화학은 물질의 변화를 연구하는 학문이다. 물리처럼 추상적인 내용이 많고 계산 문제도 무척 많고 생물처럼 외워야만 하는 내용이 한 가득인 분야다. 다른 말로 화학이란 친숙한 물질의 변화를 원자나 분자의 화학 변화라는 미시적 관점에서 이해하는 학문이다. 화학의 세계에서 물질이 변화하는 현상을 화학 변화라고 한다. 방대한 종류의 물질을 구성하는 요소는 약 30종의 인공 원소를 제외하면 겨우 90종의 원소에 지나지 않는다. 90종의 원자에 주목하면 물질이 어떻게 변화하는지를 알게 되면서 화학에 대한 이해도 깊어진다. 90 종류 중에서 80% 이상이 금속 원소다. 금속 원소로만 이루어진 물질을 금속이라 부른다. 주기율표의 세로줄 1, 2, 13, 14, 15, 16, 17, 18족의 원소를 전형원소(典型元素)라 부른다. 같은 족의 원자는 가장 바깥 껍질에 전자수가 같으므로 화학적 성질이 비슷하다.
전헝원소가 아닌 나머지 원수를 전이원소(轉移元素)라 한다. 저자는 화학식과 화학반응 식에 등장하는 원소 기호를 10개로 한정한다. 수소, 탄소, 산소, 질소, 염소, 나트륨, 마그네슘, 아연, 철, 구리다. 물질은 아무리 작아도 질량과 부피를 지닌다. 반대로 이야기하면 질량과 부피가 있으면 물질이라고 한다. 물질의 질량은 형태가 변하든 상태가 변하든, 운동하든 정지해 있든, 지구상에 있든 달에 있든 변하지 않는 실질적인 양이다. 화학에서는 흔히 물질이라는 말을 쓴다. 물리학에서는 물체라는 말을 쓴다. 형태나 크기 등의 형상에 주목했을 경우 물체라 부른다. 물체의 재료를 물질이라 부른다.
모든 물질은 원자로 이루어져 있다. 수많은 원자가 모여서 만들어진 것이 물질이다. 원자가 연결되어 분자라는 입자를 형성하고 그 분자가 모여서 만들어진 것이 물질이다. 이온이라 불리는 '전기를 띤 원자나 전자의 집합으로 이루어진 입자'를 물질이라 한다. 물질을 거시적으로 바라봄과 동시에 물질을 구성하는 원자의 모습을 머릿속에 그리는 것이야말로 화학을 한층 더 잘 이해하기 위한 핵심이다. 원자는 더 이상 나눌 수 없다. 물론 그것은 화학적인 수단으로라는 조건하에서다. 원자는 종류에 따라 질량이나 크기가 정해져 있다. 화학 변화에서 다른 종류의 원자로 변하거나 없어지거나 새로 생겨나는 경우는 없다.
현재 원소는 원자의 종류를 나타내는 것으로 인공적으로 만든 원소를 포함해 118종이 주기율표에 정리되어 있다. 인간의 몸을 구성하는 원자의 무게는 순서대로 산소, 탄소, 수소, 질소, 칼슘, 인이다. 우리가 먹는 음식물의 근본으로 거슬러 올라가보면 공기 중의 이산화탄소라고 할 수 있다. 이산화탄소 속의 탄소는 이처럼 소멸되지 않고 지구상을 빙글빙글 순환하는 셈이다. 현재 우리의 몸을 구성하는 탄소 원자 대부분은 원래 식물이 흡수한 이산화탄소다. 이는 식물이 빨아들이기 전에 어떤 동물이 호흡을 통해 내뱉은 이산화탄소일 수도 있다. 아니면 그 동물의 시체가 미생물에게 분해되면서 공기 중으로 배출된 이산화탄소였을 수도 있다. 우리 몸을 구성하는 원소의 원자 일부는 과거 어떤 동물의 몸을 구성했던 원자였을지도 모른다. 어쩌면 역사상 절세의 미녀였다던 클레오파트의 몸을 구성했던 원자였을지도 모른다.
