장홍제
지은이:장홍제
한국과학기술원(KAIST)화학과를졸업하고,같은대학원화학과에서박사학위를받았습니다.조지아공과대학교의연구원으로도활동했어요.2019년현재광운대학교화학과조교수를맡아무기화학과나노화학을가르치고있습니다.다양한원소로이루어진나노물질설계와합성,그리고의약분야에대한응용연구에매진하던중원소와주기율표에매력을느껴글쓰기와강연을하고있습니다.세상에존재하는모든원소들을다루고,만지고,알고싶다는꿈을가지고있습니다.지은책으로《원소가뭐길래》가있습니다.
그림:방상호
홍익대학교에서시각디자인을전공했어요.오랫동안책을기획하고그림을그리고디자인을했습니다.상상하고그리고만들고디자인하고책읽고글쓰고운동하면서어제와는또다른하루를만들려고합니다.《인공지능쫌아는10대》,《사라진민주주의를찾아라》,《대중음악히치하이킹하기》,《엘레멘티아연대기》,《단박에한국사》등여러책에그림을그렸고,단행본외에도다양한매체에그림을그리고있습니다.
들어가며_물질이라는,아직은깜깜한방에서팔을휘저어보자
1장물질탄생이라는우주의대사건
빅뱅과물질,그리고에너지？물질을쪼개보자,작게,더작게？이렇게섞인물질,저렇게섞인물질？원소들의탄생은쾅,활활,펑펑!
2장드디어화학이시작되다
원소와원자,끝내헷갈리는그이름？그작은원소와원자를어떻게발견했을까?？다시원자론을수정하다？같은원자지만무게가다른원자？도무지이해할수없었던두가지물질？연금술을탄생시킨동서양의원소설,그리고인간의욕망？서양과동양의화학이만나다
3장물질은어떤모습으로세상에존재할까?
물질은단단하거나흐르거나떠있거나？끌어당기는힘이바로물질의차이？무엇이물질의상태를바꿀까?:상전이？상전이의제1공헌자,온도？느끼기는어렵지만늘존재하는압력？끈적끈적꿀렁꿀렁젤,졸,플라스마
4장물질의상태를측정하는세가지기준
온도를표현해보자？압력을측정해보자？농도를나타내보자
5장물질이끓거나얼거나녹을때
증발,기화,끓는점？어는점혹은녹는점？용액의끓는점과어는점
6장이렇게매력적인화학반응
아보가드로수？기체반응의법칙과화학반응식？돌이킬수있거나,없거나:가역반응과비가역반응
7장화학반응으로세상을짓다
분자의가짓수=원자의조합?？원자배열을바꿔보자:화학반응？화학반응과반응속도
8장물질은무질서를좋아해
열을뿜는화학반응,빨아들이는화학반응？반응속도를조절할수있는열의이동？자유도와무질서도
나오며_깜깜한그방에서한발짝밖으로
물질은어떻게등장해서이토록놀라운세상을만들었을까?
물질의탄생부터원자,분자,우주의질서까지―한편의소설처럼읽는기초화학교양서
초등과중등사이10대를위한과학교양시리즈
<과학쫌아는십대>
시리즈로《물질쫌아는10대:물질씨,어떻게세상을이루었나요?》가출간되었다.《물질쫌아는10대》는물질의원자와분자단위에서부터상태변화,반응과이동,규칙성과무질서까지,마치한편의이야기가흘러가듯서술한기초화학교양물이다.화학교과에서가장돌파하기어려운부분중에하나가기본개념을충분히숙지하는것임을고려하여,중학교화학교과에등장하는개념과원리중에서도핵심적인내용을뽑아이야기속에서자연스럽게익숙해지게하는데특히공을들였다.일상생활에서늘가까이하는물질을아주가까이에서세밀하게살펴본뒤,멀리서조망하여우주의규칙을발견하는시점변화또한독특하다.
시작으로물질이라는것이없던,상상할수도없는암흑속에서어떻게최초의물질이생겼는지빅뱅이론으로설명한다.그리고물질의근본이무엇인지알아내는데몰두한고대철학자부터현대과학자들이실험과검증을거쳐축적한사실들을바탕으로,물질의작은단위,즉원자,원소,분자에대해알아본다.이과정에서화학이문화？사회？정치？경제와어떻게얽혀들어가는지이야기한부분에다다르면,세상이여러톱니가맞물려움직이고진전하였다는깨달음을얻게된다.다음으로는물질이서로결합하고떨어지고반응하고변화하여형태를갖추게된과정을일상에서쉽게관찰할수있는현상에빗대어설명한다.이를이해하고나면상전이나끓는점,어는점등물질의상태변화를어렵지않게유추해볼수있다.이어서물질의상태를측정하는기준인온도,압력,농도개념및열의이동등을알아보고이를이용해물질형태를조절하여생활에이용할수있음을배운다.다음은멀리서조망할차례다.기체반응의법칙,아보가드로의법칙등물질의기본적인질서를배우고나면,복잡할것만같은화학반응이실은간단한규칙에따라일어난다는사실을알게된다.그런데한편으로물질이무질서,즉자유롭게움직이는편을선호한다는무질서도에이르면물질의신비함에경외심을갖게될것이다.
