원소에서 지구 이야기까지

원소들의 놀라운 이야기 - 우리 몸과 우주를 형성하고, 세상을 바꾸어 온 중요한 존재에 관하여
아니아 뢰위네 지음, 홍우진 옮김 / 브론스테인 / 2023년 10월

저자 아니아 뢰위네는 물리학과 교수다. 그런 그가 원소 이야기를 풀어놓았다. 나의 경우 천문학 공부를 하다가 화학 공부의 필요성을 느꼈다. 핵에서 양성자 일부가 없어지거나 새로이 추가되면 원자는 전혀 다른 원소가 된다. 2개의 양성자를 가진 헬륨 핵 3개가 만나 6개의 양성자를 가진 핵이 되었는데 이것이 탄소다. 탄소의 핵은 다른 헬륨 핵과 융합하여 8개의 양성자를 가진 핵이 되었는데 이것이 산소다.(18 페이지) 핵 속 양성자 수가 원자가 어느 원소인지 결정한다.(15 페이지)

철보다 훨씬 무거운 니켈, 구리, 아연 같은 원소들이 폭발(초신성) 과정에서 형성되었다. 우주 속으로 던져지지 않은 물질 즉 폭발의 찌꺼기들이 붕괴하여 중성자별이 되었다. 중성자별끼리의 충돌로 금, 은, 백금, 우라늄 등의 다수의 무거운 원소들이 생겨났다. 별들 내부에서 수소와 헬륨이 융합하여 새로운 원소가 되었고 우주에 존재하는 수소와 헬륨의 총량은 더 무거운 원소들의 양이 증가하면서 꾸준히 감소했다.(20 페이지) 지구가 더 바깥쪽 우주의 냉기 속에서 점차 냉각되어 감에 따라 철, 금, 우라늄 같은 무거운 원소들이 액체 구형의 중심으로 가라앉았다.

실리콘과 우리 몸의 주요 구성 요소인 탄소, 산소, 수소, 질소 같은 더 가벼운 원소들은 가장 바깥쪽 가장자리에 남게 되었고 결국 가스 대기를 가진 행성의 둘레에 규산 함유 암석으로 이루어진 단단한 지각을 형성하였다.(22 페이지) 우리 인간은 행성의 중심부로 가라앉은 금속들로부터 혜택을 받지 못할 뻔했다. 그것들이 지구 내부 깊고 먼 곳으로 가라앉았기 때문이다. 정확한 이유는 알 수 없지만 더 단단해진 지각 때문에 운석에 포함된 금속이 지구 중심부로 가라앉지 못하고 지구의 지각에 부딪힌 후 튕겨져 나왔다. 이것들이 오늘날 우리가 자동차나 포크를 만들기 위해서 사용하는 금속이다.(23, 24 페이지)

지금도 우리 행성의 지각은 용융상태로 점성을 띤 암석층인 맨틀 주변을 떠다니는 여러 판으로 구성되어 있다. 지표 위는 매우 차가워서 녹은 암석이 판들 사이의 금이 간 곳을 뚫고 나타나면 고체로 굳어서 새로운 지각이 된다. 이 판들은 서로 영향을 주고받아 움직이면서 끊임없이 형태를 바꾸고 있다.(24 페이지) 지구의 판들이 어울려 추는 춤은 판구조론으로 알려져 있다. 우리의 태양계에서 지구는 매우 활동적인 표면을 가진 유일한 행성이다. 오직 지구의 지각만이 춤을 추고 있는 이유는 명확하지 않다. 그러나 이 춤이 없었다면 지구는 죽은 행성이었을 것이다.

판 구조는 지구의 컨베이어 벨트이며 우리 행성을 흥미진진한 장소로 만드는 모든 것의 이면에 존재하는 추진력이다. 이 움직임은 물과 바람에 의해 바다로 옮겨져 수백만년 동안 해저에 묻혀 있던 것을 표면으로 다시 들어 올림으로써 지구의 물질들을 재순환시킨다.(24, 25 페이지) 광합성이 시작되기 전 태양은 많은 양의 융해된 철을 함유하고 있었으나 이제는 그렇지 않다. 오늘날 물과 접촉한 철은 쉽게 분해되는 붉은색의 거친 표면을 매우 빠르게 드러낸다. 이 붉은 물질은 철과 산소가 화학적으로 결합한 것으로 흔히 녹이라고 부른다.

