과학 개념 따라잡기 : 화학의 핵심

과학 개념 따라잡기 : 화학의 핵심 - 지식 제로에서 시작하는 ㅣ 지식 제로에서 시작하는 개념 따라잡기 시리즈
Newton Press 지음, 전화윤 옮김, 사쿠라이 히로무 감수 / 청어람e(청어람미디어) / 2021년 6월

과학 개념 따라잡기 : 화학의 핵심

화학 공부 해보자.

화학적 결합, 화학적 변화라는 말을 흔히들 하는데, 물리적 결합, 물리적 변화라는 말에 상대되는 의미로 쓰이는 말이다.

그런 말, 정확히 무엇을 의미하는 것일까?

그런 의문에 더하여, 요즘 원자력 발전이 화두가 되고 있는 현실을 감안하여

원자, 분자 등등을 알아보고 싶어, 이 책을 읽어보기로 했다.

고등학교 시절에 멈추었던 화학 공부, 노트 필기 하는 심정으로 읽어보았다.

이 책은?

이 책 『과학 개념 따라잡기 : 화학의 핵심』은 Newton Press라는 출판사에서 발행한 책인데, 이 회사는 과학 잡지 [Newton]을 발행하고 있는 일본의 출판사이다. [Newton]은 1981년 창간된 이래로 많은 독자의 사랑을 받아 오고 있다. 본문의 전면에 사용되는 일러스트와 아름답고 역동적인 사진들, 그리고 최일선 연구자가 취재한 정확하고 이해하기 쉬운 리포트로 정평이 나 있다.

이 책의 내용은?

얼음은 왜 물에 뜨나?

얼음을 물에 집어 넣으면 가라앉지 않고 뜬다. 왜 그럴까?

그 이치가 간단하다.

얼음은 물보다 빈틈이 많은 구조로 되어 있다. 같은 부피라도 얼음에 틈이 많아서 물보다 가볍다. 그래서 얼음은 물에 뜨는 것이다. (62쪽)

물과 얼음의 구조를 파악하는 게 바로 화학이다.

화학은 그래서 이렇게 정의할 수 있다.

화학은 ‘세상 모든 물질의 구조와 성질을 밝히는 학문’이다. (10쪽)

그래서 위에 언급한 ‘화학적 결합’은 물질의 구조와 관련하여 생각하게 되는 개념이다.

물리적, 화학적 결합이란 말은 이렇게 쓰인다.

화학적 결합은 물리적 결합을 넘어선 ‘화학적 시너지’를 추구하는 형태라는 점도 ...

‘물리적 결합’이란 두 가지 물질이 성분의 변화 없이 분자단위로 결합하거나 제3의 매개물질의 작용으로 다른 성분들끼리 결합하는 것을 말한다.

예컨대, 종이 양면에 풀칠을 할 때도 종이와 풀의 성분은 변하지 않으면서 접착이라는 결합력이 생긴다. 이런 결합을 물리적 결합이라고 한다.

반면 ‘화학적 결합’이란 분자 내 양이온이나 음이온의 이동으로 분자단위가 변화하면서 결합력이 생기는 것을 말한다.

결합에는 다음과 같은 세 종류가 있다.

공유 결합, 이온 결합, 금속 결합.

결합의 예로 산화가 있다. (90쪽)

우리 주변에서 흔히 보게 되는 금속의 녹, 녹은 결합으로 생기는 현상이다.

금속의 녹은 산화인데, 산화 대부분은 물질이 산소 원자와 결합하는 것을 말한다.

예를 들어, 산소가스(O2) 안에서 구리(Cu)를 가열하면 산화구리(CuO)가 된다.

화학의 시작은?

연금술에서 화학은 시작되었다.

중세 이전, 수많은 금속을 값어지 있는 금속으로 바꾸고자 한 시도가 연금술이다.

결과적으로 금을 만들어내지는 못했지만, 그 과정에서 겪은 시행착오에서 화학이 발전한 것이다. (10쪽)

그러니 연금술은 결과로는 금을 만들어내지 못했지만 금보다 더 귀한 화학을 얻은 것에 그 의미가 있다 하겠다.