이역동적인여정을마치고나면무작정용어를외우고원리를깨치려애쓰지않고도,이미우리가화학의세계에살고있음을느끼게된다.
외우는대신자연스럽게깨치는물질의기본개념
등장인물의이름을모르는채소설을끝까지읽을수있을까?그럴수는없을것이다.마찬가지로용어를제대로숙지하지못하고서는화학이라는분야의도입조차읽어낼수없다.《물질쫌아는10대》는용어와기본개념이라는장벽을넘는데목적을두고,화학이일궈낸와글와글한세상을생생하게독자에게전하고자했다.‘원자는물질을이루는가장작은단위이다’라고외우는대신어째서원자에는원자라는이름이붙었는지,어떻게원자를발견했는지를이해한다면,후에용어는잊는다하더라도언제든쉽게다시불러낼수있는탄탄한기반을쌓을수있을것이다.
이야기는이런질문으로시작한다.“물질이란어디에서왔을까?”고대철학자들이아득한하늘을바라보며했음직한질문을던져보는것이다.이에대한답으로핵융합과핵분열이무시로이루어지며어마어마한폭발을일으키고,이로인해엄청난에너지가퍼져나가서질량으로바뀌어작고가벼운물질을만들어내는,우주발생초기의이야기가극적으로펼쳐진다.이때수소가등장하고,수소를구성하는양성자,중성자,전자가다양하게조합되어세상을구성하는수많은물질이된것이다.우주전체의역사를놓고본다면,아주찰나에,아주낮은확률을뚫고일어난우주의대사건이다.
빅뱅이후초기우주는폭발로인해엄청난에너지가뿜어져나와온도가매우높았어.그래서1억도이상의고온에서만가능한핵융합반응이쉽게일어났지.온도가어느정도내려가기전까지핵융합반응은계속일어났어.이과정을거치며수소,헬륨,리튬을비롯해수많은원소가탄생하고,가장안정적인원소라불리는철까지만들어진거야.철보다도무거운원소들은어떻게생겼게?지금까지알려진바로는우주에존재하는아주크고뜨거운항성인초신성(supernova)에서같은과정을통해만들어졌다고해.또는밀도가굉장히높은중성자별들의충돌로만들어졌다고도하고.이런과정들을반복하면서우리주위에있는크고작은수많은원소들이탄생한거야._28쪽
그렇다면현재우리가알고있는과학지식은어떻게발전해왔을까?여기에서는물질을아주작은단위로쪼개본다.그끝에서원자라는물질의가장기본적인단위를만난다.원소와원자의발견역사를따라가다보면물질의근본을궁금해했던동서양의학자들,우리에게익숙한통치자,근대의과학자들을만나게된다.이름도,업적도남기지못했으나과학발전에큰공헌을한연금술사도등장한다.이들의고민은때로는숭고하고,때로는아집으로뭉쳐있으며,때로는욕망이지나쳐스스로를망치기도한다.인간이가지고있는다양한필요와욕구를바탕으로과학은사회？경제？문화와맞물려폭발적으로발전하여,물질의진실에성큼다가섰다.이런과정을거쳐인류는중요한사실을깨달았다.“화학반응을이용해새로운물질을만들수있다!”
여기서부터는물질의상태가어떤조건에서변화하는지,화학반응은어떻게일어나며어떤규칙성을가지고있는지를탐구한다.‘새로운물질’을만들기위해물질을조작하는데필요한기본적인원리들이등장한다.온도,압력,농도라는조건에서물질이어떻게상태를바꾸는지를아는것은이를위한첫번째단계다.다음으로는인류가화학을바탕으로신물질을발견하여어떻게풍요로운삶을일구었는지를다룬다.외부요인을조절함으로써인류에게새로운가능성이열림을알려주는것이다.
마지막으로는한발짝물러서서멀리보면서,이렇듯역동적으로움직이는세상에어떤규칙성이있는지를살펴본다.이로써우리는물질이생각보다간단한규칙성을가지고움직이고있으나,궁극적으로는자유로움을원한다는사실을깨닫게된다.결국이런결론에이른다.나,세상,우주라는존재는오차없는원칙에의해움직이는데,그근원은무질서,즉예측할수없는우연이었다는것이다!
어째서물질을이해해야할까?
왜‘물질’을이해해야하느냐고묻는다면답은간단하다.물질은“우리가느끼고만지고사용하는물건부터딛고서있는땅,높은하늘위구름과별들까지온갖것들을지칭”하기때문이다.즉물질을이해한다는것은세상을이해하게된다는뜻이다.나아가물질을이해하면세상에더많은가능성이열림은말할것도없다.지금의우리가바로물질의한계를극복하며살아가는장본인이기때문이다.당연히가능성도우리,특히젊은세대가품고있다.저자는“인간의미래를풍요롭게만들어줄수있는길은,지금까지알려지지않은,기능이향상된신물질발견에있다고해도과언이아니”라고말한다.