최초의 광합성에서 생산된 모든 산소가 철과 반응한 결과 녹이 생겼고 이는 바닥으로 가라앉았다. 결국 이 녹은 줄무늬 모양을 한 붉은색의 두꺼운 암석층이 되었다. 오늘날 우리는 이 붉은 암석을 파내 큰 화로에 넣고 철로부터 산소를 제거한다. 그리고 이렇게 얻은 철 금속을 사용하여 칼이나 열차의 선로를 제작한다.(28 페이지) 바닷물이 산소로 포화함에 따라 산소는 해양에서 대기 중으로 흐르기 시작했다.(29 페이지) 초기 대기에는 메테인이 풍부했다. 메테인은 발산되는 다량의 열을 흡수하여 지구 표면을 따뜻하게 유지한다.

대기 중 산소 가스가 메테인을 분해하기 시작하면서 온실효과는 점점 약해졌고 행성 전체는 빙하기로 접어들었다. 우리 조상들은 영양가 높은 골수를 얻기 위해 동물의 뼈를 깨뜨리는 데 최초의 석기를 사용했다. 금속을 추출하고 사용하는 인간의 능력은 지구상 모든 동물 가운데 유일하다.(41 페이지) 어떤 화학반응이든 원자들 간에는 전자 교환이 일어난다. 일부 원소들은 한 개 이상의 전자를 제거하는 데 필사적이지만 어떤 원소들은 다른 원소들에서 빌려올 수 있는 여분의 전자를 계속 탐색한다. 그러나 금은 있는 그대로의 상태에 만족하기 때문에 다른 금 원자들과 함께 뭉쳐서 순수한 금속을 형성하기 쉽다.(48 페이지)

금은 자연 상태에서 금속 형태로 금속 형태로 생겨나기 때문에 땅에서 혹은 종종 강바닥에서 단순히 주워 올리는 것이 가능하다. 금 광맥을 포함한 바위가 부서지면 금은 강바닥에 가라앉는다. 정말 커다란 덩어리가 때때로 있기는 하지만 강이나 산에 있는 대부분의 금은 다른 돌과 섞인 채로 작은 입자들로 존재한다. 금광석은 전체에 퍼져 있는 작은 금 알갱이와 함께 흔히 많은 양의 하얗거나 투명한 석영을 함유한다.

돌은 가열되면 서로 다른 방향으로 팽창한다. 이것이 돌 내부에 그물망 모양의 크고 작은 틈을 만들어 돌이 쉽게 부서지게 한다. 오늘날 세계 여러 곳에서 채굴된 광석에 존재하는 금의 평균 농도는 1톤당 1 - 3그램이다. 금은 훌륭한 전도체이고 녹이 슬지 않으며 대부분의 다른 금속과 함께 쓰여도 전도성을 방해하는 표면 코팅이 형성되지 않기 때문에 전기 회로판에도 사용된다. 철은 우리 신체의 운반 체계에 있어서 중요한 부분을 구성한다. 성인의 신체는 약 4그램의 철 원자를 함유한다.

자신의 전자를 붙들고 았는 것을 선호하는 금과 달리 철은 무언가를 거져 주면 더 행복해하는 관대한 창조물이다. 산소는 항상 다른 원소로부터 여분의 전자를 받아들이려고 한다. 이러한 철의 성질은 철과 산소 간의 긴밀한 우정을 형성하게 한다.(72 페이지) 혈액이 허파에서 공기와 접촉할 때 산소는 혈액 속 분자에 묶여 있는 철 원자에 들러붙을 기회를 얻는다. 이런 식으로 혈액은 산소를 신체 먼 곳으로 운반한다. 세포 속에는 철과 산소가 다시 떨어지게 만드는 분자들이 있다.

