[마이리뷰] 문과 남자의 과학 공부

문과 남자의 과학 공부 - 나는 무엇이고 왜 존재하며 어디로 가는가?
유시민 지음 / 돌베개 / 2023년 6월

화학이 이렇게 재미있는 거였어??!!
- 백퍼 공감.
- 재미를 느끼도록 쓰는 솜씨가 대단하다
- 다른 화학책을 뒤적거리며 설명을 읽어보니 원자나 전자를 의인화한(유시민 왈 인문학적) 설명이 갖는 매력을 따를 수 없다



고등학교에서 배운 화학은 신기하지 않았다. 그럴만한 내용이 있었는데도 이해하지 못해서 그랬을 것이다. 나는 소금이 왜 물에 녹는지 뒤늦게 이해했다. 그걸 아는 게 뭐 그리 대단한 일이냐고? 내겐 대단했다. 인문학 책에서는 오랫동안 만나지 못했던 감정을 느꼈다. 놀라움과 짜릿함. ‘소금물이 그런 거였어?!’ 이런 감정을 느낀 이유를 말하려면 ‘빌드업’을 할 필요가 있다 - <문과 남자의 과학 공부>, 유시민 - 밀리의 서재
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물은 산소 원자 하나와 수소 원자 2개가 전자 두 쌍을 공유한 분자화합물이다. 산소 원자를 꼭짓점 삼아 수소 원자 2개가 V자로 가지처럼 붙어 있다. 잠시 인문학 언어를 쓰자. 산소 원자는 수소 원자보다 욕심이 많고 힘도 세다. 그래서 수소와 공유하는 전자를 자기 쪽으로 살짝 당겨 놓는다. 그 불균형 때문에 물은 중성이지만 산소 원자는 음전하를 띠고 수소 원자 2개는 양전하를 띤다. - <문과 남자의 과학 공부>, 유시민 - 밀리의 서재
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소금은 나트륨(Na)과 염소(Cl)의 이온화합물이다. 나트륨 원자는 전자를 11개 보유한다. ...나트륨 원자가 최외곽 전자껍질에 혼자 있는 전자를 방출하면 전자가 양성자보다 하나 적어져 양전하를 띤 나트륨 이온이 된다. 염소 원자는 전자가 17개다. 전자는 첫 번째 전자껍질에 2개, 그다음 전자껍질에 8개, 최외곽 전자껍질에 7개가 있다. 염소 원자가 혼자 돌아다니는 전자 하나를 영입해 최외곽 전자껍질을 전자 8개로 채우면 전자가 양성자보다 하나 많아져 음전하를 띤 염소 이온이 된다. 두 이온이 서로를 끌어당겨 뭉친 것이 염화나트륨(NaCl)이다. - <문과 남자의 과학 공부>, 유시민 - 밀리의 서재
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소금이 물에 들어오면 음전하를 띤 물 분자의 산소 원자가 양전하를 띤 소금 분자의 나트륨 이온을 움켜쥔다. 양전하를 띤 물 분자의 수소 원자는 음전하를 가진 소금 분자의 염소 이온을 낚아챈다. 물을 이루는 두 원자가 그렇게 갈퀴질을 해서 소금 분자를 찢어발긴 것이 소금물이다. - <문과 남자의 과학 공부>, 유시민 - 밀리의 서재
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거시세계의 힘 대 미시세계의 힘 원자는 왜 안정되어...

거시세계의 힘 대 미시세계의 힘

원자는 왜 안정되어 있을까? 원자핵과 전자 사이의 빈 곳을 그 무엇도 침범하지 못하는 이유는 무엇인가? 물질은 왜 뒤섞이지 않는가? 힘 때문이다. 세 가지 힘이 텅 빈 원자를 꽉 찬 물질로 보이게 한다. 우주에는 네 가지 근본적인 힘이 있다. 중력, 강력, 약력, 전자기력이다.17 중력은 우주를 뭉치게 한다. 중력이 있어서 지구는 태양 주변을 돌고 태양은 우리 은하에 묶여 있으며 우주는 은하계로 이루어진 거대한 구조를 유지한다. 그러나 원자 규모의 미시세계에서 중력은 아무 힘을 쓰지 못한다. - <문과 남자의 과학 공부>, 유시민 - 밀리의 서재
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원자의 구조를 결정하고 원자를 결합해 물질을 형성하는 힘은 핵력과 전자기력이다. 핵력은 강력强力과 약력弱力 두 가지가 있다. 강력은 양성자와 중성자를 뭉쳐 원자핵을 만든다. 양성자와 중성자는 근본입자가 아니며, 둘이 주고받는 ‘파이 중간자’도 마찬가지다. 그 입자를 만드는 쿼크가 글루온이라는 입자를 교환하면서 강력을 만든다. 약력은 ‘원자핵의 베타 붕괴’에 관여한다. 베타 붕괴는 원자핵의 중성자와 양성자가 전자나 양전자를 방출하고 양성자와 중성자로 바뀌는 현상이다. 약력은 정말 약하지만 미시세계인 원자핵 안에서는 중력보다 세다. 전자기력이 원자들을 조합해 다양한 물질을 만드는 현상은 4장에서 이야기했다. - <문과 남자의 과학 공부>, 유시민 - 밀리의 서재
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색즉시공, 공즉시색 우리가 감각으로 인지하는 세계는...

