화학 변화가 일어나면 하나 이상의 물질에서 원자들이 재배치된다. 예를 들면, 천연 가스 중에 있는 메테인(CH4)이 공기 중에서 타서 산소(O2)와 결합하면(combustion), 이산화탄소(CO2)와 물(H2O). 이 과정은 반응물(reactant, 메테인과 산소)은 화살표 왼쪽에, 생성물(product, 이산화탄소와 물)은 화살표 오른쪽에 표시한 화학반응식(chemical equation)으로 나타난다 : CH4 + 2O2 ----> CO2 + 2H2O
여기에서 원자들이 재배치되었음에 주목하라. 결합이 깨어지고 새 결합이 형성되었다. 화학반응에 있어서 원자들이 생기거나 없어지지 않는다. _ 스티븐 줌달, <줌달의 일반화학 (Zumdahl)> , p123
반응물과 생성물 간의 관계를 나타내는 화학 반응식. 물질이 산소와 결합(燃燒)하는 화학변화를 통해 이산화탄소와 물로 분해되는 위의 단순한 식(式)은 화학변화를 통해 원자들의 변화는 발생하지 않음을 보여준다. 원자 생성이 아닌 원자 재결합/배치를 설명한 위의 내용에서 열역학제1법칙(에너지 보존의 법칙) 을 떠올리게 된다. 법칙에 따르면 에너지 또한 원자와 마찬가지로 생성/소멸되지 않는다.
열역학 제1법칙을 말로 표현하면 에너지는 결코 생성되거나 파괴될 수 없으며, 형태와 위치만 변할 수 있다. 열역학 제1법칙에 의하면 에너지 변화는 시스템이 받은 열 Q에서 시스템 자체가 외부에서 수행한 일 W를 뺀 것과 정확히 같다는 것을 말해준다. 초기 상태에서 최종상태로의 시스템 에너지 변화는 두 상태의 에너지 차이에만 의존하고, 상태 간에 이동하는 경로에는 의존하지 않는다. 시스템이 닫힌 순환과정을 거쳐 초기 상태로 되돌아가면 시스템의 에너지 변화는 없다._ 스티븐 베리, <열역학> , p29/129
이러한 두 개념을 연소방정식을 통해 우리는 원자(atom)와 열(熱)을 연결시킬 수 있을 것 같다. <줌의 일반화학>에서는 연소반응식을 통해 '계'와 '주위' 사이에 에너지보존법칙을 보여준다. 미시적 세계에 속하는 원자가 화학적 변화를 일으키며 만들어지는 생성물과 에너지. 이 중 에너지는 온도, 압력, 밀도, 질량, 부피 등 거시적 특성을 변환시키는 과정을 통해 우리는 현대문명생활을 누리고 있는 것임을 수식을 통해 발견한다. 그리고, 이러한 반응을 통한 생성물인 이산화탄소에 눈이 가는 것은 기후변화문제가 시급한 지금의 시점에서 당연할 것이다.
역학적 변화의 예는 화학 변화가 일어나는 계에도 적용할 수 있다. 예를 들어, 메테인은 여러 미국 가정에서 난방용으로 쓰이고 있으며 이것의 연소반응식은 다음과 같다.
CH4(g) + 2O2(g) ----> CO2(g) + 2H2O(g) + 에너지(열)
반응에 의해 열이 발생하면 발열(exothermic)이라고 하며, 에너지가 계(system)로부터 방출된다. 예를 들면, 메테인의 연소에서는 에너지가 열의 형태로 계에서 주위(surroundings)로 흘러나간다... 주위가 얻은 에너지는 계가 잃은 에너지와 같아야한다. 주위로의 열 흐름은 반응이 일어나는 계의 퍼텐셜 에너지가 낮아지는 것에 기인한다. 이는 언제나 참인 명제이다. 어떠한 발열 반응에서라도, 화학결합에 저장되었던 퍼텐셜 에너지의 일부가 열을 통해 열에너지(무질서한 운동 에너지)로 변환된다. _ 스티븐 줌달, <줌달의 일반화학 (Zumdahl)> , p268
<줌달의 일반화학>에서 설명된 반응식은 천연가스를 활용한 에너지 생성을 보여주는데, 천연가스의 주성분인 메테인 뿐 아니라, 휘발유의 성분인 옥테인(Octane C8H18)도 결국은 이산화탄소와 물, 에너지를 발생시키는 탄소화합물이라는 점에서 공통점을 갖는다. 이들의 공통점이 가져오는 부작용이 이산화탄소로 인한 온실효과(green house effect)다.
