연금술에서 시작된 화학

[ 연금술에서 시작된 화학 ]



01. 연금술에서 시작된 화학 



    화학의 모태는 연금술이라고 할 수 있다. 본래 연금술은 문자 그대로 돌이나 흔한 금속을 금으로 만들어 내기 위해 시작된 것이다. 그것은 동서양을 막론하고 유행되었으며, 근대 과학의 기초를 확립한 유명한 아이작 뉴턴조차도 말년에는 연금술에 빠져 만사를 내팽개치고 살았다고 한다.

    연금술은 이미 기원전부터 중국과 인도에서 시작되었다. 특히 알렉산더 대왕의 정복 사업 이후세계학문의 중심지가 된 이집트의 알렉산드리아에서 매우 활발하게 연구되었다. 서기 642년에 아랍인이 이집트를 정복하고 뒤에는 아랍 세계에까지 연금술 지식이 전해졌다. 12세기 십자군 원정 때에는 다시 유럽으로 아랍의 연금술 지식이 전해졌다. 연금술은 17세기에 이르기까지 당대 지식인들의 마음을 사로잡았다. 연금술은 순수한 과학이 아니라 마술과 종교가 결합된 신비한 지식이었다. 연금술의 이론적 바탕이 된 것은 고대 그리스 철학자들이 신봉하던, 특히 아리스토텔레스가 주장한 원소 변환설이었다. 아리스토텔레스는 데모크리토스의 원자설을 반대하여 화학의 올바른 발전을 가로막았다는 평가를 오늘날 받고 있는데, 그는 자연계의 모든 물질은 물 , 흙 , 불 , 공기의 4원소로 이루어져 있다는 설을 지지했다. 아리스토텔레스의 권위를 절대적으로 신봉했던 후대의 연금술사들이 금을 만들어 애는 재료로 사용한 물질은 바로 물 , 흙 , 불 , 공기의 네 종류였다. 그러나 그렇게도 바라던 황금이 잘 만들어지지 않자 , 원소의 변환을 촉진시키는 기적적인 물질이 필요하다는 전설이 퍼지게 되었다. 연금술사들은 그 기적의 물질을 '현자의 돌' 이라고 불렀다. 전설에 따르면현자의 돌은 마른 가루로 되어 있으며 , 신비한 힘으로 돌이나 보통 금속을 황금으로 변하게 한다고 했다. 그리하여 연금술사들은 현자의 돌을 찾아 나섰다. 그들은 도가니에 풀과 나무 뿌리, 심지어는 동물까지도 집어넣어 보았다. 그래도 현자의 돌을 찾을 수 없자 , 이번에는 하늘에서 내려오는 물질에 어떤 영험한 힘이 있지 않을까 하여 비와 눈,서리,나중에는 운석까지도 집어넣어 보았다. 그래도 현자의 돌은 발견되지 않았다.

   역사상 금을 만들어 내는 데 성공했다는 연금술사는 아무도 없다. 돌을 금으로 바꾼다는 것은 그야말로 허황된 꿈이었던 것이다. 그렇지만 연금술사들이 금을 만들어 내려는 과정에서 화학의 기초 지식이 축적되었다. 그들은 여러 가지 물질들에서 화학적 변화를 일으키는 다양한 방법들을 발견했고, 질량을 측정하는 저울이나 금속을 녹이는 도가니,플라스크,증류기 등 많은 화학 기구들을 발명해 냈다.

   그와 함께 여러 가지 새로운 물질들도 발견했다. 목적하던 금은 만들지 못했지만, 뜻하지도 않게 근대 화학의 기반을 닦았던 것이다. 영국의 철학자 프랜시스 베이컨(Francis Bacon;1561-1626)은 연금술이 화학에 남긴 유산에 대하여 이솝의 우화를 예로 들어 설명했다.   "연금술은 , 임종시에 아들들에게 포도밭에 금을 묻어 두었다고 유언을 남긴 어느 농부와 같다. 그 말을 들은 아들들은 포도밭을 정신없이 파헤쳤지만 금은 나오지 않았다. 대신 그해 가을의 포도 수확은 매우 풍성했다. 이와 마찬가지로, 금을 만들어 내려고 시도했던 많은 연금술사의 노력은 뜻하지 않은 새로운 발명과 화학의 진보를 가져왔다. 


* 최초의 화학자

   아일랜드의 로버트 보일(Robert Boyle)은 최후의 연금술사이자 최초의 화학자로 일컬어진다. 보일은 모든 이론은 실험으로 검증되어야만 의미가 있다고 주장했다. 보일은 , 물질은 원자로 이루어져 있다고 믿었으며, 실험을 통해 물 , 흙 , 불 , 공기는 원소가 아님을 증명했다. <<회의적인 화학자 ( The Scejptical Chemistry ) >>라는 자신의 저서에서 그는 마침내 화학과 연금술의 결별을 선언했다. 물론 그 후에도 연금술은 계속 연구되었지만, 이내 연금술은 과학이 아니라 마술의 일종으로 전락하고 말았다.