혼자가 된 철은 혈관을 타고 심장으로 들어가 그곳에서 다시 허파로 주입되어 새로운 산소와 결합한다. 혈액 속에 철이 없다면 우리가 아무리 호흡을 많이 해 봐야 소용없다. 열심히 들이마셔 허파로 들어온 산소를 몸속에서 전혀 이용할 수 없다. 우리 몸은 스스로 새로운 혈액세포를 쉽게 만들어낼 수 있지만 철은 만들 수 없다. 철이 산소에 전자를 전해 주면서 결합하게 되면 철과 산소를 분리하는데 많은 에너지가 필요하다. 인간은 이 결합을 뚫고 철 원자에게 전자를 돌려주는 법을 배우기까지 오랜 시간이 걸렸다. 이 방법을 사용해야만 철 원자를 무기와 도구를 만드는 금속으로 바꿀 수 있다.

석기시대가 전 세계에서 돌이 모두 고갈되었기 때문에 끝난 것이 아닌 것처럼 철기시대도 철이 다 사용되기 전에 막을 내릴 수 있다. 우리의 후손들은 강철이 다시 한번 사치스러운 상품이 되기 전에 철이 아닌 다른 무언가로 만든 새롭고 더 좋은 사회기반 시설을 개발할 수 있기를 희망할 뿐이다.(95 페이지) 구리는 전도율이 뛰어날뿐 아니라 천천히 부식되고 생산에 상당히 저렴한 비용이 들기 때문에 우리가 전기를 사용함에 있어 가장 중요한 금속이다.(101 페이지) 우리 몸에도 구리가 필요하므로 미량의 섭취는 문제되지 않는다.

구리는 철기시대보다 오래전부터 인간 사회의 일부분이었다. 금과 함께 구리는 자연에서 순수한 금속 형태로 발견될 수 있는 몇 안 되는 금속 중 하나다.(102 페이지) 구리는 지구 지각에서는 드문 원소다. 그렇지만 지각 속의 구리는 다양한 지질학적 과정을 통해 쉽게 운반되고 농축될 수 있다. 구리는 전기를 전달하기 위해 사용되는 유일한 금속은 아니다. 많은 경우 알루미늄이 좋은 대체재가 된다.(105 페이지)

유리는 자연에서 발견될 수 있다. 화산 분출 때 녹은 암석이 공기 중으로 배출되어 냉각된 후 원자들이 결정화되면서 형성될 수 있다.(134 페이지) 지각판이 서로 비벼 대어 지진이 발생하면 마찰로 인해 매우 많은 열이 발생해 암석의 얇은 층이 녹고 지각 운동이 멈추면서 빠르게 고체화한다. 그 결과 우리는 암석에 있는 유리 같은 물질을 얇은 수맥 형태로 볼 수 있다. 또는 거대한 운석이 지구 표면과 충돌할 때 바위를 녹이기에 충분할 만큼 온도가 높아질 수도 있다. 이들 모든 과정의 공통점은 돌 속의 모든 광물을 녹일 만큼 온도가 높아질 때 구리가 형성된다는 것이다.(134 페이지)

용해된 물질은 원자들이 정돈된 결정 구조로 다시 돌아가는 과정을 겪을 틈도 없이 빠르게 냉각될 때 결국 무작위적인 위치에서 멈추게 된다. 이것이 유리의 정체다. 이 세라믹 물질 속에서 원자들은 온통 혼란스러운 상태다. 우리가 걷고 있고 오르고 폭파하여 터널을 뚫고 있는 암석 또한 세라믹 물질이다.(137 페이지) 부싯돌은 날카로운 도구를 만들 때 좋은 돌이다. 소석회(수산화칼슘)를 모래, 자갈과 섞은 것이 최초의 콘크리트였다.(13 페이지) 땅 위의 석회암을 반응성 소석회 가루로 만든 것은 번개나 산불이었을 것이다. 그리고 이는 소석회 가루가 물과 접촉하면 단단해진다는 사실을 발견한 사람들의 호기심을 자극했을 것이다.(140 페이지)

우리가 미노스인에게 관심을 가지는 이유는 그들의 전설이나 신비로운 문학작품 때문만이 아니라 그들만의 독특한 콘크리트 기술 때문이다. 그들은 수경시멘트를 개발한 최초의 사람들이었다. 소석회와 물로 만든 석조물은 시멘트가 공기 중 이산화탄소와 반응할 때까지 굳지 않는 반면 수경시멘트는 물과 반응하면 암석처럼 단단해진다. 이것이 경화 과정을 더 빠르고 더 조절할 수 있게 만들며 콘크리트가 수중 구조물에도 쓰일 수 있고 순수한 석회암으로 된 것보다 훨씬 강한 건축물을 만들 수 있음을 의미한다.(141 페이지)