화학 변화를 거치기 전이나 거친 후나 물질 전체의 질량은 변하지 않는다. 질량이 보존된다는 뜻이다. 질량 보존 법칙은 반응하는 장소에서 어떤 물질이 빠져나가면 그만큼 가벼워지고 뭔가가 들어와서 결합하면 그만큼 무거워진다는 뜻이다. 금속인 철이나 마그네슘도 불에 탄다. 이것들을 불에 태우고 나면 그 전보다 질량이 늘어난다. 연소 후에는 산화철과 산화 마그네슘이 생성된다. 질량이 늘어난 이유는 그만큼 산소가 결합했기 때문이다. 이 산소는 공기 중에서 유래하므로 공기에서는 그만큼 산소가 줄어들 것이다. 나무, 종이, 양초, 등유 등이 연소하면 가벼워지는 이유는 생성된 물질이 공기적으로 달아나버리기 때문이다. 질량이 감소한 것처럼 보이기 마련이다.
나무나 종이, 양초, 등유 등은 탄소, 수소, 산소로 이루어져 있으며 불에 타면 탄소는 이산화탄소로, 수소는 물로 변화한다. 생성된 물질을 모두 모으면 본래의 가연물에서 반응한 산소의 양만큼 질량이 늘어나게 된다. 원자를 기준으로 생각해보자. 화학 변화를 거친다 하더라도 원자는 파괴되거나 사라지지 않는다. 어떤 화학 변화가 일어난다 해도 전이나 후의 원자의 개수, 종류는 변하지 않는다. 원자가 결합하는 상태가 달라질 뿐이다. 반응 전후로 질량이 변하지 않는다는 사실은 당연하다. 원소는 아직까지 애매모호하게 사용되고 있다. 산소라는 단어는 원소인 산소를 말하는지 오존과 구별되는 홑원소 물질을 말하는지 산소 분자를 말하는지 산소 원자를 가리키는지는 문장을 통해 추측할 수밖에 없다.
화학 변화와 화학 반응은 같은 뜻이지만 화학 변화는 변화의 결과, 화학 반응은 변화의 과정을 중시하는 경우가 많다. 질량 보존의 법칙은 물리 변화와 화학 변화에서 모두 성립한다. 예외는 핵분열이나 핵융합처럼 질량과 에너지의 상호 교환을 무시할 수 없는 경우다. 미시적으로 보면 원자는 사라지지 않고 새로 태어나지도 않는다. 화학 변화가 일어나더라도 원자의 재구성이 일어날 뿐 원자 전체의 종류와 개수는 달라지지 않는다. 물질을 형성하는 원자, 분자, 이온이라는 아주 작은 입자가 뿔뿔이 흩어지면 온도가 낮아진다. 서로 끌어당기고 있던 것을 억지로 떼어 놓으려면 에너지가 필요하다. 이때 사용하는 에너지는 다른 곳에서 받아올 수 없다. 그러므로 자신의 온도를 낮추는 방식으로 작용한다.
탄소는 유기물의 중심 원자다. 탄소를 중심으로 산소나 수소 등과 결합하면 수많은 물질이 만들어진다. 금속 원자로는 나트륨, 마그네슘, 아연, 철, 구리 등 다섯 개다. 이들은 상온에서 고체 형태를 띤다. 구리만 붉고 나머지는 모두 은색이다. 하나 같이 전기, 열을 잘 전달한다. 같은 원소로 이루어져 있지만 원자의 결합 방식이 달라서 성질이 다른 물질을 동소체(同素體)라 한다. 물, 암석, 금속처럼 생물의 작용을 빌리지 않고 만들어진 물질을 무기물이라 한다. 현재 유기물은 탄소를 중심으로 한 물질이라는 의미로 쓰인다. 2억 종이 넘는다고 하는 물질의 90% 이상이 유기물이다. 다만 일산화탄소, 이산화탄소, 탄산칼슘 등의 탄산염은 탄소가 원소로 포함되어 있지만 유기물이 아니다.