   보일 이전에 벨기에의 화학자 반 헬몬트 ( Jan B. van Helmont ) 는 기체에 대해 광범위하게 연구했다. '공간'을 뜻하는 그리스어 카오스 ( chaos ) 에서 이름을 따 기체를 ' 가스 ( gas ) '라고 한 사람도 반 헬몬트이다. 반 헬몬트는 식물들에 물만을 공급하는 일련의 실험을 통해 물이 모든 식물의 필수 원소라는 사실을 알아내기도 했다.
   보일도 기체에 대한 연구를 해 ( 보일의 법칙 ) 발견한다. '보일의 법칙'이란 기체의 부피와 압력의 관계에 대한 법칙인데 , 그 내용은 온도가 일정하게 유지된다고 할 때, 기체를 수축시키면 그 기체의 압력이 커진다는 것이다. 즉, 어떤 용기 속에 든 기체의 부피를 절반으로 줄이면, 그 압력은 두 배로 커진다는 것이다.



02. 화학이란
   출 처 : 연세대학교 컴퓨터과학과 정보통신연구실  


화학의 모태는 연금술이라고 할 수 있다. 본래 연금술은 문자 그대로 돌이나 흔한 금속을 금으로 만들어 내기 위해 시작된 것이다. 그것은동서양을 막론하고 유행되었으며, 근대 과학의 기초를 확립한 유명한 아이작 뉴턴조차도 말년에는 연금술에 빠져 만사를 내팽개치고 살았다고 한다.

연금술은 이미 기원전부터 중국과 인도에서 시작되었다. 특히 알렉산더 대왕의 정복 사업 이후세계학문의 중심지가 된 이집트의 알렉산드리아에서 매우 활발하게 연구되었다. 서기 642년에 아랍인이 이집트를 정복하고 뒤에는 아랍 세계에까지 연금술 지식이 전해졌다. 12세기 십자군 원정 때에는 다시 유럽으로 아랍의 연금술 지식이 전해졌다. 연금술은 17세기에 이르기까지 당대 지식인들의 마음을 사로잡았다. 연금술은 순수한 과학이 아니라 마술과 종교가 결합된 신비한 지식이었다. 연금술의 이론적 바탕이 된 것은 고대 그리스 철학자들이 신봉하던, 특히 아리스토텔레스가 주장한 원소 변환설이었다. 아리스토텔레스는 데모크리토스의 원자설을 반대하여 화학의 올바른 발전을 가로막았다는 평가를 오늘날 받고 있는데, 그는 자연계의 모든 물질은 물 , 흙 , 불 , 공기의 4원소로 이루어져 있다는 설을 지지했다. 아리스토텔레스의 권위를 절대적으로 신봉했던 후대의 연금술사들이 금을 만들어 애는 재료로 사용한 물질은 바로 물 , 흙 , 불 , 공기의 네 종류였다. 그러나 그렇게도 바라던 황금이 잘 만들어지지 않자 , 원소의 변환을 촉진시키는 기적적인 물질이 필요하다는 전설이 퍼지게 되었다. 연금술사들은 그 기적의 물질을 '현자의 돌' 이라고 불렀다. 전설에 따르면현자의 돌은 마른 가루로 되어 있으며 , 신비한 힘으로 돌이나 보통 금속을 황금으로 변하게 한다고 했다. 그리하여 연금술사들은 현자의 돌을 찾아 나섰다. 그들은 도가니에 풀과 나무 뿌리, 심지어는 동물까지도 집어넣어 보았다. 그래도 현자의 돌을 찾을 수 없자 , 이번에는 하늘에서 내려오는 물질에 어떤 영험한 힘이 있지 않을까 하여 비와 눈,서리,나중에는 운석까지도 집어넣어 보았다. 그래도 현자의 돌은 발견되지 않았다.

역사상 금을 만들어 내는 데 성공했다는 연금술사는 아무도 없다. 돌을 금으로 바꾼다는 것은 그야말로 허황된 꿈이었던 것이다. 그렇지만 연금술사들이 금을 만들어 내려는 과정에서 화학의 기초 지식이 축적되었다. 그들은 여러 가지 물질들에서 화학적 변화를 일으키는 다양한 방법들을 발견했고, 질량을 측정하는 저울이나 금속을 녹이는 도가니,플라스크,증류기 등 많은 화학 기구들을 발명해 냈다.

