화학 연대기

화학 연대기 - 세상을 바꾼 작고도 거대한 화학의 역사 ㅣ EBS CLASS ⓔ
장홍제 지음 / EBS BOOKS / 2021년 5월

사랑하는 딸과 아들에게 보내는 독서편지

0.

이번에 읽은 책은 <화학 연대기>라는 책이란다. 아빠는 학창 시절에 과학이 물리, 화학, 지구과학, 생물로 나누어서 배웠단다. 그 중에 아빠가 가장 취약하면서도 흥미가 없던 과목이 화학이었단다. 이유는 딱히 모르겠지만, 외워야 할 것도 많고 예외적인 내용도 많았던 기억이 있어. 어른이 되어 과학에 대한 책 읽기를 좋아하면서, 그러니까 화학에 대한 접근법이 달라지면서 화학이라는 분야도 그리 재미없지는 않더구나. 특히 아빠가 관심 있어 하는 양자역학은 작은 입자에 관한 이야기이다 보니, 물리학과 화학의 경계도 애매한 부분도 있고 말이야.

인터넷 서점에서 우연히 <화학 연대기>라는 책을 알게 되었어. EBS에서 기획한 책이더구나. EBS에서 기획한 책들은 보통 읽기 편해서 어려운 주제도 도전해보게 되더구나. 그래서 이 책을 덥석 읽게 되었단다. 화학 연대기... 제목을 독자들에게 호기심 끌기 위해서 연대기라는 단어를 사용했나 싶었는데, 책의 구성도 우주의 탄생부터 오늘날까지의 시간 속에서 화학으로 설명할 수 있는 부분과 화학의 발전해가는 모습을 이야기해주고 있단다.

아빠가 내용을 잘 전달해줄지 모르겠지만, 전체적인 내용은 아니더라도 아빠가 새로 알게 된 부분이나 인상적인 부분을 중심으로 이야기해줄게. 아참, 한가지 읽으면서 애 먹은 것은 원소 이름이나 화학식 용어가 최근에 바뀐 것으로 적혀 있어서 읽기 좀 불편했단다. 아빠는 아직 나트륨, 망간 등이 편해... 염화소듐이라고 해서 잠깐 멈추기도 했단다.

1.

우주의 시작 빅뱅이 있고 나서 미립자가 생겨났을 거야. 그리고 원자 개수가 적은 수소와 헬륨이 폭발적으로 생겨나고... 지금도 이 우주에는 수소가 무려 90%나 차지한다고 하는구나. 그 다음이 헬륨이고... 지구에서 이 두 원소들이 비중이 적고 별 영향을 차지하지 못하고 있는 이유는 너무 가벼워서 중력의 영향을 받지 않고 우주에 더 다니기 때문이래. 우주의 빅뱅이 일어났을 때 최초 우주의 온도는 모두 1억도나 되었다고 하는데, 점점 식어서 지금은 몇 도인지 아니? -270.42도라고 하는구나. 0도 이하로만 내려가도 엄청 추운데 –270.42도라니.. 우주는 엄청난 얼음덩어리로구나. 더 내려가서 절대온도 0도(-273도)까지 내려가면 어떻게 되는 거지?

...

45억 년 전에 지구가 생기면서, 지구도 계속해서 화학 반응이 일어났단다. 우리야 알 수 없지만 지구상에 있는 물질들은 계속 오랫동안 화학반응이 일어났고, 우연한 화학반응을 통해 생명체까지 생겨나게 되었을 거야. 생명체라는 것은 탄소를 포함한 유기물인 거지. 무기물에서 어떻게 유기물로 바뀌게 되는 것도 설명해준 것 같은데, 책 덮은 지 좀 되고 나니 기억이 잘 안 나는구나.

...