탄소가 연소되면서 생겨나는 이산화탄소는 산소 원자 두 개와 탄소 원자 한 개가 결합한 이산화탄소 분자로 이루어져 있다. 가장 간단한 유기물은 메테인이다. 메테인 분자는 산소 원자 한 개에 수소 원 자 네 개가 결합해 있다. 분자의 형태는 완전한 정사면체로 중심에 탄소 원자, 꼭지점 네 곳에 수소 원자가 있음을 알 수 있다. 메테인이 연소되면 산소와 반응해 메테인의 C 원자는 이산화탄소, H 원자는 물이 된다. 과학의 역사를 거슬러 올라가보면 원시시대의 인류가 불을 이용한 시간까지 거슬러 올라가게 된다. 불을 이용하면서 가열을 통해 금이나 청동, 철 등의 금속을 얻는 기술까지 손에 넣게 되었다.
아리스토텔레스가 사원소설을 주장한 것은 데모크리토스의 원자론에 대한 비판 차원이었다. 인류의 문명사를 크게 석기 시대, 청동기 시대, 철기시대로 분류한 사람은 19세기에 활약했던 덴마크의 고고학자 크리스티안 톰센이다. 고대사회에서 처음으로 이용된 금속은 자연 상태에서 금속의 형태로도 산출되었던 금과 굴이었다. 또한 철질운석(철과 니켈의 합금)도 이용되었다. 금은 아름답지만 도구로 사용하기에는 너무 물렀다. 자연 구리나 철질 운석은 양이 많지 않았다. 지구상의 금속 대부분은 산소나 황 등의 화합물인 광석의 형태로 존재하고 있다. 따라서 인류는 광석의 목탄 등과 섞어 함께 가열해서 금속을 얻는 기술을 손에 넣게 된다. 이는 생산 기술에 본격적으로 화학반응을 응용한 사례였다.
광석에서 금속을 추출하거나 추출한 금속을 정렬하거나 합금을 만드는 기술을 야금이라고 한다. 야금으로 광석에서 금속을 뽑아내는 것은 몹시 어려운 작업이었다. 가령 구리는 자연 구리로도 존재하지만 보통은 구리 광석에서 뽑아낸다. 구리 광석의 경우는 구리가 산소나 황과 결합해 있기 때문에 광석에서 산소나 황을 제거하지 않으면 금속 형태의 구리는 얻을 수 없다. 구리 자체는 무르지만 주석과의 합금인 청동으로 변화시키면 주석 함유 비율에 따라 경도를 조절할 수 있다. 철광석의 경우 철과 산소 등은 구리와 산소에 비해 훨씬 강하게 결합되어 있어서 철광석에서 철을 얻는 것은 몹시 어려운 일이었다. 그래서 인류는 목탄을 사용해 광석에서 철을 정렬하는 기술을 손에 넣게 된다.
현대 화학의 근본 원리는 원자론이다. 방사성 원자가 존재하기 때문에 원자는 부서지지 않는다는 사고방식은 틀린 셈이지만 고대 그리스 시대에 원자론을 떠올린 자연 철학자가 존재했다는 사실은 실로 놀라운 일이었다. 아리스토텔레스는 원자론을 두고 '어떠한 물질이든 때려서 부수면 작은 알갱이가 되지 않는가. 부서지지 않는 알갱이 따위는 존재하지 않는다. 진공 역시 존재할 리 없다. 눈으로 보았을 때 텅 빈 공간 같아도 뭔가가 채워져 있다'고 비판했다. 당시 사람들은 아리스토텔레스의 생각을 자연은 진공을 싫어한다는 말로 표현했다.
