1. 고대와 근대의 물질관
'물질을 이루는 기본 성분은 무엇일까?' 라는 질문은 고대로부터 시작하여 근대의 과학자들까지 정말 많은 사람들이 궁금해하는 질문이었다. 많은 학자들이 자신들 나름대로의 가정과 결론을 지어냈으며, 물질이 어떤 방식으로 구성되어있는가에 대한 저마다의 설명을 '물질관' 이라고 한다.
고대 물질관의 시초는 탈레스이다. 탈레스는 만물의 근원이 '물'이라고 생각하였다. 단 하나의 원소로만 이루어져 있다고 주장한 이 이론을 '1원소설' 이라 한다.
한편 엠페도클레스는 만물이 물, 불, 흙, 공기의 4원소로 이루어져 있다고 주장했으며, 이 이론을 역시 '4원소설' 이라 한다. 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.
이와는 독립적으로, 데모크리토스는 '물질은 더 이상 쪼갤 수 없는 입자로 이루어져 있다'라고 주장했는데, 이를 데모크리토스의 '입자설' 이라고 한다. 다만 당시에는 입자를 규명할 실험도구가 없었으므로, 이는 그저 가정일 뿐이었으며, 훗날 학자들에 의해 입자가 실존한다는 것이 증명되었다.
이후 물질관은 큰 변화를 보이지 않았다. 아리스토텔레스의 4원소설에 기반하여, 중세에 등장한 것이 바로 '연금술사(Alchemist)'들이었다. 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. 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 라부아지에이다.
라부아지에는 현대 화학에 있어서 뗄레야 뗄 수가 없는 사람이다. 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. 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.
2. 원소와 그 이용
물질관에서 설명을 했듯이, 원소의 정의는 '물질을 이루는 기본 성분 단위'이다. 이 정의는 매우 중요하고, 또 앞으로 과학을 공부해 나가면서 자주 필요할 예정이므로 익숙해 지는 것을 추천한다.
원소의 종류는 약 120여가지가 있으며, 모든 원소는 흔히 알고 있는 '주기율표' 내에 나와있다.
중학교 수준에서 모든 원소를 알 필요는 없다. 일반적으로 최초의 주기율표를 구성했던 1번부터 20번까지의 20개의 원소, 그리고 일부 아주 흔히 볼 수 있는 몇 가지의 원소만 기억하면 충분하다. 또한 중학교 2학년 1학기 과정에서는 주기율표의 의미에 대해서 깊게 다루지 않는다. 따라서 여러 가지 원소의 종류에 대해서 간단히 소개만 하고 넘어가도록 하겠다.
118가지 원소 모두 각각의 의미를 가진다. 그러나 모두 설명하기에는 지면이 매우 부족해질 것이므로, 몇 가지 유명한 쓰임새를 가진 원소들을 소개한다.
1번 수소(H)
수소는 주기율표의 첫 번째에 위치한 원소이자, 가장 가벼운 원소이다. 그 특유의 가벼운 특성 때문에 상당히 강한 폭발력을 지니고 있는데, 이를 이용하여 우주선이나 로켓 발사시 연료 내에 배합되어 사용된다. 한편 원자폭탄의 개량형인 '수소폭탄'의 경우에도, 폭발력을 강화시키기 위하여 수소를 배합하는 방식을 사용하였다.
2번 헬륨(He)
한편, 헬륨은 원자번호 2번으로 수소와 마찬가지로 가벼운 원소에 속하지만, 폭발성이 없고 안정한 기체이다. 따라서 헬륨 기체는 열기구를 띄우는 기체로 활용될 수 있다.
6번 탄소(C)
탄소는 지구상의 정말 많은 물질들을 구성하고 있다. 살아 있는 생명체는 모두 기본적으로 탄소를 베이스로 구성되어 있으며, 화학 분야에서 인기 있는 분야 중 하나인 '유기화학'은 바로 이 탄소로 이루어진 화합물을 연구하는 학문이다. 또한 다이아몬드, 흑연과 같은 물질들도 탄소로 이루어져 있는 물질들이다.
8번 산소(O)
산소는 양날의 검이다. 생명체가 살아가기 위해서는 반드시 산소가 필요하며, 또한 생명체를 늙고 병들게 만드는 것 역시 산소이다. 산소는 지구 대기의 21 % 정도를 차지한다. 또한 일반적으로 물질을 '연소'시킨다 혹은 쉽게 표현하여 어떤 물질을 태운다는 표현을 한다면, 이는 산소와 반응함을 의미한다.
14번 규소(Si)
규소는 현대를 살아가는 우리에게 없어서는 안 되는 물질이다. 우리의 스마트폰, 컴퓨터, 여러 가지 기계에는 반도체가 들어가며 이러한 반도체들은 (완전히는 아니지만) 모두 규소로 이루어져 있다. 규소에 관한 연구가 활발히 진행되면서부터 현대시대가 시작되었다고 해도 과언이 아닐 것이다.