인류가 출현하면서 석기시대를 지나 청동기 시대에 오게 되는데, 청동기라는 것은 합금이라는 화학원리를 이용하게 된 것이란다. 그들이 우연히 방법을 알게 되었을 수도 있지만... 석기 시대와 청동기 시대 사이에 약 1000년 동안 합금이 아닌 구리로만 사용한 시기가 있다고 하는구나. 구리가 청동보다 약해서 오래 이어지지 않았다고 하는데 그래도 1000년이면 짧지 않은 시기인데, 따로 동기 시대로 불러줘도 될 듯 싶구나.

청동기 시대에 이어 철기 시대가 되었는데, 초기에는 구리처럼 철로만 된 도구를 쓰던 시절이 있었대. 그런데 금방 부러지고 해서 효율성이 없었다고 하더구나. 그래서 구리처럼 철도 합금을 쓰기 시작해서 대박을 쳤다고 하더구나. 진정한 철기 시대는 철합금으로 쓴 시기라고 하면서, 지은이는 정확한 용어는 철기 시대가 아니고 철합금을 의미하는 철광 시대라고 이야기하시더구나.

그러면서 질문을 하나 던졌어. 오늘날은 어떤 시대냐면서 말이야... 아빠는 그 질문에 플라스틱 시대로 생각을 했어. 지은이도 플라스틱 시대가 수긍이 간다고 했지만, 그보다 우리 세상에 없으면 안 되는 반도체에 초점을 두었단다. 하기야 반도체가 없다면 아마 농경사회가 될 거야. 그런데 그 반도체의 주요 자료가 실리콘, 규소이고 그 규소는 모래에서 나오니 결국 돌에서 만들어낸다고 하면서 현재는 제 2의 석기 시대를 살고 있다고 말씀하시더구나.

=================

(69)

이런 관점에서 현대 사회를 ‘제2의 석기 시대’라고 부르는 빈도가 높아지고 있다. 생각해보면 지금 우리 삶에서 가장 큰 부분을 차지하는 것이 반도체다. 전자 기기를 기반으로 사회 전체 시스템과 고성능 정치들이 운영되고 있고 즉각적으로 효율적인 정보 교환과 습득도 이루어지는 만큼, 그것에 관여하는 가장 중요한 핵심 부품인 반도체의 역할을 무시할 수 없다. 실제로 지금 당장 반도체 기반의 모든 전자 기기가 사라진다면 인류는 농경 생활이나 목축 생활로 돌아가야 할지도 모른다. 집을 지어 생활하는 것 외에는 현대 삶의 이기와 관련 있는 차별화된 모든 체재를 잃고 철기 시대와 다를 바 없이 생활해야 할 수도 있다. 이 반도체를 구성하는 핵심 요소가 규소이며, 규소는 모래로부터 얻는다. 그래서 지금을 제2의 석기 시대라고 하는 주장이 설득력을 얻는다.

=================

2.

고대 철학자들은 이 세상은 무엇으로 이루어졌는가에 대한 생각을 많이 했어. 그 중에 너희들도 알고 잘 알고 있는 데모크리토스가 원자설을 시작을 알렸고, 이후 화학은 계속 발전하게 되었단다. 화학이 특히 발견하게 된 계기는 연금술의 발달이었단다. 금을 만들어낼 수 있다는 생각을 가진 연금술사들이 연구와 실험을 하게 되었고, 이 실험을 통해서 많은 화학 발전을 이루었다고 하는구나. 그런데 이 연금술은 계속 여러 곳에서 진행되었다고 하니, 인류를 종은 반짝이는 금을 대부분 좋아했는가 보구나. 연금술이 발달하지 않은 곳은 기후가 안 좋거나 이미 금이 풍부해서 굳이 연금술을 하지 않아도 되는 지역들이라고 하더구나.