판 헬몬트는 62kg의 나무를 태우는 실험을 했다. 실험이 끝나자 1.1kg의 재가 남았다. 발생한 증기는 얼핏 공기와 닮았지만 모아서 양초를 넣어보니 불이 꺼졌다. 즉 나무에는 공기와 비슷한 것이 포함되어 있다고 생각한 그는 이것을 나무의 스피릿이라고 불렀다. 이 나무의 스피릿은 와인이나 맥주를 발효시키거나 알코올을 연소시킬 때 생겨나는 공기 비슷한 것과 동일한 물질이라 생각했다. 거듭된 실험 끝에 공기 이외에도 공기와 비슷한 것이 무척 많다는 사실을 깨달았다. 연금술사이기도 했던 헬몬트는 최초의 우주는 무질서한 카오스였다는 고대 그리스 신화에 따라 이 공기와 비슷한 것을 카오스라 부르기로 했다. 헬몬트가 거주하던 지역에서는 자음을 목청소리로 강하게 발음하기 때문에 카오스는 가오스라고 들렸고 이후 가스라는 말로 변했다.
원자는 중심에 자리한 원자핵과 그 주변의 전자로 이루어져 있다는 사실이 밝혀졌다. 원자 속의 전자는 원자핵 주변에서 몇 개의 층(전자 껍질)으로 나뉘어 운동하고 있다. K 껍질, L 껍질, M 껍질, N 껍질 등이 원자핵과 가까운 안쪽부터 순서대로 배치되어 있다. 가장 바깥쪽 전자 껍질의 전자는 원자와 원자가 결합할 때 중요한 작용을 한다. 화학 변화에서는 원자의 재구성이 일어나는데 이때 변화하는 것은 원자핵이 아닌 전자들이다. 특히 가장 바깥쪽 전자 껍질의 전자를 주고 받거나 공유하기도 한다. 이때 원자와 원자의 결합은 화학 결합이라고 한다. 화학 결합으로는 이온 결합, 공유 결합, 금속 결합의 세 가지가 있다. 비활성 기체를 제외한 대부분의 모든 물질은 원자와 원자의 화학 결합을 통해 형성된다.
원자핵을 구성하는 양성자의 개수와 중성자의 개수를 더한 값을 그 원자의 질량수라 한다. 원자핵의 양성자와 그 주변의 전자는 개수가 동일하기 때문에 원자는 전체적으로 전하를 띠지 않는다. 원자 속 전자는 원자핵 주변에서 몇 개의 층으로 나뉘어 운동하고 있다. 이러한 층을 전자 껍질이라고 한다. 원자핵과 가까운 안쪽부터 K 껍질, L 껍질, M 껍질, N 껍질의 순서로 배치되어 있다. 각각의 전자 껍질에 들어갈 수 있는 전자의 최대수는 정해져 있다. K, L, M, N 껍질 순으로 2, 8, 18, 32이다. 원자는 원자번호와 동일한 수의 전자를 가지며 안쪽의 전자 껍질부터 순서대로 전자가 채워진다. 가장 바깥 껍질의 원자는 원자와 전자가 결합할 때 중요한 작용을 하기 때문에 원자가 전자라 부른다.
가장 바깥 껍질의 전자가 여덟 개인 상태는 매우 안정적이므로 다른 원자들은 비활성 기체의 전자 배치와 동일해지려는 경향이 있다. 주기율표의 가로줄은 주기, 세로줄은 족이라 부른다. 1, 2, 13~18족을 전형원소라 한다. 나머지는 전이 원소라 한다. 원자는 비활성 기체의 전자배치에 가까워지려 한다. 주기율표의 18족인 비활성 기체는 화학적으로 아주 안정적이어서 화합물을 형성하기 어려운 물질이다. 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe), 라돈(Rn), 오가네손(Og)이 18족에 속한다. 가장 바깥쪽 전자 껍질이 모두 채워져(2개 또는 8개) 매우 안정되어 다른 원소와 화학 반응을 거의 하지 않고 단원자 분자 기체로 존재한다.