리처드 파인만의 의미있는 발언

만약 지금 대이변이 일어나 모든 과학지식이 사라지고 단 하나의 문장만이 다음 시대의 생물에 전해진다면, 그것은 ‘모든 것은 원자로 되어 있다’일 것이다. (24쪽)

정말 이 세상의 모든 것은 원자로 이루어져 있으니, 만물을 원자로 설명할 수 있다. 

원자의 구성 (26쪽)

원자핵, 양성자, 중성자, 전자로 구성되어 있다.

원자의 구조는 20세기 들어서 발견되었다. 원자는 양성자와 중성자로 구성되는 원자핵과 전자로 이루어져 있다는 것이다. (78쪽)

원자번호는 어떻게 결정되는가?

각 원소의 양성자 수가 원자 번호가 된다. (27쪽)

재미있는 화학 이야기

화학, 멀리 갈 것 없다. 우리 주변에도 화학이란 눈으로 살펴볼 수 있는 것들이 많이 있었다. 많이 있다. 내가 몰랐던 것이다. 예컨대 이런 것들, 화학이었다.

생선에 소금을 뿌리는 이유는? (84쪽)

생선을 구울 때 소금을 뿌린다. 왜 그럴까?

물론 맛을 좋게 하기 위해서이기도 하지만, 다른 이유가 있다.

소금을 뿌리면 생선 살 표면에 소금물 층이 생긴다.

이때 생선의 세포를 덮는 세포막은 소금은 통과시키지 않지만, 물은 통과시킨다. 이를 반투막이라 한다.

물 분자는 반투막을 통과할 수 있지만, 소금 등이 다량으로 녹아있으면 물 분자의 움직임에 제약이 생긴다. 그래서 반투막을 통과할 수 있는 물분자 수가 줄어든다.

즉 소금물에서는 생선의 세포로 소금이 이동하지 않고, 물분자도 이동이 어렵다.

이렇게 반투막이 있으면 물은 염분이 높은 쪽으로 이동한다. 따라서 날생선에 소금을 뿌리면 표면에 물이 스며나온다. 비린내 성분은 생선 살이 닫히면서 스며 나온 물과 함께 밖으로 빠져나간다. 그래서 비린내가 줄어들거나 없어지는 것이다.

해서 소금을 뿌리는 것, 공연히 짠맛을 더하기 위해서가 아니라는 것, 알았다.

오징어와 문어의 피 색깔은?

오징어와 문어의 피는 파랗다. (96쪽)

왜 그럴까? 오징어니까, 문어니까 그런 것일까?

아니다.

인간은 폐로 흡입한 산소를 헴 철에 실어 전신으로 보낸다. 이 때 헴 철이 붉은 색을 띠기 때문에 사람의 피는 붉은 색으로 보인다.

반면 오징어나 문어는 아가미로 빨아들인 산소를 운반하는 데 철이 아니라 구리를 사용한다.

이때 단백질에 결합한 구리 이온 2개에 산소 분자가 달라붙어 파란색이 된더,

그래서 오징어나 문어의 피는 파란색으로 보이는 것이다.

다시, 이 책은?

에컨대 ‘우주에 있는 원소 중 가장 많이 있는 것은?’이란 질문에 답해 보자.

이런 질문도 가능하다니, 재미있다.

언뜻 생각하면, 이 세상에 있는 원소의 양을 어떻게 특정하나 하겠지만, 그게 가능하다는 것 자체도 신기하고 재미있는 일이다.

주기율표에 따르면 118개의 원소가 존재하는데, 그중 수소와 헬륨이 차지하는 비율이 99.9 % 라는 것이다. (42쪽)

이건 상식이다. 화학을 구성하는 내용들이, 이제 보니 상식적인 것들이었다는 것을 이제 알았다. 다시 말하면, 화학 어렵지 않다는 것이다.

이 책으로 잊었던 공부, 하지 않으려 애썼던 화학 공부, 재미있게 해볼 수 있다.