아톰으로 이루어진 세상

아톰으로 이루어진 세상

저 : 라이너 그리스하머

역 : 송병찬

출판사 : 생각의나무

발행일 : 2003년

 

여름 장마가 완전히 끝났다고 생각하고 있었던 터라 지금처럼 많은 비가 오는 것은 생각도 못해봤다. 짧은 기간의 우악스러운 폭우는 서울을 비롯한 중부지방에 큰 상처를 입히고 있는 듯 하다. 갑작스럽게 내가 사는 한국이 제3세계에 나올 법한 혼란에 빠지다 보니, 당혹스러운 면도 없지 않았다. 사람들은 오세훈이 이끄는 서울시가 '디자인 서울'이라는 전시성 행정에 치우쳐 발생한 인재라는 비판과 부자들이 산다는 강남이 피해를 입어서 고소하다는 반응까지 나온다. 원인이 어떤 것이었든 피해가 빨리 복구되고 상처받은 사람들의 마음이 조금이나마 빨리 안정을 찾길 빌 뿐이다.

아톰으로 이루어진 세상, 이라는 이 책을 처음 읽으면서 솔직히 말한다면 약간은 짜증이 나기도 했다. 부제가 '이런 앙증맞은 원자들의 세계라니!'라는 것을 발견했을 때 좀 의심해봤어야 되지 않냐는 생각도 했다. 하지만, 읽어 나가면서 화학이라는 도통 나같은 평범한 사람들과는 전혀 친해지지 못할 학문에 대해서 관심이 생겼다고 한다면, 이 책의 매력은 이미 다 이야기 했다고 믿어 의심치 않는다. 그렇다. 이 책은 화학을 보다 쉽게 친절하게 설명한 책이며, 주기율표를 만든 드미트리 이바노비치 멘델레에프 (Dimitrij Iwanowitsch Mendelejew)와 생물학자 겸 작가인 레이첼 루이스 카슨 (Rachel Louise Carson)을 가상의 선생님으로 하고 원자와 화합물을 학생으로 하여 화학의 세계를 쉽게 풀어 쓴 책이다. 따라서 가벼운 마음으로 읽을 만한 교양서라 할 수 있다.

원소는 단지 한 종류의 원자만으로 이루어진 물질을 의미하며, 금 원소는 셀 수 없이 많은 금 원자들로 이루어져 있으며, 요오드 원소는 셀 수 없이 많은 요오드 원자로 이루어져 있다. 하나의 원자는 더 이상 다른 물질로 쪼개지지 않으며세계의 기본 요소라 할 수 있다. 원자의 질량은 가장 가벼운 수소를 1로 하는데, 탄소 12, 철 56, 산소 16 등 서로 다른 원자량을 가지며 원자 사이의 결합에 의한 화합물의 질량은 각 원자의 질량을 합한 것과 같다. 한편, 물질은 다양한 형태, 즉 동소체를 형성할 수 있다. 예를 들어, 석탄, 흑연, 다이아몬드는 동일한 탄소 원자로 구성되어 있지만, 어떻게 결합되었는지 어떤 방식으로 결합되었는지 하는 사실에도 의존한다는 것을 알 수 있다. 이런 각 원자의 끓는 점과 녹는 점은 서로 다 다르다.

그렇다면 왜 각 원자는 서로 결합하는 형태가 다른 것인가. 이는 어니스트 러더퍼드와 닐스 보어의 원자핵-껍질 모형을 참고하면 알 수 있다. 즉, 실험으로부터 보어는 원자껍질 속에서 전자들은 아무렇게나 떠도는 것이 아니라, 언제나 일정한 궤도 위에서 원자핵 주위를 돌고 있다는 것을 추론했다. 이는 전자의 수에 따라서 복층 구조를 나타내는 데 가장 바깥에 있는 궤도가 결합형태를 결정한다. 이러한 결합에는 이온결합과 공유결합이 있다. 공유결합은 두 원자가 결합을 위해서 전자를 하나씩 기부하여 두 원자가 두 개의 전자를 공유하는 것이다. 이온결합은 결합에 관여하는 전자들은 공유되는 것이 아니라 한 전자에서 다른 전자에게로 주어진다. 중요한 것은 염 혹은 이온결합물들은 고체 상태에서 특수한 공간적 구조를 형성하는데 즉, 염화나트륨과 같은 결정구조를 형성한다.

석유와 천연가스는 바다에 있던 작은 생물들이 쌓이면서 산소가 부족해 정상적으로 부패할 수 없다. 따라서 탄수화물, 지방, 단백질 같은 탄소는 산소 없이도 물질을 분해할 수 있는 혐기성 박테리아의 먹이가 된다. 박테리가 해초와 바다동물을 분해하면서 메탄, 물, 이산화탄소가 발생한다. 이렇게 생겨난 탄화수소를 보면, 지방족 탄화수소는 곧거나 가지가 있는 탄소사슬을 가진 단순한 유기화합물이다.

탄화수소 중에서 가장 기본 족은 알칸이다. 가장 단순한 알칸은 메탄이다. 메탄, 에탄, 프로판, 부탄은 상온에서 기체이며, 펜탄에서부터 탄화수소는 액체이고 다양한 종류의 가솔린에 사용된다. 긴 사슬 알칸은 점성이 있어서 윤활유로 사용되기도 한다. 헵타데칸에서부터 긴 사슬 알칸은 고체이다. 이러한 탄화수소는 이성질체를 가지고 있는데, 같은 구성물로 이루어져 있지만 다른 구조를 가진 이성질의 화합물을 말한다. 부탄 (C4H10)은 N-부탄 (N은 normal)과 iso-부탄이라는 이성질체가 있다. 'iso'는 그리스어로 '동일한'을 의미한다. 알칸의 탄소가 많아질 수록 이성질체의 수는 비약적으로 늘어난다. C15H32는 이성질체가 4,000개가 넘고 C30H62는 40억개가 넘는다.