헬륨의 경우 2개, 네온, 아르곤, 크립톤 등은 8개이다. 아르곤은 K 껍질(정원 2개), L 껍질(정원 8개)에 채워진 후 M 껍질(정원 18개)로 들어가는 데 전자껍질이 몇 개로 나뉘어 있어서 안정성이 서로 다르다. 전형원소 중에서 1족과 2족은 가장 바깥 껍질 전자의 개수가 각각의 족 번호와 동일하다. 13~18족 원소의 가장 바깥 껍질 원자는 각 족 번호 1의 자릿수와 개수가 동일하다. 전형원소의 경우 같은 족 원자들은 가장 바깥 껍질의 전자의 수가 같다. 이 점 때문에 동일한 족의 원소들은 무척 유사한 화학적 성질을 보인다. 1족, 2족의 경우 주기율표 아래쪽에 자리한 원자일수록 원자핵의 영향권에서 멀어져가는 까닭에 가장 바깥 껍질의 전자가 원자로부터 벗어나기도 쉬워진다.
따라서 아래쪽 원자일수록 전자를 잃는 반응이 현저하게 나타난다.(107, 108 페이지) 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘, 프랑슘 등 수소를 제외한 1족은 알칼리 금속이라 부른다. 알칼리 금속은 반응성이 뛰어난 가벼운 금속으로 1가 양이온이 된다. 족에서 아래의 원소 일수록 가장 바깥 껍질에 전자가 원자핵에게서 벗어나기 쉽다. 이는 전자를 내보내기 쉬운 만큼 반응성도 높아진다는 뜻이다. 물에 넣으면 리튬은 조용히 수소를 발생시키면서 반응해 수산화리튬이 된다. 소듐은 쌀알 크기의 경우 수소를 발생시키며 수면을 이리저리 휘젓다 수산화소듐으로 변한다. 젖은 여과지 위에 올려두면 수소에 불이 붙어 노란색 불꽃과 함께 타오른다. 큰 덩어리를 물에 넣으면 폭발해 물기둥을 일으킨다.
소듐보다 아래에 있는 포타슘은 쌀알 만한 알갱이를 물에 넣으면 보라색 불꽃을 피어 올리며 수면을 휘젓다가 수산화포타 슘으로 변한다. 원자핵에서 가장 바깥 껍질이 멀수록 가장 바깥 껍질의 전자를 내보내기 쉬워지고 원자핵에서 가장 바깥 껍질에 가까울수록 가장 바깥 껍질로 전자를 받아들이기 쉬워진다. 주기율표의 중앙에 자리한 제 3 주기에서는 알루미늄을 기준으로 크게 금속 원소와 비금속 원소의 두 가지로 나뉜다. 금속 원소와 비금속 원소가 반응하면 대부분의 경우 이온성 화합물이 형성된다. 양이온과 음이온이 전기적으로 균형을 이루며 생겨나는 결정이 이온 결정이다. 이온성 화합물을 염이라고 부른다.
물은 각종 물질을 용해하는 능력이 매우 뛰어난 액체다. 바닷물에는 60 종 이상의 원소가 녹아 있다. 유성 물질은 물에 거의 녹지 않는다. 염화 소듐 같은 이온성 화합물은 음과 양의 두 이온이 서로를 끌어당기고 있다. 이처럼 이온이 서로를 끌어당기는 힘이 물속에서는 결정 내부의 약 80분의 1로 낮아진다. 그만큼 물속에서는 음양의 두 이온이 흩어지기 쉬워진다는 뜻이다. 기본적으로 이온성 화합물은 물에 녹아 양이온과 음이온으로 뿔뿔이 흩어진다. 염기는 화학적으로는 산과 반대되는 물질이다. 산과 중화되어 염과 물을 만들어낸다. 물을 만들어내지 않는 경우도 있다. 염기는 염의 기본이라는 뜻으로 산과 중화되어 염을 형성하는 물질이라는 의미이다.
