[일반화학 1] 1 : 화학의 시작과 원자론의 탄생 - 3 (돌턴 ~ 현대 원자론)

 

 

앞선 글에서는 공기가 하나의 물질이 아니라 여러 종류의 기체가 섞여 있다는 사실이 밝혀지고, 산소의 발견을 통해 화학이 본격적으로 과학의 모습을 갖추기 시작한 과정을 살펴봤어요. 하지만 여전히 중요한 질문 하나가 남아 있었죠.

"물질은 도대체 무엇으로 이루어져 있는가?"

산소와 수소가 발견되었다고 해서 문제가 끝난 것은 아니었어요. 오히려 새로운 문제가 시작되었죠. 왜 어떤 물질은 항상 같은 비율로 결합할까? 화학 반응이 일어날 때 물질은 어디로 사라지거나 새로 생겨나는 걸까?

이 질문들에 답하는 과정에서 현대 화학의 핵심 개념인 원자론이 탄생하게 돼요.

 

질량은 어디로 사라지지 않는다

18세기 후반, 라부아지에는 매우 정밀한 실험을 수행했어요.

 

그는 화학 반응 전후의 질량을 꼼꼼하게 측정했고 놀라운 사실을 발견했죠.

반응물이 가지고 있던 전체 질량과 생성물이 가지고 있는 전체 질량이 항상 같았던 거예요.

오늘날 우리는 이를 질량보존법칙이라고 불러요.

화학 반응은 물질이 사라지거나 새로 만들어지는 과정이 아니라, 기존 물질들이 형태를 바꾸는 과정이라는 의미죠.

나무를 태우면 재만 남아서 질량이 줄어든 것처럼 보이지만 실제로는 이산화탄소와 수증기 같은 기체가 공기 중으로 빠져나간 것이에요. 모든 생성물을 모아 측정하면 전체 질량은 변하지 않아요.

지금은 너무 당연하게 느껴지지만 당시에는 물질에 대한 생각 자체를 바꿔 놓은 중요한 발견이었어요.

 

화합물은 언제나 같은 비율을 가진다

질량보존법칙에 이어 또 하나의 중요한 법칙이 등장해요.

바로 프루스트가 제안한 일정성분비법칙이에요.

이 법칙에 따르면 특정 화합물은 언제나 일정한 질량비를 가진 원소들로 구성돼요.

예를 들어 물을 생각해 볼게요.

어디에서 얻은 물이든, 어떤 방법으로 만든 물이든 수소와 산소의 질량비는 항상 같아요.

탄산구리 역시 마찬가지예요. 실험실에서 만들든 자연에서 얻든 구성 원소들의 질량비는 일정하게 유지돼요.

이것은 매우 이상한 사실이었어요.

만약 물질이 연속적으로 이어진 덩어리라면 굳이 항상 같은 비율을 유지할 이유가 없거든요. 그런데 실제로는 모든 화합물이 일정한 비율을 나타냈어요.

과학자들은 여기에 분명한 이유가 있을 것이라고 생각하기 시작했죠.

 

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원자라는 개념이 다시 등장하다

이러한 실험 결과들을 종합한 사람이 바로 존 돌턴이에요.

흥미롭게도 원자라는 생각 자체는 이미 데모크리토스 시대부터 존재했어요. 하지만 그것은 철학적 추측에 가까웠죠.

돌턴은 여기에 실험 결과를 연결했어요.

그는 다음과 같은 아이디어를 제안했어요.

 

첫째, 모든 원소는 원자라는 작은 입자로 이루어져 있다.

둘째, 같은 원소의 원자는 서로 같고 다른 원소의 원자는 서로 다르다.

셋째, 화학 반응에서는 원자가 새로 만들어지거나 사라지지 않는다.

넷째, 화합물은 서로 다른 원자들이 일정한 비율로 결합해서 만들어진다.

다섯째, 화학 반응은 원자의 재배열 과정이다.

이 이론은 질량보존법칙과 일정성분비법칙을 한 번에 설명할 수 있었어요.

화학 반응에서 원자가 없어지지 않으니 질량이 보존되고, 원자가 일정한 개수로 결합하니 항상 같은 성분비가 나타난다는 것이죠.