미노스인은 석회암을 화산재와 섞어 콘크리트를 제조했다. 지중해 섬들에는 화산재가 풍부했다. 재와 소석회의 혼합물이 물과 섞이면 칼슘, 실리콘, 물은 서로 결합하여 콘크리트 속 모래 알갱이 사이의 공간을 채우는 강력한 물질로 변한다. 이런 식으로 콘크리트는 강해지고 방수의 성질을 띠게 된다. 로마의 콜로세움이 2000년이 지난 현재도 튼튼한 이유는 화산재를 섞은 콘크리트 덕분이다.

나무는 자연이 만든 초고층 빌딩이라 할 수 있다. 셀룰로스(cellulose; 섬유소)와 리그닌(lignin; 목질소)이라는 두 가지 탄소 분자로부터 뻣뻣함과 힘을 얻는다.(160 페이지) 리그닌과 셀룰로스의 결합은 나무의 식물세포 구조와 함께 나무에 특별한 성질을 제공한다. 오랜 시간에 걸쳐 다양한 방법으로 숲 속에서 칼륨이 손실되면 숲의 생명체 수는 감소한다. 다행인 사실은 그 외에도 다른 칼륨의 원천이 존재한다는 것이다. 그것은 바로 숲에 존재하는 바위다. 특히 암반은 생명체에 필요한 많은 영양분을 함유한다. 아마도 이 암석은 한때 해양의 바닥이었을 것이다. 어쩌면 아주 오래전에 존재하던 숲의 미세한 잔해가 산재해 있는 바위일 수도 있다.(183 페이지)

이 바위가 풍화작용을 겪어 잘게 부서지면 서로 다른 종류의 곰팡이와 박테리아가 매우 작은 광물질 입자 표면에서 작용하여 생명체를 유지하는 데 필요한 영양분을 방출할 수 있다. 바위의 풍화작용에서 오는 영양분의 공급보다 영양분의 손실이 커지지 않는 이상 그 지역에서 생명체가 영원히 순환할 것이다. 우리는 식량을 생산하고 마실 수 있는 깨끗한 물이 필요할뿐만 아니라 땅에서 금속과 다른 원소를 추출하고 비료를 만들기 위해서도 그러하다. 자연은 두 가지 방식으로 우리를 위해 깨끗한 물을 생산해낸다. 하나는 태양이 바다로부터 또는 칼륨 광산에 마련된 증발 수조에서 수분이 증발하게 하는 것이다.

수증기는 육지 위의 기류를 통해 운반되어 비가 되어 내리고 우리가 사용할 수 있도록 개울이나 강에 모인다. 자연은 더러운 물을 정화할 수 있는 자체적인 필터를 가지고 있다. 물이 땅을 통과해 흐를 때 박테리아와 다른 미생물이 물에 용해된 물질을 분해한다. 다른 이물질들은 물이 흘러 지나갈 때 모래나 점토에 들러붙을 것이다.(187 페이지) 우리가 들이마시는 공기는 대부분(78 퍼센트) 질소로 이루어져 있어서 항상 질소가 우리에게 충분히 있다고 생각할 것이다.

문제는 대기 중의 질소 가스가 서로 강력하게 결합한 두 개의 원자로 이루어져 있다는 사실이다. 신체는 질소 원자들을 서로 떨어뜨려 사용할 수 없으므로 우리는 단순히 질소를 들이마시고 다시 내뱉는다. 미생물의 관여 없이 대기 중의 질소를 식물이 이용할 수 있게 만드는 유일한 자연 과정은 번개가 내리치는 것이다. 번개가 칠 때 매우 많은 에너지가 방출되어 공기 중의 질소와 산소가 서로 반응하여 새로운 분자를 형성한다. 없어서는 안 될 요소 중 마지막인 인은 대기 중에서 발견되지 않는다.