시클로알칸은 탄소 원자들이 고리 모양으로 배열되어 있다. 프로판부터 비로소 사슬모양이 있을 수 있는데, 각 탄소 원자가 두 개의 탄소 원자와 결합하고 있기 때문에 각 탄소 원자는 자유로운 팔이 두 개 더 있으며 이 두 개의 팔은 두 개의 수소 원자를 잡는데 쓰인다. 따라서 시클로 알칸은 탄소 원자 수 2배의 수소원자를 가지고 있다. CnH2n으로 표시할 수 있다. 알켄은 이중결합이 있는데 즉, 두 개의 탄소 원자가 자신의 네 개의 손 중에 하나가 아니라 두 개로 결합하는 것이다. 그렇게 되면 두 개의 탄소 원자가 각각 두 개의 수소 원자와 결합할 수 있다. 그래서 알칸보다 수소가 두 개 적다. 알켄은 접두사 뒤에 '-엔(-ene)'을 붙여 나타낸다. 알켄은 반응을 아주 잘하는데 이는 이중결합이 그렇게 안정된 결합이 아니기 때문이다. 알킨은 알칸, 알켄과 닯았지만 3중결합이다. 그 때문에 반응을 더 잘한다. 한편, 고리 모양의 또 다른 탄화수소, 두 탄소 원자가 단일결합과 이중결합 중간 형태로 결합을 하고 있는 방향족 탄화수소가 있다. 가장 유명한 방향족 탄화수소는 벤젠이다.

가솔린 속에 헵탄 같은 긴 사슬모양의 탄화수소가 너무 많다면, 이 탄화수소가 불꽃없이도 점화될 수 있고, 아주 빨리 연소된다. 그 때문에 불균형하게 연소되어서 엔진이 시끄럽게 움직이고 노크가 생기기 시작한다. 이러한 노크는 이소옥탄 대 헵탄의 비로 가솔린의 안티노크성을 측정할 수 있다. 옥탄의 연소는 2C8H18 + 25O2 = 16CO2 + 18H2O로 표시할 수있다. 한편 알콜은 알칸 계열에서 나왔는데, 알칸에서 그저 수소원자가 OH기, 히드록시기로 치환된 것이다. 수소 원자를 이러한 기로 대체하면, 분자의 성질과 작용이 놀랄 정도로 변하며 이를 작용기라고 한다. 알콜은 물에 잘 녹고, 물보다 녹는점이 낮다. 알콜-물 혼합물도 휠씬 낮은 온도에서 언다.

에텐은 포장 재료, 병, 소화기 호스, 가정용 물품에 사용되는 폴리에틸렌, 세탁세제의 원료인 에틸렌옥시드, 용매, 니스, 제약에 쓰이는 중간생산물은 에탄올의 원료이다. 프로펜은 합성고무의 아크릴로니트릴, c4 혼합물은 자동차 타이어 등에 쓰이는 합성고무인 부타디엔, 벤젠은 폴리스티롤, 나일론을 톨루엔은 폴리우레탄, 자일렌은 강화유리섬유, 합성수지, 가구도료 원료인 폴리에스테르를 만드는데 쓰인다.

우리 생활과 밀접한 관련을 가지는 제철산업을 살펴보면, 용광로에서는 공기, 코크스, 철광석과 다음과 같이 반응한다. 즉, 아래쪽 코크스 층으로 아주 뜨거운 공기가 들어오고, 탄소는 이산화탄소로 산화된다. 이산화탄소는 다시 다음 코크스층에서 다시 환원되는데, 즉 두개의 산소 중 하나를 잃고 일산화탄소가 된다. 그리고 이 일산화탄소는 산화철의 산소와 반응하여 다시 이산화탄소가 되고 순수한 철만 남는다. 이를 식으로 표현하면 다음과 같다. C + O2 = CO2, CO2 + C = 2CO, FE2O3 + 3CO = 2FE + 3CO2 이다.

반도체 칩은 아주 작은 공간에 고밀도로 전기회로가 집적된 것이다. 반도체의 가장 중요한 성질은 전기 전도도가 화합물에 따라 그리고 외적인 영향에 의해서, 그러니까 전기장과 자기장, 온도, 압력 또는 빛에 의해서 변화할 수있다는 것이다. 반도체에 쓰는 규소는 순수하고 균일한 구조를 가지고 있어야 한다. 그러게 되면 그 규소는 인과 같은 더 많은 원자를 가진 원소와 불화한다. 전류가 흐르기 위해서는 규소 원자와 인 원자가 예컨대 불순물 인(P)이 남는 전자 하나를 주면, 그 전자를 '손에서 손으로' 계속 전달한다. 그렇게 계속 진행되어 전류가 흐르게 된다.

다양한 방면의 예를 들어가면서, 멘델레예프와 카슨은 나에게 어려운 화학 이야기를 쉽게 설명해주고 있다. 특히나 석유화학에 대한 이야기는 내가 하고 있는 일과도 연관되어 있기 때문에 매우 유익했고, 즐거웠다. 화학에 대해서 쉽고 편하게 접하고 싶은 분들에게는 한번쯤 읽어보시길 권하고 싶은 책이었다.

 

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Dmitri Ivanovich Mendeleev (8 February [O.S. 27 January] 1834 – 2 February [O.S. 20 January] 1907), was a Russian chemist and inventor. He is credited as being the creator of the first version of the periodic table of elements. Using the table, he predicted the properties of elements yet to be discovered.

 

 

Rachel Louise Carson (May 27, 1907 – April 14, 1964) was an American marine biologist and conservationist whose writings are credited with advancing the global environmental movement.