알칼리의 칼리란 재를 뜻한다. 금속을 이용한 역사는 그 금속을 광석에서 추출해내는 난이도와 크게 관련이 있다. 자연 금, 자연 은, 자연 구리처럼 홑원소 물질이 그대로 산출되기도 하지만 금속은 대부분 산화물, 황화물 형태로 산출된다. 이들 화합물이 강하게 결합되어 있을수록 광물에서 금속을 추출하기 어려워진다. 금, 은, 수은, 구리, 철이 오래 전부터 알려져 있었고 이어서 납, 주석 그리고 이후에 아연이 추출된 이유는 결합력의 차이 때문이다. 세상의 물질을 아주 대략적으로 분류하자면 이온성 화합물, 분자성 화합물, 금속 등의 3대 물질로 나뉜다. 이온성 화합물은 금속 원소와 비금속 원소의 결합으로 생겨난다. 금속 원자가 양이온으로 변하고 비금속 원자가 음이온으로 변해서 결합한다. 분자성 화합물은 비금속 원소간의 결합으로 생겨난다.
금속은 금속 원소의 원자가 금속 결합으로 결합하면서 생겨난다. 암석과 모래는 이산화규소로 이루어져 있다. 지구의 지각을 형성하는 암석의 주성분이 규소와 산소다. 이산화규소로 이루어진 대표적인 광물이 석영이다. 그 중에서도 아름다운 결정형을 띤 석영은 수정이라는 이름으로 불린다. 다이아몬드나 이산화 규소 등의 고체는 공유 결합 결정이다. 공유 결합은 무척 강한 결합이므로 그 결정은 녹는점이 대단히 높다. 대부분의 물질은 고체 쪽이 더 밀도가 크므로 같은 부피라면 고체가 더 무겁다. 하지만 물의 경우 빈틈이 많은 구조인 얼음이 녹아서 물로 변하면 부분적으로는 얼음의 구조가 남아 있지만 다른 물 분자가 빈틈을 메워주기 때문에 액체임에도 밀도가 더 커진다.
물처럼 밀도가 고체보다 액체가 높은 물질은 규소, 갈륨, 저마늄, 비스무트 등 한정적이다. 지구상에서 수소는 분자의 형태로 존재하지만 지구의 중력으로는 수소를 대기권에 잡아둘 수 없으므로 대기 중에는 거의 존재하지 않는다. 수소 기체는 기체 중에서 가장 가볍다. 수소는 불에 타면 물이 된다. 탄소나 탄소를 포함하는 화합물을 공기 중에서 연소시키면 이산화탄소가 생겨난다. 탄소나 탄소를 포함하는 화합물이 불완전 연소를 일으키면 일산화탄소가 생긴다. 산소는 지각에서 가장 많은 원소다. 불에 잘 타는 물질이다. 불을 붙이면 푸른 불꽃과 함께 타올라 이산화황으로 변한다. 이산화황은 아황산가스라는 별명도 있다. 무색의 자극적인 냄새의 유독가스다.
마그네슘 성분이 많이 함유된 물은 설사를 유발하기도 한다. 마그네슘 화합물은 변비약으로 사용된다. 탄산칼슘은 물에 녹지 않는다. 탄산칼슘으로 이루어진 석회석은 시멘트의 원료로 사용된다. 달걀껍질이나 조개껍질의 주성분 역시 탄산칼슘이다. 석회석을 고온으로 가열하면 이산화탄소를 배출하고 생석회(산화칼슘)가 된다. 석회암으로 이루어진 지역에서 생겨난 동굴을 종유동이라고 한다. 석회암은 물에 녹지 않지만 이산화탄소가 지나치게 많으면 탄산수소 칼슘으로 변해서 용해된다. 녹은 부분이 커지면서 동굴로 변하게 된다.