물에서도 그리 많은 양이 발견되지 않는다. 광물질의 표면에 들러붙는 경향이 있고 물에 용해되는 것보다 고체 형태로 있는 것을 더 좋아하기 때문이다. 우리는 인을 거두어들이기 위해서라면 고체 암석에 눈을 돌릴 필요가 있다. 인 원자는 사다리의 계단(DNA)이 서로 연결되게 해준다. 인이 없다면 DNA도 없고 생명 또한 존재할 수 없다. 식물의 광합성은 지구상의 우리가 삶에 연료로 사용하는 모든 태양에너지를 포획하는 과정이다. 식물은 태양에너지가 다시 우주로 사라지기 전에 먹이사슬을 통해 우회하도록 한다.(206 페이지)

지구는 다른 에너지원을 가지고 있다. 지구 지각에서 가장 무거운 원소 중 일부는 가끔 분열하는 원자핵을 가지고 있다. 이들 방사성 물질은 중성자별들이 서로 또는 블랙홀과 충돌할 때 형성될 수 있다. 원자핵이 분열할 때 발생하는 열은 지구 지각을 덥히고 지표면으로 흘러나간다. 광산을 채굴할 때 이를 관찰할 수 있다. 땅을 깊이 팔수록 온도는 점점 올라간다.(214 페이지) 지구에서의 열 흐름 구모는 매우 작다. 방사성 물질들이 에너지를 매우 느리게 방출하기 때문이다.

지난 수십년간 인간은 이들 과정이 더 빨라지게 만드는 방법을 개발해왔다. 핵발전소의 원자로가 고안되어 방사성 원소인 우라늄의 단일 핵이 쪼개지면 인접한 다른 우라늄 핵도 분열하게 된다. 그 결과 점점 더 많은 반응이 일어난다. 태양으로부터 우리를 향해 지속해서 흐르는 에너지는 태양 내부의 핵융합 반응을 통해 방출된다. 이것은 수소와 헬륨처럼 가벼운 원소의 핵이 합쳐져 다른 더 무거운 원소가 되는 과정에서 남는 에너지다. 융합반응을 위해서는 핵들이 엄청난 힘으로 함께 압력을 받아야 한다.

태양 내부 온도는 섭씨 1500만도 정도이며 지구 표면 공기압력의 3400억배에 이르는 압력을 가지고 있다. 이것은 지구상의 원자로에서 만들 수 있는 상태를 뛰어넘는다. 보통의 수소는 하나의 양성자만 가지는데 이 수소가 하나 또는 두 개의 추가 중성자를 가지는 더 무거운 유형의 수소에 의해 대체된다면 이는 더 극복하기 좋은 문제가 된다. 이 변종 수소를 중수소와 삼중수소라 한다. 중수소 원자의 무게는 평범한 수소의 2배다. 이것이 물 분자 속에서 수소의 위치를 차지하면 이루는 중수(重水; heavy water)라는 것을 얻게 된다.

중수는 플루토늄으로 핵무기를 생산하는 데 유용하다. 삼중수소는 중수소의 변종으로 형성된 지 몇 년 안에 분해되어 다른 원소가 되는 극도로 불안정한 물질이다. 핵 원자로에서 전자들이 원자에서 분리되어야 원자핵이 서로 융합할 수 있을 만큼 가까이 다가갈 수 있다. 매우 뜨거워 전자들이 원자에서 분리된 가스를 플라스마라 한다.

우리 태양계에 인간이 거주할 수 있는 다른 행성은 없다. 생명체는 우리가 거주하는 행성을 흙과 물, 숨 쉴 수 있는 충분한 산소, 해로운 방사선으로부터 우리를 보호해 주는 가장 바깥쪽 대기권의 오존층을 갖추고 살 수 있는 곳으로 변화시키는 데 수억 년이 걸렸다.

우리의 근육과 골격, 혈관은 우리가 지구에서 받는 중력에 정확히 적응되어 있다. 우리는 먼저 다가올 수십년 또는 수 세기 동안 지구상의 풍요롭고도 복잡한 사회를 어떻게 하든 여전히 유지해야 한다.(252 페이지) 계속되는 기하급수적 성장은 결국 태양과 지구 지각이 우리에게 제공할 수 있는 것보다 많은 양의 에너지를 요구할 것이다. 결국 영원한 기하급수적 경제 성장은 그에 상응하는 에너지를 사용하는 성장을 수반할 수 없다.(265 페이지)