[2023] I-1-01. 원소 1

1. 원소의 정의와 고대와 근대의 물질관

'물질을 이루는 기본 성분은 무엇일까?' 라는 질문은 고대로부터 시작하여 근대에 이르기까지 끊임 없이 학자들이 되새긴 질문이었다. 많은 학자들은 자신들 나름대로의 가정과 결론을 주장했으며, 이러한 물질이 어떤 방식으로 구성되어있는가에 대한 저마다의 설명을 '물질관' 이라고 한다. 

고대에 이러한 물질관을 설파한 학자 중 하나는 바로 탈레스이다(그림 1). 탈레스는 만물의 근원이 ‘물’이라고 생각하였으며, 만물의 근원이 물이라고 주장한 이 이론을 ‘1원소설’ 이라고 한다.

한편 엠페도클레스는 만물이 물, 불, 흙, 공기의 4원소로 이루어져 있다고 주장했으며, 이 이론을 역시 '4원소설' 이라 한다(그림 2). 4원소설은 탈레스의 1원소설을 조금 더 발전시킨 것이라 할 수 있겠다.

이후 아리스토텔레스에 이르러 물, 불, 흙, 공기가 4원소일 뿐 아니라 이들을 조합하여 다양한 물질을 만들어 낼 수 있다고 정의되었다(그림 3). 엠페도클레스의 4원소설을 확장 및 결정지은 물질관이라는 점에서 그 의의가 있겠다.

원소에 대한 물질관과는 독립적으로, 데모크리토스는 '물질은 더 이상 쪼갤 수 없는 입자로 이루어져 있다'라고 주장했는데, 이를 데모크리토스의 '입자설' 이라고 한다(그림 4). 다만 당시에는 입자를 규명할 실험도구가 없었으므로, 이는 그저 가정일 뿐이었으며, 훗날 학자들에 의해 입자가 실존한다는 것이 증명되었다.

이후 꽤 오랜 기간 동안 물질관은 큰 변화를 보이지 않았다. 아리스토텔레스의 4원소설에 기반하여, 중세에 등장한 것이 바로 '연금술사(Alchemist)'들이었다(그림 5). 아리스토텔레스에 따르면, 물, 불, 흙, 공기의 4원소를 가지고 다른 물질을 만들어 낼 수 있다고 하였다. 이 사상에 기반하여, 연금술사들은 돌로부터 금을 만들고자 하였다. 비록 그들이 금을 만들어 내는 것에는 실패하였으나, 수많은 원소들과 화학 반응들이 규명되었고 이는 근대 화학의 태동의 계기가 되었다.

근대에 이르러, 최초로 '원소'라는 개념을 정의하는 학자가 등장한다. 현대 과학의 아버지라고도 불리는 보일이다(그림 6). 보일은 원소란 물질을 이루는 기본 성분으로, 더 이상 분해되지 않는 단순한 물질이라고 정의했다. 이는 현대 과학에서 쓰이는 원소의 개념과 일맥 상통한다.

문제는 보일이 이러한 현대적인 원소의 개념을 주장했을지라도, 기존의 아리스토텔레스의 위상은 매우 높은 것이었기에, 현대적인 개념의 원소가 자리잡히기 위해서는 4원소설을 부정할 수 있는 실험적인 증거가 필요하였다. 이때 바람처럼 등장한 스타가 바로 라부아지에이다1).

라부아지에는 현대 화학에 있어서 뗄레야 뗄 수가 없는 사람이다(그림 7). 비단 화학에 국한되지 않고 생물학 등 다양한 분야를 연구하였으며, 그의 죽음으로 인하여 현대 과학의 발전이 100년 이상 늦춰졌다는 평가를 받는 인물이다. 어떤 다양한 연구를 했는지는 여기에 소개하지 않겠지만, 그의 연구 중 하나는 바로 '주철관 실험' 이라고도 불리는 '물의 조성 실험' 이었다.

실험은 단순한 방식으로 진행된다. 먼저 깨끗한 물을 가열중인 주철관을 통해 흘려보낸다. 주철관을 통과하는 과정에서 액체인 물은 증기가 되므로, 냉각수로 수증기를 액화시킨다. 이후 연결되어 있는 호스는 집기병에 연결되어 있는데, 이곳에 기체를 포집한다.

실험의 기본적인 결과는 다음과 같았다.

1) 물을 흘려보낸 가열중인 주철관에 녹이 슬었다.
2) 포집된 기체는 강한 발화성을 나타내었으며, 이 원소의 정체는 수소이다.

1)의 결과로 철관은 산소와 반응하여 산화(녹이 슴)되었음을 알 수 있다. 한편 집기병에 모인 기체는 수소라는 것을 알 수 있다. 그러나 처음 투입한 것은 수소도 산소도 아닌 물이었다. 이것이 의미하는 바는 단순하다. 물은 수소와 산소로 이루어진 물질이며, 다시말해 물은 '원소가 아니다'는 것이다.

라부아지에의 실험을 통해 물은 수소와 산소로 이루어진 물질이라는 것이 밝혀졌으며, 이를 통해 4원소 중 하나인 물이 원소가 아니라는 사실이 밝혀지면서, 실험적인 증거를 통해 아리스토텔레스의 4원소설이 사실상 사장되게 되었다.

Edited 2023.11.20
Edited by 푸른삿포로