석탄 또는 천연가스의 경우 에너지는 화학결합에 저장되며, 부분적으로 열로 변환될 수 있다. 이 과정은 석탄 또는 가스가 연소(쉽게 말하면 그냥 태우는 것)라고 하는 화학반응을 거치면서 탄소 원자들끼리의 결합, 또는 탄소와 수소 원자 사이의 결합이 원래 연로에는 없었던, 산소와의 새롭고 더 강력한 결합으로 대체됨으로써 일어난다. 이런 방식으로 일부 화학 에너지를 열로 변환할 수 있다. _ 스티븐 베리, <열역학> , p18/129
앞서 화학 반응식을 통해 현재 에너지원으로 석유, 석탄, 천연가스에 지나치게 의존하고 있는 상황에서 막대한 양의 이산화탄소가 배출되는 것은 피할 수 없어 보인다. 그리고, 이렇게 발생하는 이산화탄소가 대기 중에석 적외선을 만나 열을 발생시키고, 그 열로 온실효과가 생겨난다는 것도 자연스럽게 연결지을 수 있다.
CO2 분자는 기본적으로는 전기적인 치우침을 갖지 않는 분자이다. 그러나 극히 작은 전기적인 치우침이 일시적으로 생기는 일이 있다. 그래서 CO2가 전자기파를 받으면, CO2 분자가 가지는 두 곳의 'C와 O의 결합 부분'이 스프링처럼 신축하거나 구부러진다. 그 결과 CO2분자가 진동해서 열이 발생한다. 이러한 진동을 유발할 수 있는 전자기파는 적외선 뿐이다. _ 일본 뉴턴프레스, <지구 온난화 : 인류가 직면한 최대의 과제> , p64
물론, 기온을 올리는 원인이 온실효과만 있는 것은 아니다. '태양 복사'와 지구' 반사율' 변화도 다른 주요한 요인이지만, 최근 급격하게 이루어지고 있는 기온 변화와 밀접한 관계를 맺고 있는 것이 이산화탄소 증가율임을 생각해 본다면, 지구온난화로 인한 기후변화를 막기 위해 화석연료의 사용을 줄여야 한다는 것은 당연한 사실이다. 이산화탄소 농도 증가의 주된 요인은 인간의 활동임이 명백하다. 이산화탄소 동위원소의 조성 변화로부터 증가된 이산화탄소가 대부분 식물성 물질, 즉 화석 식물에서 유래한 바이오매스biomass 나 화석연료의 연소 같은 과정에서 나온다는 것을 알 수 있다. 대기 중 산소 농도의 미세한 변화도 증가된 이산화탄소가 식물성 물질의 연소로부터 나왔음을 말해준다. 또한 해양의 이산화탄소 농도도 함께 증가해왔는데, 이는 대기 중 이산화탄소 농도의 증가가 바다에서 이산화탄소가 방출된 결과일 수는 없음을 말해준다. 모든 증거를 종합하면 대기 중 이산화탄소 농도의 증가는 인위적 원인에 의한 것이며, 주로 화석 연료의 연소 때문임이 명백하다. _ 태피오 슈나이더, <온실가스의 증가로밖에 설명되지 않는다> <한국 스켑틱 SKEPTIC vol.10 : 지구 온난화의 과학>, p110/226
이와 함께 우리는 이산화탄소 문제 해결을 위해 보다 많은 식물이 필요하다는 사실도 알고 있다. 이산화탄소를 활용해 에너지원을 얻는 광합성작용(photosynthesis)으로 산업화시대 이전 지구의 대기는 안정화상태에 있었다. 이들 반응식을 나란히 쓴다면, 아래 [그림]처럼 정리할 수 있을 것이다. 그리고, 다른 조건들이 일정하다면, 우리의 문제는 이들 두 개의 화학 반응식으로 초점을 좁힐 수 있을 것이다. 생성물로서 이산화탄소를 반응물로 돌리는 광합성 작용으로 오랜 기간 대기는 안정화되어왔다. 그렇지만, 이러한 순환구조는 늘어나는 에너지 발전으로 인한 이산화탄소 배출량의 급증과 함께 늘어나는 산림파괴로 인해 균형이 파괴되었다는 것도 우리 모두는 이미 알고 있다.
CO2(Carbon dioxide) + 6H2O(water) ----(Light)---> C6H12O6(sugar)+ 6O2(oxgen)
[그림] 화석연료와 광합성의 화학 반응식(by 겨울호랑이)
그렇지만, 우리는 우리에게 주어진 문제에 적절한 답을 내놓고 있지 못하고 있다.