 

하지만 돌턴의 원자론도 완벽하지는 않았다

돌턴의 원자론은 혁명적이었지만 모든 문제를 해결한 것은 아니었어요.

대표적인 예가 물의 조성이었죠.

당시 돌턴은 물이 HO라고 생각했어요. 수소 원자 하나와 산소 원자 하나가 결합한 형태라고 본 것이죠.

하지만 기체 반응 실험 결과를 보면 설명이 잘 되지 않았어요.

실제로는 수소 두 부피와 산소 한 부피가 반응하여 물이 생성되는데, 돌턴의 모델로는 이 결과를 자연스럽게 설명할 수 없었거든요.

문제는 돌턴이 분자라는 개념을 가지고 있지 않았다는 점이었어요.

 

아보가드로가 퍼즐을 맞추다

이 문제를 해결한 사람이 아보가드로예요.

그는 매우 중요한 아이디어를 제안했어요.

같은 온도와 압력에서 같은 부피(V)의 기체는 항상 같은 수(n)의 입자를 포함한다는 것이죠.

 

V∝n 

 

이걸 식으로 나타내면 위와 같아요.

오늘날 우리는 이를 아보가드로 법칙이라고 불러요.

 

더 중요한 것은 아보가드로가 분자 개념을 도입했다는 점이에요.

수소는 H가 아니라 H₂, 산소는 O가 아니라 O₂ 형태로 존재한다고 생각한 거죠.

그러면 물의 생성 반응은 자연스럽게 설명돼요.

수소 분자 두 개와 산소 분자 한 개가 반응하여 물 분자 두 개를 만든다는 현재의 개념이 탄생하게 된 거예요.

 

원자량을 측정하고 규칙을 찾다

원자 개념이 자리 잡자 과학자들은 각 원자의 질량을 측정하기 시작했어요.

 

이 과정에서 프라우트는 모든 원자량이 수소 원자량의 정수배처럼 보인다는 사실에 주목했어요.

비록 이 가설 자체는 완전히 맞지는 않았지만 중요한 의미가 있었어요.

원자도 더 작은 무언가로 이루어져 있을지 모른다는 생각이 처음 등장했기 때문이죠.

또한 원소들을 원자량 순서대로 배열하다 보니 특정한 규칙이 반복된다는 사실도 발견되었어요. 훗날 주기율표가 만들어지는 출발점이 된 관찰이었죠.

 

현대 원자론은 어디까지 왔을까

오늘날 우리가 알고 있는 원자는 더 이상 "쪼갤 수 없는 입자"가 아니에요.

19세기 말부터 수많은 연구가 이루어지면서 원자 내부 구조가 밝혀지기 시작했죠.

현재의 관점에서 원자는 핵과 전자로 구성돼요.

핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있고, 양성자와 중성자는 다시 쿼크라는 더 작은 입자로 구성되어 있어요.

또한 전자는 단순히 행성처럼 핵 주위를 도는 것이 아니라 확률적으로 존재하는 양자역학적 입자로 이해되고 있어요.

흥미로운 사실은 원자의 대부분이 사실상 빈 공간이라는 점이에요.

예를 들어 헬륨 원자의 크기와 원자핵의 크기를 비교하면 원자는 상상 이상으로 넓은 공간을 가지고 있고, 실제 질량은 거의 핵에 집중되어 있어요.

 

원자에서 우주까지

현대 화학은 여기서 멈추지 않아요.

원자가 어떻게 행동하는지는 통계열역학이 설명하고, 원자 내부 구조는 입자물리학이 연구하며, 원소들이 어디서 만들어졌는지는 천체물리학이 연구해요.

현재 과학자들은 별 내부의 핵융합과 초신성 폭발 과정에서 원소들이 만들어진다는 사실을 알고 있어요. 우리 몸을 이루는 탄소와 산소, 철 같은 원소들도 과거 별의 내부에서 만들어진 물질들이죠.

결국 일반화학에서 배우는 원자 개념은 단순히 시험을 위한 암기 내용이 아니에요.

고대 철학자들이 "세상은 무엇으로 이루어져 있는가?"라는 질문을 던진 순간부터 시작된 탐구가 수천 년 동안 이어진 결과물이죠. 그리고 지금도 과학자들은 원자보다 더 깊은 수준의 세계를 이해하기 위해 계속 연구를 이어가고 있어요.