=================

(131)

일반적으로 연금술이 발생하는 데는 두 가지 전제 조건이 필요했다. 바로 기후와 금 가치에 대한 사회적 합의다. 신화와 토속신앙이 성행한 핀란드나 노르웨이 같은 북유럽 지역에서는 연금술이 자연적으로 발생하지 않고 나중에 유입되는 방식으로 전해졌다. 북유럽 지역은 혹독한 추위와 가혹한 기후 탓에 식재료 확보가 언제나 우선순위였으며, 그만큼 사색과 연구에 시간을 투자하기 어려운 환경이었다. 철학이 성행한 고대 그리스의 연금술이 발달한 이집트의 경우 노예가 노동 인력을 대체하고 작업에도 숙달되어 시민들이 여가 시간을 충분히 누렸다는 점을 고려하면, 북유럽 지역에서 연금술이 발달하지 않은 이유를 어느 정도 이해할 수 있다.

=================

..

중국의 유명한 황제 진시황은 불로장생을 꿈꾼 대표적인 사람이란다. 오래 살기 위해서는 무엇이든 하고 무엇이든 먹은 사람인데, 당시 수은 중독의 위험성을 모르고, 그것이 영생에 도움이 된다는 생각으로 몸에 바르고 먹고 했다고 내용은 유명한 내용인데 이 책에 또 소개해 주었단다. 너희들은 아직 이 이야기를 모를 수도 있겠다 싶어서 그 내용을 일부 발췌해 보았단다.

=================

(136)

진시황은 수은으로 된 연못을 만들어 놓았고, 수은을 먹거나 몸에 바르기도 한 것으로 전해진다. 수은을 몸에 바르면 피부에 일부 흡수되는데, 이것이 근육을 경직시켜 모세혈관의 혈류를 저해한다. 그러면 낯빛이 창백해지고 피부 주름이 부분적으로 펴지는 현상이 나타난다. 중금속의 체내 축적 원리를 알지 못한 채 단순히 현상만 본다면 변색되고 주름진 피부가 밝고 탄력 있게 바뀌는 느낌이 든다. 서양에서도 납과 수은이 함유된 화장품이 피부 미백에 흔히 사용되었으며, 영국 여왕 엘리자베스 1세처럼 납과 수은에 중독되어 여러 부작용을 겪은 사람이 많았던 것으로 전해진다. 진시황 또한 이런 단편적 변화에 만족해 수은에 중독되고 만 것이다. 진시황릉 주변 토양에서 높은 수치의 수은이 검출된 것도 수은에 대한 진시황의 병적인 집착을 보여주는 증거라고 할 수 있다.

=================

...

14세기 유럽을 덮친 흑사병과 백년 전쟁, 종교적인 문제로 서양은 암흑기에 들어갔는데, 화학 분야도 마찬가지였단다. 연금술도 비난의 대상이 되어 숨어서 연구하고 그랬대. 그러다가 중세를 지나서 베이컨, 데카르트가 등장한 이후 유명한 과학자들이 출현하게 되었다고 하는구나. 베이컨과 데카르트는 철학자인데 화학에 무슨 영향을 주었느냐고 할 수도 있지만, 그들은 화학에 큰 기여를 했다고 하는구나.

=================

(186-187)

과학혁명을 이끈 인물로는 프랑스 근대 철학자이자 수학자이며 과학자 르네 데카르트(1596~1650)와 영국 근대 철학자이자 정치인 프랜시스 베이컨이 대표적이다. 베이컨은 화학을 직접 연구하지는 않았지만 경험주의의 아버지로 불릴 만큼 근대 교육과 학습체계를 확립하는 데 중요한 역할을 했다. 그는 저서 <노붐 오르가눔>(1620)에서 과학이 다른 분야들과 어떻게 연관되어 있는지, 그리고 과학의 목적에 도달하기 위한 근본 원리를 찾아내는 방법은 무엇인지 서술했다. 책 제목 ‘노붐 오르가눔’은 아리스토켈레스의 오르가논의 다음으로 넘어가고자 한다는 의미를 담고 있다. 실험과 분석을 도구 삼아 자연과학을 연구하는 새로운 토대를 마련한 베이컨이 남긴 “아는 것이 힘이다.”라는 격언은 그의 사상을 가장 잘 표현하는 말이라고 할 수 있다. 베이컨이 강조한 과학적 방법론과 실험 철학에 대한 그의 기여는 18세기까지 계속해서 영향을 미쳤다.