최근 <르몽드 디플로마티크 Le monde diplomatique> 2022.7월호의 기사는 이제는 상식이 되버린 환경문제를 경제문제로 해석하고 오답을 써내리는 우리의 문제를 잘 보여준다. 1도의 기후변화가 가져올 재앙은 대수롭게 생각하지 않으면서 50 bp(1 basis point=0.01%, 50bp=0.5%) 기준금리 인상으로 인해 늘어나는 이자상환 부담은 대재앙으로 받아들이는 현실. 아무래도 우리는 기후위기가 금융위기가 되기 전까지는 적절하게 대처하지 않을지도 모른다는 생각에 마음이 무거워진다.
1973년의 석유파동은 서구 경제에 막대한 손실을 초래했지만 석유의 시대를 연장하고 궁극적으로 OPEC의 영향력을 서서히 약화시키는 역할을 했다. 실제로 북해, 페르시아 만, 멕시코, 알래스카 유전들의 개발 수익성이 보장된 것은 시간이 흐르는 동안 여러 차례 위기를 겪으면서 배럴당 유가가 20달러, 30달러, 나아가 50달러라는 한계 가격을 초과했기 때문이다. 캐나다의 오일샌드, 베네수엘라의 중유 그리고 미국 셰일 오일의 경우도 마찬가지다. 특히 2000년대 초반까지만 해도 거의 언급되지 않았던 셰일 오일은 이제 미국의 석유 자급자족의 초석 역할을 하고 있다. _<석유의 시대를 연장한 오일 쇼크> <르몽드디플로마티크 2022.7> 中
이런 현실은 마을의 풍경만 봐도 알 수 있다. 골짜기가 많은 이 지역에는 산봉우리 몇 개가 눈에 보일 뿐, 푸른 방목장과 젖소만이 한없이 펼쳐져 있다. 우리가 만난 목축업자들은 척박한 토양에 대한 푸념을 늘어놓았다. 풀이 한 겹 사라지면 즉시 토양이 메마르기 때문이다. 비료는 워낙 비싸 목축업에 쓰기에는 수지 타산이 맞지 않고, 새로운 방목지를 찾으려면 어쩔 수 없이 또 한 곳을 벌목해야 한다. 그러면 또 이 새로운 방목지가 고갈되고, 또 다른 벌목이 이어지며 악순환이 반복된다. 최근 발표된 통계치에 따르면 2020년 7월~2021년 8월 이런 식으로 파괴된 아마존 우림의 면적은 1만 3,000㎢로, 2019~2020년 동 기간 대비 22% 증가했다. 이로써 2021년은 아마존 산림 파괴에 있어 또 한 번의 새로운 기록을 세웠다. _<산림파괴의 상징, 벼랑 끝의 아마존 횡단도로> <르몽드디플로마티크 2022.7> 中
그나마 최근 급격하게 올라가고 있는 기온을 보면서 엔트로피 법칙에 따라 공통 평형상태까지는 우리에게 시간이 주어졌다고 위안을 삼아야 할까. 공통 평형상태에 이르기 전 대부분의 생물들과 인간들이 멸종하지 않는다는 확실한 증거가 있다면 그럴 수도 있겠다...
엔트로피 변화는 시스템의 단위 온도 당 교환되는 열의 양보다 크거나 같아야 한다. 따라서 주어진 열교환에 대해서 엔트로피 변화는 일반적으로 높은 온도보다 낮은 온도에서 더 크다. 저온에서 약간의 열이 입력되면 고온일 때보다 새로 접근할 수 있는 상태의 수가 크게 달라지며, 엔트로피는 시스템이 도달할 수 있는 상태의 수가 결정된다고 할 수 있다.... 엔트로피는 어떤 식으로든 낭비되거나 의도하지 않았거나 무질서한 것을 반영 또는 측정하는 것이다. _ 스티븐 베리, <열역학> , p34/129
제2법칙의 또 다른 설명은 다음과 같다. 열의 형태로 에너지를 교환할 수 있는 시스템들은 처음에는 서로 다른 온도에 있어도 궁극적으로는 초기 온도와 열용량에 의해서만 결정되는 어떤 공통 온도에 도달하게 된다. 복합시스템은 가능한 가장 높은 엔트로피 상태로 이동하여 공통 평형상태로 완화된다. 이것이 바로 시스템들이 같은 온도를 공유하는 상태에다. 시스템의 온도가 서로 다른 모든 상태는 엔트로피가 낮다. _ 스티븐 베리, <열역학> , p37/129