화학이란 무엇인가

반응형

화학(chemistry)은

물질의 성질, 구조, 조성, 변화와 거기 따르는 힘의 변화를 연구하는 자연과학의 한 분야이다.
물리학 역시 물질을 다루지만, 물리학이 원소와 화합물을 모두 포함한 물체의 운동과 에너지와 관련한 속성과 거기서 파생된 이론을 연구한다면, 화학에서는 오직 물질에 대해서만 연구를 진행한다. 화학은 기존의 물질을 이용해 어떠한 특정 목적에 맞는 새로운 물질을 만들어 내는 방법을 제공하고, 이는 농작물의 증산(식물이 뿌리를 통해 흡수한 물을 식물 잎의 기공을 통해 대기로 내보내는 과정을 말한다), 에너지 효율을 높이고 질병의 치료와 예방 과정, 환경오염 감소 등 여러 이점을 제공한다. 화학을 뜻하는 영어단어 ‘케미스트리(chemistry)’는 연금술사들이 물질을 섞으며 발전시킨 것에서 나왔으며, 연금술에 해당하는 단어(alchemie)는 아랍어의 "al-kymiya (알키미야)"에서 따왔으며, 이것이 그리스어에서 차용되어 "χυμεία키메이아"가 되었다. ‘화학’이란 단어는 '물질의 변화를 다루는 학문'에서 따온 번역어다.

고대의 화학

인간이 발견한 최초의 금속으로 기록된 것은 금(Gold)인 것으로 보이며 기원전 4만 년인 구석기 후기쯤에 지금의 스페인지역 동굴에서 소량의 천연 금(화학 원소로, 기호는 Au(라틴어 Aurum에서 따옴)이며, 원자 번호는 79이다)이 발견되었다고 한다.
은(silver)은 화학 원소로 기호는 Ag(라틴어 argentum에서 따옴), 원자 번호는 47이다), 구리(동메달의 동, 화학 원소로 기호는 Cu(라틴어 Cuprum에서 따옴), 원자 번호는 29이다), 주석(화학 원소로 기호는 Sn(라틴어: stannum에서 따옴), 원자 번호는 50이다) 및 철(또는 쇠, 쇠는 화학 원소로 기호는 Fe(라틴어 Ferrum에서 따옴)이고 원자 번호는 26이다) 제한된 양의 금속을 일부 가공을 허용하면서 고대문화로 발견될 수 있었다. 유성 철제로 만든 이집트 무기는 기원전 3000년경 만든 것으로 보이고 "천국의 단검"으로 불리며, 높은 평가를 받고 있다.
인류 최초로 사용된(통제된 방식으로) 화학 반응은 불(어떠한 물질이 산소와 결합해 연소(에너지를 빛과 열의 형태로 방출하는)하는 산화 과정으로, 보통 가연성 물질이 산소 그리고 열과 결합할 때 발생한다)이었다. 불은 인류의 초기사회에 여러 방면으로 영향을 끼쳤다. 불은 재료를 요리하거나 주거지의 조명과 같은 일상의 가장 기초적인 사용에서부터 도자기, 금속을 녹여 도구를 만드는 것과 같은 고급 기술에 이르기까지 다양했다. 그러나 불의 발견 이후 대략 천 년 동안 불은 그저 열과 빛을 내며 한 물질을 다른 물질로 변형(요리하거나 나무를 태우거나)시킬 수 있는 신비의 힘 정도로만 쓰여왔다
유리(glass, 단단하고 깨지기 쉬운 비결정질 고체)의 발견과 금속(metal, 보통 단단하고 광택이 있고, 열전도율과 전기 전도도가 높은 물질)의 정화로 이어지는 불로 인해 야금(광석에서 금속을 추출 및 정제해 사용 목적에 따라 필요한 모양으로 만드는 공정)이 부상했다.

초기 화학(17~18세기)

로버트 보일(보일은 연금술적 전통에서 출발하여 연구와 철학을 다룬, 근대 화학의 기초를 세웠다고 평가된다, 보일의 법칙(용기의 부피가 감소할 때 용기 내 기체의 압력이 증가하는 경향을 나타내는 실험)으로 유명하다)은 보일의 연구가 연금술에 근간하고 있음에도 불구하고, 보일은 오늘날 현대의 화학자, 현대화학의 시초 격으로, 현재 쓰이는 실험 과학의 선구자 중 한 사람으로 꼽히고 있는데, 화학을 연금술과 분리한 것으로 생각된다. 보일은 1662년에 제시한 보일의 법칙(보일이 최초의 발견자는 아니다)으로 가장 잘 알려져 있다. 보일의 법칙은 밀폐된 공간에서 온도가 시스템 내에서 일정하게 유지된다면 기체의 압력과 부피가 반비례함을 의미한다. 보일의 저서인 '의심 많은 화학자'(1661년)는 화학 분야의 초석으로 여겨지며 그가 남긴 다음의 말에서 실험정신을 엿볼 수 있다. '대가가 해 놓은 것이어도 함부로 믿지 말고, 나를 포함해 아무도 믿지 말고 오직 스스로 검증해 확인한 것만 믿어라.'
보일은 모든 이론이 사실로 여겨지기 전에 실험을 통해 입증되어야 한다고 믿었고, 중요한 것은 과학 실험을 통한 엄격한 접근 방식이라고 주장했다. 그는 또한 화학이 의학이나 연금술의 일부로 치부되어 과학의 지위로 부상하여선 안 된다고 중단하길 촉구했다. 보일의 작품은 원자, 분자 그리고 화학 반응에 대한 가장 처음의 현대적인 구상들을 포함하고 있는데 현대 화학 역사의 시작을 나타낸다. 보일은 또한 화학 물질을 정제하여 재현할 수 있는 반응을 얻으려고 시도했다.

원자와 원소

 

원자란 물질을 구성하는 기본적인 입자로 고대 그리스의 데모크리토스(고대 그리스의 철학자로, 그의 철학 사상은 원자론(물질주의에 바탕을 둔다)을 꼽는다)로부터 원자의 존재를 주장했으며, 1803년 존 돌턴(원자설의 첫 제창자, 또한 색맹이었던 그는 자신이 다른 일반적인 사람들이 볼 수 있는 색을 전부는 구별하지 못한다는 것을 깨닫고 색각 이상(색맹)에 대해 최초로 연구하기도 하였다)에 의해서 원자론으로 정리되었다. 과거에는 더 이상 나뉘지 않는 기초적인 요소가 존재한다고 생각했고 그 존재를 원자라 하였다. 20세기에 들어서며 당시의 화학자들은 원자를 구성하는 더 작은 입자들이 존재한다는 사실을 발견하였는데, 바로 전자, 양성자, 중성자다.
전자는 음전하를, 양성자는 양전하를 띠고 있으며, 전하를 띠지 않는 것은 중성자다. 원자는 양성자(원자의 구성 입자로 중성자와 함께 원자핵을 이룬다)와 중성자(원자핵을 구성하는 것 중 전하가 없는, 양성자보다 약간 무거운 핵자다)로 구성된 원자핵(원자 중심의 핵자(양성자와 중성자)와 중간자로 이루어진 작고 밀도가 높은 부분)을 가지고 있으며 전자(음의 전하를 띠는 아원자 입자)는 이 주변에 원자 궤도(원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있다. 그 전자가 있는 전자껍질을 원자 궤도 또는 원자 오비탈이라고 하며, 양자역학에서 원자 안 하나의 전자나 전자쌍의 파동 같은 운동을 묘사하는 수학적 함수이다)를 이루며 분포되어 있다.