=================

...

이 시절 화학자 중에 얀 밥티스타 판 헬몬트라는 외우기 어려운 이름의 소유자가 있었는데, 그는 기체를 연구하면서 처음으로 gas라는 단어를 만들었다고 하는구나. 그런데 기체를 gas라고 한 이유가 기체가 정체를 알 수 없는 혼란스러운 것이라고 생각되어 혼돈이라는 뜻의 chaos에서 따왔다고 하더구나. 그렇구나.

3.

OO의 아버지를 말들을 즐겨 만들어 쓰잖니, 가장 대표적인 것이 음악의 아버지인데, 그 밖에 많은 아버지들이 있을 거야. 화학에도 화학의 아버지가 있다고 하는구나. 그런데 화학의 아버지는 한 명이 아니고 세 명이라고 하는구나. 그만큼 굵직한 업적은 낸 이들이 세 명이나 있었나 봐.

첫 번째 화학의 아버지는 아일랜드 출신의 로버트 보일이란다. 너희들도 익히 들어서 알고 있는 보일의 법칙을 만득 그 사람이란다. 기체에 압력을 가하면 부피가 줄어든다는 그 법칙 말이야. 그의 제자 중에 로버트 훅이라는 사람이 있는데, 나중에 배울 텐데 용수철 등의 탄성체로 이용할 때 유명한 훅의 법칙이 있는데 그 법칙을 발견한 사람이란다. 그런데 이 사람은 훅의 법칙 이외에도 세포라는 용어를 처음 사용했다고 하는구나.

...

당시 불에 붙는 연소라는 것의 정체를 잘 알지 못했대. 그래서 플로지스톤이라는 물질이 연소 반응을 일으킨다는 것이 정설로 알고들 있었어. 이 플로지스톤에 대한 이야기는 아빠가 예전에 장하석 님의 <장하석의 과학, 철학을 만나다>라는 책에서 이야기한 적이 있단다. 기억날지 모르겠지만...^^ 아무튼 연소라는 것이 플로지스톤이라는 물질에 의한 것이라고 오랫동안 믿었어. 하지만 화학자들이 연구를 하면서 의심을 품게 되었지.

과학자들이 눈에 보이지 않던 기체를 하나 둘 발견하기 시작했어. 조지프 블랙이라는 사람이 이산화 탄소를 발견하였고, 대니얼 러더퍼드라는 사람은 질소를 발견하였어. 그리고 조지프 프리스틀리라는 사람은 산소의 존재를 주장했지만 이를 명확히 규명하지 못했다고 하는구나. 캐번디시란 사람은 수소를 발견하였고, 수소와 어떤 기체를 이용하여 물을 만들어내기까지 했대.

그리고 드디어 라부아지에가 오랫동안 믿어왔던 플로지스톤을 부정하고 연소가 산화반응이라는 것을 설명했단다. 산소의 정체를 정확히 설명한 거지. 라부아지에는 화학책에서 참 많이 나오는 유명한 사람인데, 바로 이 라부아지에가 두 번째 화학의 아버지라고 하는구나. 이 사람은 연소를 정확히 설명한 것뿐만 아니라 열량계도 개발하고 동료과학자들과 함께 화학식 명명법을 확립하기도 했대. 그러니까 이때부터 이산화 탄소, 염화소듐(염화나트륨), 황산 등으로 부르기 시작한 거야. 그런데 이 사람이 세금징수 일도 같이 했는데 이 일로 인해 프랑스혁명 때 단두대에서 처형당했다고 하니 화학사에서 보면 참 안타까운 일이로구나.

