화학의 A에서 Z까지...

아는 만큼 보이는 세상 : 화학 편 - 원자 결합부터 화학 변화까지 계산 없이 쏙쏙 이해하는 화학 ㅣ 아는 만큼 보이는 세상
사마키 다케오 지음, 최윤영 옮김, 이준호 감수 / 유노책주 / 2024년 4월

화학물질이라고 하면 폭발물이나 독극물과 같은 무서운 이미지가 떠오르겠지만 인간을 포함해 공기, 물, 음식, 의복, 건축물, 흙, 암석 등 주위의 온갖 사물을 이루고 있는 물질 역시 화학물질이다. 물질을 이루는 원자의 결합 방식이 바뀌어 지금까지와는 다른 새로운 물질이 만들어지는 변화를 화학변화라 한다.

얼음에 가해진 열이 물 분자 사이의 결합을 끊으면 성질이 바뀌는 것과 감람암에 물이 닿으면 사문암이 되는 것은 차원이 다르다. 전자는 물리적 변화이고 후자는 화학적 변화다. 김은 눈에 보이고 수증기는 눈에 보이지 않는다. 수증기와 달리 액체다. 수증기가 공기 중으로 나왔을 때 작은 물방울로 변한 것이 우리가 보는 김이다. 수증기는 무색투명해서 분자도 보이지 않는다. 1500배 정도 배율의 성능 좋은 광학 현미경으로도 이 물 분자를 볼 수 없다.

수증기는 100°C에서 더 나아가 200°C, 300°C를 넘는 고온의 상태가 되기도 한다. 이런 수증기를 과열(過熱) 수증기라 한다. 과열 수증기에 성냥을 가져다 대면 불이 붙고 종이도 태울 수 있다. 수증기에 젖는 것이 아니라 수증기에 타는 것이다. 물의 경우 고체보다 액체가 더 가벼운 이유는 물 분자의 결합 방식에 있다.

물 분자는 한 개의 산소 원자의 두 개의 수소 원자가 결합해 만들어진다. 여기서 두 수소 원자는 일정 각도(104.5°)를 이루는 꺾은 선 모양을 하고 있다. 물 분자의 수소 원자와 주변의 다른 물 분자의 산소 원자는 양전하와 음전하로 서로를 끌어당긴다. 이 결합을 수소 결합이라고 한다. 수소 결합은 일반 분자 간의 끌어당김보다 강력하다. 이를 다르게 표현하면 물 분자는 분자 내의 전기적 치우침이 큰 분자라고 할 수 있다.

수소 결합으로 만들어진 결정은 육각형 모양으로 배열되어 있다. 얼음은 수소결합 때문 틈새가 커진 경우다. 물이 녹아 액체가 되면 상당수의 수소 결합이 끊어지고 물 분자가 무질서하게 움직인다. 수소 결합이 사라지면 물 분자 사이의 틈이 메워져 밀도가 커진다. 얼음의 결합각은 109.5°이고 물의 결합각은 104.5°이다.

물은 유리도 녹인다. 근육 조직의 약 72% 정도가 수분이다. 남성은 60%가 물로 이루어졌고 여성은 55%가 물로 이루어졌다. 보통 남성이 여성보다 더 활력 있어 보이는 경우가 많은데 이는 근육이 많아 신체에 더 많은 수분을 품고 있기 때문이다. 물은 영양분이나 산소를 운반하고 신체에 필요한 다양한 화학반응을 일으킨다. 체온이나 삼투압을 조절하고 위생을 유지하는 데 도움을 주므로 생존하는 데 반드시 필요하다.

그렇기에 인류는 정착 생활을 시작한 뒤에도 깨끗한 물이 있는 곳에 모여 살았다. 물을 다른 말로 디하이드로젠 모노옥사이드라 한다. 수소 두개, 산소 하나라는 뜻이다. 대류권은 다른 대기권과 비교했을 때 고도에 따른 온도 변화가 유독 심하다. 성층권에서는 위쪽으로 올라갈수록 따뜻해지고 지표면에 가까워질수록 온도가 내려간다. 산소는 생물의 호흡이나 물체 연소에 꼭 필요한 기체다. 물에 어느 정도 녹기 때문에 물고기 등의 수중 생물이 물속에서 생활할 수 있는 것이다.

질소는 다른 물질과 반응하기 어려운 성질을 가지고 있다. 산소에 노출된 식품은 변질되기 쉬우므로 식품을 담은 용기 안에 질소를 충전해 이를 막기도 한다. 아르곤은 다른 물질과 반응하지 않는 기체다. 그래서 공기 중에 조용히 존재하다가 1894년이 되어서야 발견되었다. 반응성이 거의 없기 때문에 게으름뱅이를 뜻하는 그리스어 Argos에서 이름을 따왔다.