그와 함께 여러 가지 새로운 물질들도 발견했다. 목적하던 금은 만들지 못했지만, 뜻하지도 않게 근대 화학의 기반을 닦았던 것이다. 영국의 철학자 프랜시스 베이컨(Francis Bacon;1561-1626)은 연금술이 화학에 남긴 유산에 대하여 이솝의 우화를 예로 들어 설명했다. "연금술은 , 임종시에 아들들에게 포도밭에 금을 묻어 두었다고 유언을 남긴 어느 농부와 같다. 그 말을 들은 아들들은 포도밭을 정신없이 파헤쳤지만 금은 나오지 않았다. 대신 그해 가을의 포도 수확은 매우 풍성했다. 이와 마찬가지로, 금을 만들어 내려고 시도했던 많은 연금술사의 노력은 뜻하지 않은 새로운 발명과 화학의 진보를 가져왔다.

아일랜드의 로버트 보일(Robert Boyle)은 최후의 연금술사이자 최초의 화학자로 일컬어진다. 보일은 모든 이론은 실험으로 검증되어야만 의미가 있다고 주장했다. 보일은 , 물질은 원자로 이루어져 있다고 믿었으며, 실험을 통해 물 , 흙 , 불 , 공기는 원소가 아님을 증명했다. <<회의적인 화학자 ( The Scejptical Chemistry ) >>라는 자신의 저서에서 그는 마침내 화학과 연금술의 결별을 선언했다. 물론 그 후에도 연금술은 계속 연구되었지만, 이내 연금술은 과학이 아니라 마술의 일종으로 전락하고 말았다.

보일 이전에 벨기에의 화학자 반 헬몬트 ( Jan B. van Helmont ) 는 기체에 대해 광범위하게 연구했다. '공간'을 뜻하는 그리스어 카오스 ( chaos ) 에서 이름을 따 기체를 ' 가스 ( gas ) '라고 한 사람도 반 헬몬트이다. 반 헬몬트는 식물들에 물만을 공급하는 일련의 실험을 통해 물이 모든 식물의 필수 원소라는 사실을 알아내기도 했다.

보일도 기체에 대한 연구를 해 ( 보일의 법칙 ) 발견한다. '보일의 법칙'이란 기체의 부피와 압력의 관계에 대한 법칙인데 , 그 내용은 온도가 일정하게 유지된다고 할 때, 기체를 수축시키면 그 기체의 압력이 커진다는 것이다. 즉, 어떤 용기 속에 든 기체의 부피를 절반으로 줄이면, 그 압력은 두 배로 커진다는 것이다.

연금술사들은 식물이나 동물에서만 발견되는 여러 가지 화합물들에 주목했다. 1800년대에 들어 화학자들은 이들 유기 물질들이 모두 탄소를 포함하고 있으며, 광물에서 발견되는 화합물들과 똑같은 화학 법칙을 따른다는 사실을 알아냈다. 라무아지에나 돌턴, 게이 뤼삭, 베르셀리우스 등 당대의 유명한 화학자들은 이들 탄소 화합물의 조성을 알아내는 데 많은 도움을 주었다.

1828년에 독일의 뵐러(Friedrich Wohler)는 최초의 실험실에서 광물질들을 반응시켜 유기 물질인 요소를 합성해 냈다. 이로써 뵐러는 유기물이 살아 있는 생물에만 존재하는 것이 아니라는 사실을 밝혔다. 독일의 리비히(Justus von Liebig)는 많은 유기 화합물의 조성을 밝혔을 뿐만 아니라, 식물을 기르는 데 유기 화학의 지식을 응용했다.

1850년대와 1860년대 유기 화학자들은 원자가 개념을 창안했다. 이 개념의 발견으로 어떻게 원자들이 결합하여 화합물을 형성하는가를 이론적으로 설명할 수 있게 되었다. 독일의 화학자 케쿨레는 원자가 개념을 이용하여 벤젠 고리 화합물의 구조를 밝혀 냈다. 1800년대 말에 이르러 유기 화합은 매우 중요한 분야로 각광받게 된다.

19세기에는 물리학자들이 화학자들에 못지않게 새로운 화학 이론들을 내놓았다. 물리학자들이 주로 다룬 것은 화학 반응시에 열이나 전기의 형태로 발생되는 에너지와 화학 반응과의 관계였다. 스코틀랜드의 화학자 토머스 그래햄(Thomas graham)은 물리 화학의 창시자 중의 한 사람으로 꼽힌다. 그래햄은 기체와 용액에 대한 연구를 거듭한 끝에 1833년 '그래햄 확산 법칙'을 확립했다. 이것은 두 기체가 서로 섞일 때 일어나는 현상을 다루는 법칙이다.

네덜란드의 화학자 반트호프(Jacobus van't Hoff)는 여러 용액에서 결정이 생성되는 현상을 연수했으며, 화학 반응시에 생성되는 열에 대해서도 깊이 연구했다. 또, 스웨덴의 아레니우스(Svante A. Arrhenius)와 독일의 오스트발트(Wilhelm Ostwald)는 용액 속에서 은 전하를 띤 원자 또는 원자단인 '이온(ion)'이 이동하기 때문이라는 사실을 알아냈다.