철과 탄소가 결합된 강철은 물이나 청동보다 단단하고 강해서 도구나 무기, 건축자재로 쓰였다. 우주에서 지구로 날아온 운석 중에서 주성분이 철인 운석 을 철질운석이라고 부른다. 대부분의 철질 운석에는 5- 15%의 니켈이 포함되어 있다. 인류가 처음으로 접한 철은 운철이었을 것이다. 다양한 고체의 1 cm³당 질량을 구하려면 어떻게 해야 할까? 물론 1 cm³ 크기의 물체를 만들어서 질량을 측정하면 되겠지만 매번 그렇게 하기는 어렵다. 물체를 부수지 않고 1 cm³ 질량을 구하려면 질량과 부피를 측정해서 단위 부피당 질량을 계산하면 된다. 자연에 존재하는 동위원소의 비율은 거의 일정하다. 수소 원소에는 안정 동위원소인 수소와 중수소, 방사성 동위원소인 삼중수소가 있다.
모든 분자는 항상 격렬하고 복잡하게 운동하고 있다. 이 운동을 열 운동이라고 한다. 고체의 경우 부들부들 떨리는 진동이라는 운동을 한다. 온도란 미시적 관점에서 보자면 분자가 얼마나 운동을 열심히 하는지를 나타내는 정도이다. 열심히 운동하면 고온, 얌전하면 저온인 셈이다. 온도가 낮아진다는 말은 분자의 운동이 점점 완만해진다는 뜻이다. 그러다 결국 분자도 운동을 멈추게 된다. 분자의 운동이 멎었을 때의 온도가 바로 - 273.15°C로 이보다 낮은 온도는 존재하지 않는다. 그렇다면 높은 온도는 어떨까? 분자가 계속해서 운동하면 온도는 높아진다. 몇 만 도, 몇 억 도, 몇 조 도도 가능하다. 이때 분자는 파괴되어 플라스마 상태가 된다.
어떤 물질이 산소와 결합했을 때 물질이 산화되었다고 표현한다. 이 화학반응을 산화라고 부른다. 산화물이 산소를 잃으면 물질은 산원되었다고 표현하며 이 화학반응을 환원이라고 한다. 19세기 초까지 화학자들 사이에서는 유기물을 인공적으로 만들 수 없다는 사고방식이 팽배했다. 그런데 1828년 독일의 화학자 프리드리히 뵐러가 무기물인 사이안산암모늄을 가열하는 과정에서 유기물인 요소를 인공적으로 만들어내고 말았다. 뵐러가 인공적으로 요소를 만든 후 무기물에서 다양한 유기물이 인공적으로 만들어진다는 사실이 밝혀지기 시작했다. 그리고 유기물은 유기체라는 생명력을 지닌 생물이 만든 물질이 아니라 탄소 골격에 수소가 결합한 탄화수소를 기본으로 산소 원자나 질소 원자 등이 포함된 물질이라 여겨지게 되었다. 수소와 산소를 섞고 그냥 내버려두기만 해서는 반응이 일어나지 않는다. 적절한 비율로 섞은 후 불을 붙이거나 전기 불꽃을 튀기면 격렬한 반응을 일으키며 물이 생겨난다. 수소와 산소는 물보다 에너지가 많음에도 섞어도 자연스럽게 반응이 일어나지 않는 이유가 대체 뭘까?
우리가 산을 넘어갈 때 산의 높이에 따라 오르기 어렵거나 쉬울 때가 있듯이 화학반응 역시 에너지의 산이 높을수록 반응이 진행되기 어렵다. 불을 붙이거나 전기 불꽃을 튀기는 것은 이 산을 넘어갈 수 있게끔 돕는 작업이다. 이 에너지의 산만 넘는다면 비로소 수소 화합물 그리고 생성된 물의 에너지 차이 만큼 에너지를 방출하면서 반응이 진행된다. 반응이 더 쉽게 일어나도록 에너지의 산을 낮추는 데 쓰이는 물질이 바로 촉매이다. 촉매를 사용하면 반응에 필요한 활성화 에너지의 산을 낮춰주므로 반응 속도를 높일 수 있다. 촉매는 고체, 기체, 액체 어떠한 상태라도 상관없으며 작용하는 동안 자신은 계속해서 변화하지만 작용을 마치면 본래대로 돌아가기 때문에 반응 전후로 질량은 변화하지 않는다.