흥미로운 사실은 공기가 희박해져도 공기의 성분 조성은 변하지 않는다는 사실이다. 지구상에서 공기의 성분비는 거의 모든 곳에서 동일하다. 지상의 건조한 공기는 약 78%가 질소, 약 21%가 산소로 전체 공기의 99%가 이 두 가지 기체로 이루어져 있다. 이 밖에 아르곤 0.9%, 이산화탄소 0.04% 등이 포함된다. 이는 절대적인 것이 아니라 장소나 계절에 따라 조금씩 차이가 난다.

침팬지 등이 도구를 사용하는 동물이지만 도구를 만들기 위한 도구를 만드는 동물은 인간 외에는 없다. 인간이 구석기를 만들기 위해 격지를 활용한 것도 도구를 위한 도구의 사용예이다. 불로 조리를 하기 위해 그릇을 만든 것도 도구를 위한 도구를 만든 것이다. 이렇게 인간은 다른 동물들과 달리 불을 사용한다. 언제부터, 어떻게 불을 사용할 수 있게 되었는지는 명확하게 알려지지 않았다.

화산 폭발이나 낙뢰로 화재가 일어났을 때 얻은 불씨를 이용해 생활하는 데 불을 활용하기 시작했을 것으로 추측된다. 처음에 인류는 자연적으로 발생한 불씨만을 허용했을 것이나 점차 스스로 불을 피울 수 있게 되었다. 가스통 바슐라르는 인간은 사물(나무)의 심장 속에 숨겨진 열정과 사랑을 끌어내려는 에로틱한 몽상 때문에 불을 만들어내게 되었다고 말한다. 바슐라르는 막스 뮐러의 말을 인용하여 불은 두 나뭇 조각에서 태어난 자식이라는 말을 했다.

불은 자신을 낳아준 부모라는 나무를 태우는 존재다. 이는 불이 가진 모순을 드러내는 말이다. 인류는 불을 다룰 수 있었기에 화학 변화도 일으킬 수 있었다. 근대화학의 아버지인 라 부아지에는 칼 빌헬름 셀레와 조지프 프리스틀리가 독자적으로 발견한 지중해 기체를 산소라 명명했고 물질이 연소하는 이유가 가연성 물질과 산소의 화학 변화 때문임을 밝혔다. 화학에서는 라부아지에의 이론에 설명을 추가해 물질이 열과 빛을 내며 격렬하게 산소와 반응하는 현상을 연소(燃燒)라 정의한다.

석유난로는 등유를 넣어 사용한다. 등유의 인화점이 상온보다 높아 심지 부분만 연소되기 때문이다. 휘발유는 절대 안 된다. 휘발유는 인화점이 낮아서 불을 붙이면 심지뿐 아니라 휘발유 본체가 연소하기 때문이다. 금속은 다른 물질에 비해 유독 전기가 잘 통한다. 사실 금속에서 광택이 나는 이유와 전기가 잘 통하는 이유는 서로 같다. 금속만의 독특한 원자 결합 방식 때문이다.

금속 원자들은 다른 금속 원자와 결합할 때 자신들의 가장 바깥에 있는 전자를 공유한다. 이 과정에서 외부로 내놓인 전자들은 일종의 구름 형태로 존재하며 원자 사이를 자유롭게 날아다닌다. 이를 전자 구름이라고 부른다. 전자들은 이 전자 구름 속에서 서로 결합하고 덕분에 금속 원자들은 재료를 형성할 수 있게 된다. 이러한 금속의 결합 방식을 금속 결합이라고 한다. 이때 전기로 이루어진 전자들이 전자 구름으로 이루어진 금속의 표면과 내부를 자유롭게 돌아다님으로써 금속 전체에 전기가 잘 통하게 된다.

전자 구름은 가시광선을 받으면 흡수했다가 다시 내보내는 방식으로 빛을 반사한다. 이는 금속에서 광택이 나는 이유이다. 원소명은 상당히 애매하게 사용되고 있다. 산소라고 했을 때 그것이 원소의 산소를 가리키는지, 오존과 구별되는 홑원소 물질의 산소인지, 산소 분자인지,산소 원자를 말하는 것인지 문맥을 보며 추측할 수밖에 없다.