색즉시공, 공즉시색


우리가 감각으로 인지하는 세계는 물질로 꽉 차 있다. 눈에는 아무것도 보이지 않아서 비어 있는 것 같지만 지구 행성의 모든 공간은 공기로 가득하다. 달과 지구, 지구와 태양, 태양과 다른 별, 은하와 은하 사이에도 물질이 존재하지 않는 공간은 없다는 걸 우리는 안다. 그렇지만 그 역逆도 성립한다. ‘겉보기는 꽉 찼으나 실제로는 텅 비어 있다.’ 원자가 어떻게 생겼는지 알면 이 말을 수긍하게 된다. 석가모니가 그런 뜻으로 말했다는 게 아니다. 그가 원자의 구조를 알았을 리 없다. 우연일 뿐이다. 그래도 흥미롭긴 하다. - <문과 남자의 과학 공부>, 유시민 - 밀리의 서재
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원자핵을 농구공 크기로 확대하고 전자도 같은 비율로 키운다. 그래도 전자는 여전히 잘 보이지 않을 정도로 작은 점이며 농구공에서 10킬로미터 정도 떨어져 있다.15 서울로 치면 세종문화회관 자리에 농구공이 하나 있고 영등포역 근처에 깨알보다 작은 점 하나가 있는 그림이다. 농구공과 점 말고는 아무것도 없다. 수소 원자는 이렇게 생겼다. - <문과 남자의 과학 공부>, 유시민 - 밀리의 서재
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세상은 원자로 꽉 차 있고, 원자는 모두 텅 비어 있다. 존재와 무를 어찌 구분할 것인가. ‘색즉시공 공즉시색’을 양자역학과 엮으면 이렇게 해석할 수 있다. - <문과 남자의 과학 공부>, 유시민 - 밀리의 서재
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원자, 원소와 주기율표 - 재미있다! 화학 공부하고...

원자, 원소와 주기율표
- 재미있다! 화학 공부하고 싶다


원자는 성격이 제각각이다. 혼자서 조용히 지내는 원자가 있는가 하면, 아무 원자하고나 들러붙으려 하는 원자도 있다. 멀어져가는 다른 원자를 붙잡지 않고 다가오는 다른 원자를 밀어내지 않는 원자도 있다. 어떤 원자는 같은 원자들과 친하고 어떤 원자는 다른 원자를 좋아한다. 호시탐탐 남의 전자를 넘보는 원자가 있는가 하면, 자신의 전자를 슬쩍 내버리거나 길 잃은 전자를 조용히 영입하는 원자도 있다. 왜 그러는 걸까? - <문과 남자의 과학 공부>, 유시민 - 밀리의 서재
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전자껍질은 여러 층이 있다. 원소 주기율표의 한 주기를 전자껍질 한 층으로 보면 된다.

1층은 오비탈이 하나뿐이다. 오비탈 하나에는 전자가 하나 들어가거나 스핀이 다른 전자 2개가 들어간다.

2층부터는 전자껍질에 오비탈이 여럿 있어서 더 많은 전자가 들어갈 수 있다. 원소의 성질과 관련해서는 원자의 전자껍질이 몇 층이고 전자가 모두 몇 개인지는 중요하지 않다. 원자핵에서 제일 멀리 있는 전자껍질, 줄여서 ‘최외곽 전자껍질’에 전자가 몇 개 들었는지에 따라 원소의 성질이 달라진다.

1층은 전자 2개가 들어가면 만석이고, 2층과 3층은 각각 전자가 8개 들어가면 꽉 찬다. 4층과 5층은 전자 18개, 6층과 7층은 전자 32개가 들어가야 모든 오비탈이 찬다.