17번 염소(Cl)
염소는 기본적으로는 나트륨과 결합하여 염화 나트륨을 형성하는 물질이며, 이는 소금으로 잘 알려져 있다. 또한 일상에서 염소를 이용하는 예시로는, 상하수도의 살균제로서의 사용이다. 우리가 마시는 물들은 상수도관을 통해 공급되는데, 이러한 물이 오염이 된다면 식중독이나 각종 질병에 취약해지게 된다. 이를 막기 위하여 염소를 살균제로 활용하는데, 살균 효과가 상당히 좋다.
26번 철(Fe)
철은 고대부터 존재하였다. 우리는 역사시간에 흔히 '철기 시대'라는 말을 한 번쯤 들어보았을 것인데, 이 철을 사용하기 시작한 시대를 의미한다. 철을 사용할 수 있게 되면서 무기와 농기구의 급속한 발달이 이루어졌고, 이를 통한 고대 사회의 발전 그리고 중앙 집권화가 가속되게 되었다. 철은 현대에도 정말 많은 분야에서 사용되고 있으며 또한 우리 주변에서도 쉽게 찾아볼 수 있다.
29번 구리(Cu)
구리는 철과 마찬가지로 우리 일상생활에 매우 밀접한 연관을 가진 원소이다. 전기 전도성이 가장 좋은 원소 중 하나로 이보다 전기 전도성이 좋은 원소는 은이 유일하다. 다시 말해 값싼 원소 중 가장 전지 전도성이 좋다는 뜻이다. 이러한 특성 때문에, 우리는 일반적으로 구리를 전선의 재료로 사용한다. 따라서 전선은 빠른 속도로 전기를 공급해 줄 수 있게 되는 것이다.
3. 원소 검출
어떤 물질 속에 들어 있는 원소가 궁금할 때가 있다. 이러한 경우에는 어떻게 해당 원소가 있음을 검출할 수 있을까? 실제로 다양한 방법들이 존재하지만, 비교적 간단하게, 그리고 가시적으로 구분할 수 있는 방법에 대해서 두 가지를 소개할 수 있겠다.
1. 불꽃 반응
만일 우리가 검출하고 싶은 원소가 '금속'에 국한된다면, 우리는 불꽃 반응을 이용하여 해당 원소를 검출할 수 있다. 불꽃 반응이란 해당 원소를 불꽃에 넣었을 때 해당 물질의 종류에 따라 불꽃의 색이 달라지는 현상을 총칭한다.
다양한 금속의 불꽃 반응이 존재하지만, 중학교 교육과정에서는 7가지 정도만을 다룬다. 각 7가지의 불꽃 반응색은 아래와 같다.
| 구분 | 칼슘 | 바륨 | 리튬 | 스트론튬 | 나트륨 | 칼륨 | 구리 |
| 불꽃반응색 | 주황색 | 황록색 | 빨강색 | 빨강색 | 노랑색 | 보라색 | 청록색 |
그런데 눈치가 조금만 빠른 학생이면 다 알수 있듯, 리튬과 스트론튬은 불꽃반응색이 동일하다. 사실 직접 보면 둘은 약간 다르지만, 문제는 비교 대상이 없는 경우에는 리튬인지, 스트론튬인지를 구분할 수가 없다. 이것이 바로 불꽃 반응의 단점이다. 불꽃 반응은 몇 가지 단점이 있는데, 첫번째로는 오직 금속만을 검출할 수 있다는 것이고(그마저도 전부는 아니다), 다른 하나는 불꽃 반응색이 비슷한 두 원소를 분간하기가 곤란하다는 점이다.
이 문제를 해결하기 위해, 두 번째 방법을 사용할 수 있다. 바로 '선 스펙트럼' 분석이다.
분광기는 물질이 방출하거나 흡수하는 빛을 파장에 따라 분리해주는 장치이다. 이에 따라 분리된 빛들은 각각의 위치에 마치 선처럼 세로로 구성되는데, 이를 '스펙트럼' 이라고 한다. 스펙트럼은 그 종류에 따라 '연속 스펙트럼'과 '선 스펙트럼'으로 구분할 수 있다. 햇빛을 분광기로 관찰하면 모든 영역이 무지개빛으로 나타나게 되는데, 이를 연속 스펙트럼이라고 한다. 반면 리튬, 나트륨 등 특정 원소를 분광기로 관찰하면 특정 영역에서만 세로선이 발생하는데, 이를 선 스펙트럼이라 한다.
선 스펙트럼은 물질의 고유한 '특성'이기 때문에, 설사 불꽃 반응색이 같더라도, 둘은 다른 선 스펙트럼의 양상을 보인다. 따라서 우리는 이를 통하여 두 가지 다른 원소의 종류를 구분할 수 있게 된다.
Edited. 2021.04.28
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