스테인레스는 철에 크로뮴과 니켈을 더해 만든 합금이다. 스테인레스가 녹이 슬지 않는 이유는 매우 치밀한 산화 피막 즉 녹으로 보호되어 있기 때문이다. 토기는 주로 입자가 아주 미세하고 무른 흙인 점토로 만든다. 점토는 물을 넣고 반죽하면 적당한 끈기가 생겨 다양한 형태로 만들 수 있다. 이를 불에 구우면 전과 달리 매우 딱딱해진다.

점토는 암석이 침식되거나 풍화되면서 만들어진 퇴적물이다. 점토를 구성하는 물질 중 가장 많은 비중을 차지하는 것은 이산화규소이다. 이는 다이아몬드와 같은 무기 고분자로 한 덩어리가 하나의 분자로 구성된다. 이는 원자들이 공유 결합으로 수없이 많이 연결되어 만들어지기 때문이다. 메소포타미아는 나무가 잘 자라지 않는 곳이라 집을 짓는 데 목재를 사용할 수 없었다.

그래서 햇볕에 말린 벽돌로 담장과 건물을 세우며 도시를 형성했다. 그러나 흙 벽들은 비바람을 맞으면 흙으로 되돌아가버린다는 단점이 있었다. 메소포타미아와는 달리 인더스 문명에서는 구운 벽돌을 사용했다. 이를 소성(燒成) 벽돌이라고 한다. 당시 인더스강을 중심으로 광범위한 지역에서 단단한 소성 벽돌 문명이 확산한 것으로 추정한다. 이들은 소성 벽돌을 이용해 집을 만들었고 집집마다 우물, 부엌, 빨래터를 두었다.

생활 하수를 배출할 수 있는 하수도 또한 소성 벽돌을 이용해 만들었다. 소성 벽돌을 이용해 매우 치밀하게 도시 전반을 건설한 것이다. 인더스 문명은 기원전 1700년경에 멸망한다. 그 이후에는 여러 가지 설이 있지만 소성 벽돌을 이용한 도시 건설이 주된 원인으로 보인다. 소성 벽돌을 만들기 위해서는 불이 필요하다. 이를 위해서는 과도하게 산림을 벌채하면서 주위의 자연환경이 무너졌고 인더스강이 대홍수를 일으킨 것이 아닌가 추측한다.

고대 로마의 나폴리 근교 지역에는 자연적으로 만들어진 시멘트가 존재했다. 바로 화산재다. 고대 로마인들이 화산재를 굳혀 만든 콘크리트를 로마 콘크리트라 부른다. 로마 콘크리트를 이용해 만든 대표적 건물이 바로 판테온 신전이다. 일부 신전의 지붕은 지은 지 2000년이 지났는데 여전히 견고하다.

판테온 신전은 층마다 다른 시멘트가 사용돼 쉽게 파손되지 않는다. 위로 올라갈수록 콘크리트의 무게와 밀도를 줄인 것이다. 이를 밀도 점층공법이라 한다. 이것이 고대 로마제국의 멸망으로 끊긴 기술이다. 판테온 신전은 현재도 남아있는 세계 최대의 무근(無筋) 즉 철근이 들어 있지 않은 콘크리트 구조물이다. 그리스 파르테논 신전은 천연 대리암으로만 지워진 건물이다.

유리는 수소와 결합한 상태여서 추가로 산소와 만난다고 하더라도 더는 산화되지 않는다. 유리는 황산, 염산, 질산 같은 산에도 영향을 받지 않는다. 화학약품을 유리병에 넣어 보관하는 이유이다. 유리는 고무나 나무 조각과 같이 전기가 흐르지 않는 절연체이기도 하다. 유리는 고온에 노출되면 일정 온도에서 액화하지 않고 점차 부드러워져 마침내 유동성을 갖는다. 그래서 유리는 딱딱하지만 매우 점성이 높은 일종의 액체라고도 볼 수 있다.

가스는 원래 별다른 냄새가 나지 않는다. 가정에서 사용하는 가스는 냄새가 나는 미량의 기체를 섞어 가스 노출을 바로 알아차릴 수 있도록 했다. 불꽃놀이는 금속이 불에서 얻은 열에너지를 빛 에너지로 바꿔 방출하는 과정을 우리가 눈으로 보는 것이다. 불꽃 반응을 일으키지 않는 금속도 있다. 이것은 전자가 고에너지 상태에서 저에너지 상태로 돌아갈 때 가시광선이 아닌 빛을 내기 때문에 우리 눈에 보이지 않기 때문이다.

니트로 글리세린은 니트로 셀룰로우스와 마찬가지로 화약으로 이용하기가 어려워 현대에는 주로 심장약의 재료로 활용한다. 결국 흑색 화약은 새로운 화약이 발명되었음에도 오랜 시간 동안 계속 사용되었다. 보르도액이라는 농약이 있다. 프랑스 보르도는 프랑스에서 포도가 잘 재배되는 한 지역의 이름이다. 이 지방에서는 포도를 자주 도둑맞았다. 그래서 황산구리와 석회를 섞은 혼합액을 포도에 살포해 도난을 방지하고자 했다.