...

세 번째 화학자 아버지는 스웨덴 출신의 베르셀리우스라는 사람인데, 아빠는 이름도 처음 들어보는 사람이구나. 이 사람은 전기화학, 분석화학을 이용해서 세륨 등 5개의 새로운 원소를 발견했대. 반도체의 재료가 되는 규소를 처음 분리해낸 사람도 이 사람이라고 하는구나. 그밖에 활성화 에너지, 촉매 개변을 정리하였고 비이커, 깔때기, 거름종이, 고무튜브 등 많은 실험 도구를 발명했다고 하는구나.

....

근대에 오면서 화학은 여러 가지 세세한 분야로 나뉘어지게 되었단다. 그래서 이 책에서도 그런 분야인 무기화학, 물리화학, 유기화학, 생화학, 공업화학, 의약화학, 양자화학, 고분자화학, 섬유화학, 나노화학 등으로 구분해서 설명해 주었단다. 이쪽 부분도 각 화학 별로 간단히 설명을 해주면 좋겠지만, 이 쪽은 아빠가 이해를 잘 하지 못했고 메모도 따로 적어두지 않아서 패스해야겠구나. 나중에 너희들이 좀더 크면 이 책을 읽고, 반대로 아빠에게 설명을 해주면 좋겠지만, 안 그래도 괜찮단다.^^

....

이 책에는 많은 과학자들이 나온단다. 아빠도 몇 명은 소개해 주었는데, 너희들도 잘 알고 있는 노벨에 대한 에피소드를 하다 더 해주고 편지를 마치련다. 노벨이 왜 노벨 재단과 노벨상을 만들게 되었는지에 대한 내용이란다. 노벨의 형이 죽었는데 노벨이 죽은 줄 알았던 언론을 읽고 깊이 깨닫게 되었다고 하더구나.

=================

(396-397)

그런데 그가 노벨상과 노벨재단 설립을 추진한 이유는 형 루드비그 임마누엘 노벨의 사망에서 비롯된 해프닝 때문이었다. 사망 소식을 접한 신문사들은 알프레드 노벨이 죽은 것으로 오해하고 부고 기사를 서둘러 인쇄해 발행했다. 거기에는 산업 분야에서 거둔 성공과 기여는 무시한 채 전쟁용 폭발물을 만든 ‘죽음의 상인’이라는 모욕적인 기사만 가득했다. 이 기사들은 본 노벨을 자신이 죽은 후 모두가 자신을 부정적으로 기억할 것이라는 사실을 깨닫고 자산의 94퍼센트에 해당하는 약 3,100만 크로나(스웨덴 화폐 단위)를 노벨재단 자금으로 할당했다. 이는 현시점으로 약 17억 200만 크로나(약 2,244억원)에 해당하는 금액으로 매년 노벨상 수상자에게 수여하는 상금과 메달 비용으로 사용되고 있다.

=================

이렇게 노벨처럼 쓴 소리를 잘 깨닫고 자신을 바꾸는 훌륭한 이들도 있는데, 왜 우리나라 리더들은 쓴 소리를 개무시하는 것인지 모르겠구나. 얼마 전 홍범도 장군의 동상을 이전한다는 뉴스를 보고도, 답답함과 화가 하늘로 치솟았는데…. 에이, 뉴스를 보지 말아야겠구나.

PS,

책의 첫 문장: 어떤 대상을 파악할 때는 무릇 개념을 정의하는 데서 시작하기 마련이다.

책의 끝 문장: 우리는, 화학자들은 그저 처음 금을 찾던 그 모습으로 실험과 경험, 논리와 추론, 이해와 분석을 통해 세상을 감싼 모든 물질을 밝혀나갈 뿐이다.