실제로인류는물질의특성을파악함으로써물질의화학반응속도를조절하거나억제하기도하고,원소의배열을바꾸어다양한방면에서이용해왔다.예를들어물이라는안정적인물질은H₂O라는원자식을가지고있는데,여기에서수소원자하나를떼면수산화이온(OH-),일명양잿물이되고수소를하나더하면히드로늄이온(H₃O+)이라는,반응성이매우높은위험한물질이된다.현재는탄소라는단일한원소에서인공다이아몬드를만들거나,휘어지는디스플레이를만들어유용하게이용하며,우주정거장과우주정거장사이를연결할수있는엘리베이터제작프로젝트역시신물질이라는가능성에기대고있다.이후의더놀라운세상을맞이할가능성은전적으로이책을읽는청소년독자에게달려있다.
화학은기본개념이라는장벽을넘고나면이렇듯상상과실현의장이펼쳐지는흥미로운분야다.《물질쫌아는10대》는물질에대한기초를다지는교양서로서화학분야에관심을갖고있는독자라면징검다리로삼을만하다.
과학교육이놓치고있던빠진고리,‘왜’를채우다
《물질쫌아는10대》는독자에게화학의기초가없다는전제로,중학교교과과정에포함되는화학원리및개념을최대한친절하게설명하고자노력했다.교과서에서화학반응식을설명할때는‘정해진약속’에주목하는경향이있다.화학반응식을다루는장에서는등호양쪽의계수를맞춰야한다는정의아래,어떻게맞추는지에관해서몇페이지를할애한다.그러나어째서이런약속을정하게되었는지,화학반응식이정립되기까지어떤사고를거쳤는지는다루지않는다.
《물질쫌아는10대》는어째서화학반응식에서계수가맞아야하는지를‘그래야만하니까’가아니라‘왜’에주목하여다룬다.아인슈타인이정립한질량―에너지등가원리에따르면새로운물질이생기거나사라진다는것은마치빅뱅이일어난것처럼엄청난에너지가있어야가능한일인데,만일우리가사는조건에서이런수준의에너지발생이일어났다면물리적으로도엄청난일이벌어졌을것이다.그러므로화학반응식에서반응전과반응후입자의수가같아야현재우리가살고있는환경조건과도부합한다는것이이책의설명이다.이런내용을모르는채“화학반응식의계수는반응하는분자수와생성되는분자수의비를나타낸다”라는설명으로만화학반응식을접한다면,자칫화학을기계적으로대하게될수있다.
이렇듯《물질쫌아는10대》는중학교교과과정에서다루는화학의기초를다루되,‘왜’혹은‘어떻게’라는빠진고리를잇고자했다.왜원자를물질의가장작은단위라고하는지,어떻게원소에대한지식이발전하였는지,왜같은물질이여러가지형태로존재하는지,어떻게인간이물질의특성을조정하여삶을풍요롭게만들었는지등을이해하면서화학의기초개념에익숙해지게한것이다.
이책을통해화학교과의가장핵심적인기본개념에익숙해질뿐아니라,물질의영향이우리몸에,일상에,진하게스며있음을깨닫게될것이다.이책을바탕으로10대독자들이물질에대해더많은궁금증을품고‘이전에는불가능했던일들’을상상하게되는것이저자의바람이다.
이책은그물질을아주작게쪼개고쪼개서,더이상쪼개지지않는지경까지자세히들여다보았고,우주의탄생부터자유도라는개념까지물질을매개로연결해보려는시도를했어.
아무런상관도없을것만같은둘사이의연결이과학의무한한가능성과재미를알려주길바라면서말이야.우주의탄생과자유도가이어지듯이,멀게만느껴지던과학이이책을읽는너희와이어졌으면하는마음이야._나오며
더높은단계로도약하는열띤과학토론의장
<과학쫌아는십대>
‘2015개정교육과정’은자주적이고창의적이며더불어사는인간상을추구한다.그가치관아래교과별핵심개념과원리를중심에두고인문？사회？과학기술에대한기초소양교육을강화하면서교과간통합과융합교육을하는데초점을맞추고있다.
풀빛은이런흐름에맞춰,지식의양보다는핵심개념을선별하고그것이어떤원리로이루어져있고어떻게적용할수있는지를알게하는청소년용과학시리즈를기획하였다.첨단과학기술인인공지능은물론미래에너지,신소재,생명공학,기후변화등미래지향적인현실소재부터빛,중력,빅뱅,유전자,물질,원소등기초과학의토대가되는핵심개념까지
<과학쫌아는십대>
는전방위적으로과학을아우른다.단순히정보를앞세우기보다원리는무엇인지,해결되지않은과학적문제는무엇이고,쟁점은무엇인지,결과적으로그것을어떻게받아들여해석하고이해해야하는지에대해입체적으로다룬다.친절한설명에내용을풍성하게하는사진자료와위트있는그림까지,작은부분도놓치지않고십대를위해내용과형식에정성을다했다.