그러자 포도나무에 발생하는 포도 녹음병의 발병률이 상당히 줄어들었다. 사람들은 황산구리와 석회 혼합액을 사용함으로써 녹은 병의 발생을 막을 수 있다는 사실을 알게 된 것이다. 사람들은 이 농약을 마을 이름을 따서 보르도액이라 불렀다. 즉 농약은 포도 도둑을 쫓아내려 다 탄생한 것이다.(포도 도둑을 막으려다가 탄생한 것이 농약이 아니라 살균제라는 말이 있다.)

레이첼 카슨의 [침묵의 봄] 이후 미국과 세계가 개발도상국의 말라리아 퇴치를 원조가 중단되자 개발도상국에서 말라리아로 사망한 사람이 수백만 명이나 되었다는 사실도 있다. DDT가 말라리아를 죽이는 데 큰 몫을 한 것이다. 처음 발명되었을 때 꿈의 물질로 알려졌으나 현재는 오존층을 파괴하는 환경 오염 물질로 낙인찍힌 것이 프레온이다. 반면 대체 프레온은 온실효과가 강하다. 현재는 이소부탄이라는 탄소와 수소가 결합한 물질을 사용한다. 다만 이소부탄은 불을 붙이면 연소해 불편하다. 냉장고, 에어컨 등에는 여전히 대체 프레온을 사용한다.

이는 석면(石綿; Asbestos)의 사례를 닮았다. 석면은 과거에 신이 내린 선물, 기적의 물질(Miracle Mineral) 또는 꿈의 소재로 불리며 전 세계 산업계의 엄청난 찬사를 받았다. 석면은 현재 인체에 명백히 유해한 1급 발암물질로 지정되었다.

천연 염료 가운데 쪽이나 꼭두서니는 고대 이집트에서 미라 염색에 사용되었다. 페루, 멕시코 등의 선인장에 기생하는 곤충인 연지벌레 암컷의 체내에 존재하는 붉은 색소로 만든 염료가 코치닐이다. 마야문명과 잉카 문명 때부터 립스틱으로, 천을 염색하는 용도로 사용했다. 페루 등 남미에서는 현재도 선인장을 재배해 이를 먹이로 하는 연지벌레를 대량 사육한다. 음료수 라벨에 코치닐 추출물, 카민(Carmine), 식품첨가물 분류 코드 ‘E120으로 표기되어 있다면 이 성분이 들어간 것이다. 연지(胭脂) 벌레를 cochineal insect라 한다.

아닐린은 모브(mauve)를 탄생시킨 매트릭스이자 핵심 원료다. 인디고(쪽)에서 아닐린(방향족 아민 화합물로 투명한 기름 같은 액체)을 발견했고 아닐린으로 모브(부드러운 연보라색)를 창조했다. 물론 지금은 모브를 염색에 사용하지 않는다. 염료는 섬유와 끈끈하게 잘 얽히며 쉽게 떨어지지 않아야 한다. 섬유 분자의 틈새에 색소 분자가 들어가 화학적으로 결합해 단단히 부착되어야 한다. 염색 견뢰도(Color Fastness)는 염색된 섬유나 가죽 제품이 세탁, 햇빛, 마찰 등 외부 자극을 받았을 때 원래의 색을 얼마나 잘 유지하는가를 나타내는 저항성(품질 표준)이다.

안료는 물과 기름에 녹지 않고 염료는 녹는다. 고대인들은 산화철 분말에 짐승의 기름 등을 섞어 사용했다. 산화철 분말은 지금도 적색 안료로 사용된다. 수지(樹脂)에는 천연과 합성 두 가지가 있다. 플라스틱은 합성 수지다. 수지란 나무껍질에 상처를 내면 분비되는 끈적끈적한 액체가 굳은 것으로 가장 유명한 것이 송진(松津)이다. 플라스틱은 가소성(可塑性) 또는 소성(塑性)을 의미한다. 소성이란 물질에 가해지는 압력이 강해 탄성을 잃은 상태 즉 변형된 채로 있는 성질을 말한다.

플라스틱은 인위적으로 만든 물건이어서 먹이로 삼는 미생물이 없어 자연 분해가 어렵다. 생분해성 플라스틱은 일반 플라스틱과 제품성은 동일하지만 사용 후 미생물의 작용을 통해 물과 이산화탄소로 분해된다. 생분해성 플라스틱은 환경 오염을 줄일 수 있는 훌륭한 기술이지만 별도의 수거 및 전문 퇴비화 시스템이 함께 갖춰져야만 효과를 내는 미완의 대안이다.