원자 구조와 양자론 ( Atomic Structure & Quantum Theory )
1890년대에 방사성 원소가 발견됨으로써 20세기의 화학 이론에 큰 진전을 가져오게 된다. 방사성 원소란 원소란 원자 입자와 고에너지의 방사선을 내놓는 원소를 말한다. 프랑스의 물리 학자 베트렐(Antoine H.Becqurel)이 1896년에 우라늄 원석에서 방사능을 발견했으며, 몇 년 후에 퀴리 부부가 우라늄 광에서 완전히 새로운 두 가지 방사성 원소를 불리해 냈다. 그들은 그것을 각각 폴로늄(Po)과 라듐(Ra)이라고 명명했다. 이들 방사성 원소의 발견을 바탕으로 1911년에 영국의 물리학 모형에 따르면, 원자는 중심에 양전하를 띤 원자핵이 있고, 그 주위를 음전하를 띤 전자가 돌고 있다.

러더퍼드는 금속박에 알파입자(+전하를 띤 헬륨 원자핵)를 충돌시켜 보았다. 그러자 대부분의 알파 입자는 금속박을 그대로 통과했지만, 그 중의 일부는 마치 어떤 물질에 부딪친 것처럼 진로가 튕겨 나가 있었다. 이 실험 결과 러더퍼드는, 원자 내부에는 +전하를 띠고 원자 질량의 대부분이 집중된 부분이 있어 여기에 부딪친 알파 입자가 튕겨 나온 것으로 결론내렸다.

그러나 러더퍼드의 원자 모형으로는 원자 내에 전자들이 어떻게 배열되어 있는지까지는 설명할 수 없었다. 1913년에 덴마크의 물리학자 닐스 보어(Niels Bohr)는 전자들은 원자 내부의 어떤 일정한 궤도만을 움직일 수 있다는 원자 모형을 제안했다. 이로써 20세기 과학의 양대 혁명 중의 하나인 양자 역학이 시작되었다. 

1924년에는 프랑스의 물리학자 드 브로이(Louis de Broglie)가 전자가 입자의 성질뿐만 아니라 파의 성질도 가진다는 소위 '물질파' 개념을 제창했다. 1828년경에 이르러 많은 물리학자들의 연구로--특히 오스트리아의 슈뢰딩거(Erwin Schrodinger), 파울리(Wolfgang Pauli), 독일의 보른(Max Born), 하이젠베르크(Werner Heisenberg)--원자 속의 전자 배열 구조가 정확하게 밝혀지게 되었다. 원자의 구조가 완전히 밝혀지고 나자, 원고는 다만 원자핵 속의 양성자 수만 다르다는 사실에 착안하여 인공적으로 원소를 변환시키려는 시도를 하게 되었다. 금은 양성자의 수가 79개, 납은 82개이다. 따라서 납의 원자핵에서 양성자를 3개만 제거하면 납은 금으로 변할 것이다. 아직까지는 여러 가지 기술적인 어려움 때문에 납을 금으로 바꾸지 못했지만 이론적으로는 얼마든지 실현 가능한 이야기이다. 그리고 인간들은 원자핵 속에 숨어 있는 어마어마한 에너지를 끄집어내려는 엄청난 생각을 갖게 되었고, 제2차 세계대전의 와중에 자국의 승리를 위하여 마침내 그 판도라의 상자를 열고야 말았다. 

오늘날 원자력 에너지는 평화적인 목적으로도 많이 사용되고 있다. 동위 원소를 이용한 방사성 치료라든가 기계의 결함을 검사하는 비파괴 검사라든가 산업 분야에도 응용되고 있다. 그러나 핵무기는 말할 것도 없고, 원자력을 에너지로 사용하는 문제도 다시 생각하지 않으면 안 될 상황에 이르렀다.

과학이 발달할수록 인류의 지식은 예전에 신의 영역에 속한다고 생각되었던 영역에까지 뻗쳐 가고 있다. 최근에 들어서는 과학의 각 분야가 배약적으로 발전하여 인접 학문까지 통합해 연구를 진행하는 경향이 강해졌다. 그래서 물리화학, 생화학, 농화학 등의 분야가 새롭게 각광을 받고 있으며, 생명의 신비를 밝히는 데에는 생물학 지식뿐만 아니라 화학 및 여타 과학 분야의 제반 지식이 총동원되고 있다. 그러나 오늘날 과학 기술은 우리의 삶에 너무나도 커다란 영향을 끼치기 때문에 과학 연구에는 항상 윤리적 문제를 먼저 고려하지 않으면 안된다.