 시대부터 현대까지 인류 문명과 어떤 관계를 쌓아 왔고, 그 과정에서 발생한 문제가 무엇인지 소개한다. 더불어, 문명을 더 발전시키고, 문제를 해결해야 하는 임무가 화학자에게 있음을 지적한다. 이런 부분들이 독자들에게 잘 전달되기를 희망한다. ('옮긴이의 글' 중에서)
총 
바보 빅터