원유를 채굴하면 가장 먼저 분별 증류를 한다. 분별 증류란 두 개 이상의 물질이 섞여 있는 용액에서 끓는 점의 차이를 이용해 성분을 나누는 방법이다. 분별 증류를 이용하면 휘발유, 액화 석유 가스, 나프타, 등유, 경유 등을 얻을 수 있다. 원유에 포함된 나프타, 등유, 경유 등의 끓는점이 다른 이유는 각 성분을 구성하는 탄화수소 분자의 크기(탄소 개수)와 무게가 다르기 때문이다. 탄화수소 분자가 무겁다(분자량이 크다)는 말과 탄소와 수소의 양(개수)이 많다는 말은 동의어다. 탄화수소 양이 많으면 끓는점이 높다.

원유에서 이들을 뽑아낸 후 얻어지는 점성유를 중질유라 한다. 중질유는 선박 연료로 사용된다. 이를 한 번 더 분별 증류하면 끈끈한 고체 상태의 아스팔트가 된다. 경질유는 끓는점이 비교적 낮고(대략 200℃ 이하), 탄소 개수가 적어 비중이 작고 끈적임 없이 투명하게 흐르는 기름들이다. 석유가스, 휘발유, 항공유 및 등유, 석유 나프타 등은 경질유다. 경유는 중간유다. 윤활유, 아스팔트, 벙커C유(선박용 연료) 등은 중질유다. 경질유가 비싸고 고급이다. 중질유와 경질유 가운데 경질유가 먼저 나온다. 끓는점이 낮아 먼저 분리되는 경질유가 더 비싼 이유는 현대 산업에서 수요가 압도적으로 높은 고부가가치 제품을 훨씬 많이 만들 수 있기 때문이다.

대형 화물선이나 화력발전소는 하루에 소비하는 연료의 양이 상상을 초월한다. 중질유는 원유를 정제하고 남은 찌꺼기 기반이라 휘발유나 경유에 비해 가격이 매우 싸다. 대형 산업에서는 연료비가 곧 사업의 성패를 가르기 때문에 환경 규제를 만족하는 선에서 가장 단가가 낮은 중질유를 쓰는 것이 비용을 획기적으로 줄이는 방법이다. 중질유는 상온에서 조청처럼 끈적거리고 불순물이 많아 승용차 같은 소형 정밀 엔진에 넣으면 노즐이 바로 막히고 엔진이 터진다. 중질유는 가벼운 경질유에 비해 탄소 원자가 빽빽하게 뭉쳐 있는 무거운 구조여서 부피당 발열량(에너지 밀도)이 매우 높아 한 번 불이 붙으면 엄청나게 강하고 지속적인 열을 내뿜는다. 수만 톤의 화물을 싣고 태평양을 건너야 하는 대형 선박이나 끊임없이 터빈을 돌려 전기를 생산해야 하는 화력발전소에 필요한 지치지 않는 강력한 뚝배기 같은 화력을 제공하기에 완벽한 연료다. 벙커C유라는 이름은 선박의 연료 창고(Bunker)에 들어가는 가장 무거운 C등급 중유라는 뜻이다. C유란 점도가 높다는 의미다. A유는 점도가 낮다는 의미다. B유는 중간 점도라는 의미다.

석유 생성 가설에는 생물 기원설과 비생물 기원설이 있다. 석유 속 헤모글로빈 고리 모양의 분자 때문에 생물 유래설이 유력하다. 비생물 기원설은 지구가 만들어질 당시 내부에 갇힌 탄화수소가 열과 압력으로 변한다는 주장이다. 과거 생물이 존재하지 않았을 것으로 보이는 장소에서도 유전(油田)이 발견되기 때문에 비생물 기원설도 완전히 부정할 수 없다. 원유가 비생물 기원(무기원설) 기름이라면 화석 연료라는 표현은 과학적으로 틀린 말이 된다. 이 경우 지하 광물 자원 또는 탄화수소 연료라고 해야 할 것이다.

현재 과학이 목표로 하는 것은 녹색 화학이다. 녹색 화학이란 유해물질 배출을 최소화 하고 폐기물의 발생량을 줄이며 에너지와 자원을 효율적으로 이용하며 사고 예방을 위한 근본적인 방법을 생각하고 환경오염 예방을 위한 실시간 분석을 진행하는 등의 다섯 가지 목표를 추구하는 화학이다.