빅뱅 역시 하나의 거대한 폭발이었다. 따라서 에너지 외에도 수많은 것이 만들어져 주위로 퍼져나갔다. 물리학에서 관심 있게 지켜보는 여러 미립자의 이에 해당한다. 글루온과 쿼크, 입자와 반입자, 뮤온과 타우, 그리고 2013년 공식적으로 발표된 힉스 입자 같은 미립자들 말이다. 그리고 어느 순간 몇몇 미립자가 자연계의 힘으로 뭉치면서 가장 작고 가벼우며 간단한 최초의 원소와 원자가 탄생했다. 원자번호 1이라는 숫자 자체로 의미를 가질 수밖에 없는 수소가 그 주인공이다. - P25

이후 시간이 흘러 히타이트와 힌두 지방에서 탄소가 함유된 철광석으로 강(steel)을 만들어내면서 진정한 철기 시대가 시작되었다. 철강은 청동과 마찬가지로 합금으로 구분되는데, 철이 대부분이고 다른 금속이나 비금속 원소가 소량 혼합된다. 이 시대를 우리는 철기시대라고 칭한다. 그러나 잠시 성행했다 사라진 구리 시대(BC 4000~BC 3000, 일명 동기 시대)보다 청동기를 더 중요한 시대로 보는 것과 마찬가지로, 엄밀하게는 철강 시대라고 표현하는 것이 화학과 물질 측면에서 더 정확하다. - P66

수많은 수도관을 통해 분수대와 공중목욕탕은 물론, 로마 제국 전역에 물 공급을 가능하게 한 우수한 상수도 시설을 현재까지도 가치 있는 문화유산이다. 그런데 문제는 상수도 시설은 현재까지도 가치 있는 문화유산이다. 그런데 문제는 상수도 시설을 기다란 관 형태로 만들기 위해 금속으로 납을 선택했다는 점이다. 납은 소금처럼 빠르게 용해되는 염은 아니어서 매우 서서히, 적은 양만 상수를 통해 유출되었을 테고, 물이나 공기와 닿은 납에 산화 납으로 이루어진 막이 형성되어 추가 유출 도한 최소화되었을 것이다. 그러나 지속적으로 인체에 유입되어 쌓인 납이 중독 문제를 전혀 유발하지 않았다고 보기는 어렵다. - P122

러더퍼드는 고정된 공기에 관한 실험과 마찬가지로, 확보한 질소가 담긴 용기에 쥐를 넣은 뒤 생존 여부를 관찰했다. 그 결과 질소 역시 해로운 기체라는 판단을 내렸다. 질소의 영어 명칭 나이트로젠(nitrogen)은 ‘탄산 소듐’을 의미하는 그리어서 니트론(nitron)과 ‘만들다’라는 뜻을 가진 접미어 제네스(-genes)의 합성어에서 유래했다. 질소가 초석을 비롯한 질소 함유 물질의 주성분이기 때문에 이런 이름이 붙은 것이다. 이에 반해 우리말 명칭인 질소(窒素)는 ‘호흡에 사용할 수 없다’는 러더퍼드의 결론에서 유래해 질식(窒息)과 같이 ‘숨이 막힌다’라는 의미를 내포한다. - P216

켈빈은 1848년 여러 종류의 기체를 일정한 양으로 고정한 후 온도에 따라 변하는 거동을 분석해 그래프로 그렸다. 그리고 그 결과를 가지고 관측된 값으로 한계점 이상의 값을 추정하는 외삽을 했을 때 모두 동일한 온도에서 압력이 0으로 수렴하는 현상을 관찰했다. 그는 이 온도를 절대 영(0)도로 간주하고, 이를 기준으로 다른 모든 온도를 양수로 만들 것을 제안했다. 그리고 1851년 그는 열 엔진에 관해 이야기하면서 ‘열역학(Thermodynamics)’이라는 단어를 처음 사용했다. 이후 열과 일을 포함한 에너지 전환에 대해 설명할 때 이 용어가 쓰이기 시작했다. - P330