원자한테는 최외곽 전자껍질을 전자로 채우는 게 중요하다. 최외곽 전자껍질에 빈자리가 있는 원자는 다른 원자의 전자를 탐낸다. 주기율표 우측 2열 3열의 산소·황·염소가 그렇다. 반면 최외곽 전자껍질에 전자가 한두 개밖에 없는 원자는 누구한테든 전자를 떠넘기거나 버리려고 안달한다. - <문과 남자의 과학 공부>, 유시민 - 밀리의 서재
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주기율표를 이해하면 화학의 기본을 안다고 할 수 있다. 원소의 구조와 성질, 원소를 발견한 사람과 경위, 원소 이름의 유래, 주기율표의 역사 등을 상세히 알고 싶은 독자에게는 『원소의 왕국』(피터 앳킨스 지음, 김동광 옮김, 사이언스북스, 2005)을 추천한다. 차례를 보면 지리학 책 같지만 내용은 처음부터 끝까지 양자역학과 화학이다. - <문과 남자의 과학 공부>, 유시민 - 밀리의 서재
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주기율표의 세로 열은 족族(group)이라고 한다. 같은 족에 속한 원소는 성질이 비슷하다. 좌측 첫 열의 수소·리튬·나트륨(소듐)·칼륨(포타슘)은 매우 사교적이다. 호시탐탐 다른 원소와 결합할 기회를 노리고 기회가 생기면 즉각 달라붙는다. 좌측 둘째 열의 마그네슘과 칼슘도 정도는 덜하지만 그런 편이다. 우측 둘째 열의 염소와 요오드는 매우 사교적이고, 우측 셋째 열의 산소와 황도 그런 편이다. 그러나 맨 우측 열의 헬륨·네온·아르곤·크립톤은 혼자서 논다. 주변에 다른 원소가 있어도 아무 관심이 없다. 중간 열에 있는 탄소·질소·규소·인 등은 다른 원소와 뭉치려고 안달하지 않지만 뭉칠 기회가 오면 거부하지 않는다. - <문과 남자의 과학 공부>, 유시민 - 밀리의 서재
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원자핵에서 제일 멀리 있는 전자껍질, 줄여서 ‘최외곽 전자껍질’에 전자가 몇 개 들었는지에 따라 원소의 성질이 달라진다. 1층은 전자 2개가 들어가면 만석이고, 2층과 3층은 각각 전자가 8개 들어가면 꽉 찬다. 4층과 5층은 전자 18개, 6층과 7층은 전자 32개가 들어가야 모든 오비탈이 찬다.
원자한테는 최외곽 전자껍질을 전자로 채우는 게 중요하다. 최외곽 전자껍질에 빈자리가 있는 원자는 다른 원자의 전자를 탐낸다. 주기율표 우측 2열 3열의 산소·황·염소가 그렇다. 반면 최외곽 전자껍질에 전자가 한두 개밖에 없는 원자는 누구한테든 전자를 떠넘기거나 버리려고 안달한다. 주기율표 좌측 1열 2열의 수소·나트륨·칼륨·칼슘이 그렇다. 소금이 녹고 종이가 불타는 게 다 그 때문이다. 반면 최외곽 껍질이 만석인 원자는 남의 전자에 관심이 없다. 헬륨·네온·아르곤 같은 원소는 아무 일을 하지 않으며 있다는 티를 내지도 않는다. - <문과 남자의 과학 공부>, 유시민 - 밀리의 서재
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오래전 기억, 공유결합과 이온결합 둘 이상의 원자가...

오래전 기억, 공유결합과 이온결합

둘 이상의 원자가 서로 전자를 공유해 화합물을 만드는 것을 ‘공유결합’이라 하고, 전자를 방출하거나 영입해 양이온이나 음이온이 된 원자들이 서로 끌어당겨 화합물을 만드는 것을 ‘이온결합’이라고 한다. 금속 원소의 원자들이 고체 결정을 형성하는 ‘금속결합’은 환원주의라는 이번 장의 주제와 거리가 있어서 특별히 말하지 않겠다.
공유결합이 만든 ‘분자화합물’은 부드러워서 액체나 기체가 많은 반면, 이온결합이 만든 ‘이온화합물’은 고체인 경우가 많다. 예컨대 분자화합물인 물은 액체, 이온화합물인 소금은 고체다. 그렇지만 원자를 결합하게 만드는 것은 두 경우 모두 전자電子(electron)다. - <문과 남자의 과학 공부>, 유시민 - 밀리의 서재
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