화학이란 무엇인가

피터앳킨스

영국레스터대학교에서전자스핀공명연구로박사학위를받았다.옥스퍼드대학교링컨칼리지의화학교수로재직했고,현재물리화학교과서와대중과학서의저술가로활발하게집필활동을하고있다.영국왕립화학회와왕립연구소의이사,국제순수·응용화학연합(IUPAC)의교육위원회위원장을맡았으며,화학의발전과대중화에기여했다.『앳킨스의물리화학』,『분자양자역학』같은밀리언셀러교과서의저자로유명하고,『원소의왕국』,『갈릴레오의손가락』,『열역학제2법칙』같은베스트셀러화학교양서를썼다.

추천의말이덕환(서강대명예교수)5
머리말9

1장화학은어디서왔고,무엇을탐구하는가?17
2장화학의원리첫번째:원자와분자37
3장화학의원리두번째:에너지와엔트로피63
4장화학반응81
5장화학의실험기술들109
6장화학이이룬것들131
7장화학은어디로가는가?159

용어해설172
옮긴이의말178
찾아보기183

2019년노벨화학상은리튬이온배터리를개발하는데공헌한존굿이너프(미국),리처드휘팅엄(미국),요시노아키라(일본)에게돌아갔다.오늘날리튬이온배터리또는리튬이온배터리가들어간장비를단하나도가지고있지않은사람을만나기힘들다.그만큼리튬이온배터리는현대문명의생활필수품이요,미래4차산업혁명의기초중의기초기술이다.
사실우리는화학의산물에둘러싸여살고있다.의식주는물론이고,도시문명의인프라에이르기까지화학의산물이아닌것이없다.사실우리나라의민생경제도화학에의존하는바가크다.예를들어우리나라석유화학산업의생산액과수출액만봐도각각90조원,58조원에이른다.(2018년기준)이번노벨상을일본과미국에안겨준리튬이온배터리분야에서도우리화학기업들(삼성SDI,LG화학등)이세계시장의30퍼센트를장악하며수출산업에기여하고있다.누가과학의쓸모를묻는다면,화학이이룬것들을보라고하면그만일정도다.
그러나교양인들사이에서화학은큰관심을받지못한다.출판시장에서도화학을주제로한교양서를찾아보기쉽지않다.리처드도킨스와칼세이건같은걸출한스피커를가진진화생물학이나천체물리학에비할수없을정도다.그렇다고화학분야에책이나저술가가아예없는것은아니다.이번에(주)사이언스북스에서출간된『화학이란무엇인가(WhatisChemistry?)』의저자인피터윌리엄앳킨스(PeterWilliamAtkins)가대표적인화학저술가이다.
피터앳킨스는1978년초판이출간된이래40년넘게세계에서가장많이팔리고활용되는물리화학교과서중하나인『앳킨스의물리화학(Atkins’PhysicalChemistry)』(현재11판까지출간되어있다.)의저자로유명하다.옥스퍼드대학교링컨칼리지의화학교수였고,영국왕립화학회와왕립연구소의이사,국제순수？응용화학연합(IUPAC)의교육위원회위원장등을맡았고,물리화학과무기화학교과서를포함해서20여권의책을펴내화학교육,화학대중화에도큰기여를했다.전세계의화학자들중에서그의교과서를단한권도읽지않고졸업한이는거의없을정도이다.(물리화학과무기화학은대부분의대학화학과에서필수과목으로지정되어있다.)
백전노장화학자인피터앳킨스는교과서만이아니라화학을주제로한교양서의저자로도유명하다.엄밀하고체계적인교과서의틀에서벗어난그의교양서들은놀라운비유와달필의경지에이른설명으로방대하고난해한화학의기본개념과원리를깔끔하고우아하게설명해낸다.예를들어국내에도번역,출간되어있는『원소의왕국』에서는110여종의원소를담은주기율표를산맥과골짜기,강과평원이있는지형학에빗대단하나의수식도없이설명해낸다.원자와원소,그리고양자화학의개념적지도를제공하는이책은나온지사반세기가지났지만,지금도화학입문서로서수많은화학자와화학교사들의추천을받고있다.
‘화학이란무엇인가?’하는문제를정면에서다루는이책에서도피터앳킨스는백전노장화학자이자글쓰기달인으로서의면모를보여준다.이책은기본적으로독자들에게화학이라는매혹적이면서지적이고경제적으로도매우중요한지식의세계를간결하고분명하게소개하기위한것이다.동시에화학에대한안좋은기억밖에없는성인독자들은물론이고,화학에대한막연한공포를품고있는청소년학생들에게화학자의눈으로자연과우주,물질과세상을보는것이어떤것인지알려줌으로써화학에대한막연한거부감을걷어내고자한다.
가장작은기본입자,가장간단한기본방정식을추구하는환원주의적물리학과,방정식하나,입자하나로환원되지않는다양성과복잡성으로가득한생명현상을다루는생물학사이에서원자와원자가만나다른원자나분자를만드는변환과정을연구하고,태초이래자연에서는한번도존재한적없는분자를합성해내는매력적인화학의세계를피터앳킨스는그기원에서부터원리와미래까지반나절이면읽어낼수있는짧은책을통해굵직하게설명해낸다.
화학달인인피터앳킨스의문장속에서화학자는한원자와다른원자를짝짓는‘커플매니저’가되기도하고,물리학과생물학을연결하고,순수과학과응용기술을융합하는통섭자(統攝者)가되기도하며,물,흙,공기,불이라는네가지원소물질을개조해기술문명을만들어낸현대의연금술사가되기도한다.동시에환경오염과생화학병기의제조자라는오명을뒤집어쓰기도하고,인류가망가뜨린자연의균형을회복시킬기술을개발해야하는책임을맡기도한다.
흥미진진설명과생동감넘치는비유가잘엮인이책을읽다보면,화학자들과매우유사하게생각하는자신을발견하게될것이다.예를들어,어떤결합은쉽게만들어질것같고,어떤결합은만들어지기어려울것이라는예상도가능해지고,화학이어떻게자연에존재하는물질을쓸모있는물건들로바꿔왔고,인류가당면하고있는수많은문제들을해결하는데화학이어떤쓸모가있을지짐작할수있게될것이다.결국저자의바람대로많은성인독자들이가지고있을화학에대한불쾌한기억은해소될것이다.또한진로를고민하는이공계학생들에게도참조가될것이다.

달인만이할수있는짧고굵은화학특강

화학을간결하고분명하게소개하는일은결코쉽지않다.화학을전공하는대학생들에게화학의기본원리와법칙을체계적이고논리적으로소개하는교과서집필의달인이었던앳킨스교수가선택한방법은독특하다.화학을전공하는과학자들에게나필요한세부적인설명은과감하게포기해버린다는것이다.화학이라는거대한틀을이해하기위해꼭필요한핵심만을집중적으로소개한다.말처럼쉬운일이아니다.무엇이중요하고,무엇이그렇지않은지에대한확고한소신이있어야만가능한일이다.-이덕환(서강대학교명예교수)

이책은화학이라는매혹적이면서지적이고경제적으로도매우중요한지식의세계를독자들에게소개하기위해기획되었다.여러분을화학의세계로안내하고,이세계를제대로바라볼수있도록돕는것이나의역할이다.이를위해나는화학자들의눈으로본세계를독자들과함께여행할것이다.핵심개념들을같이이해하면서,화학이인류의문화와복지에어떻게기여하고있는지보여줄것이다.또한,작은돌멩이에서생명체에이르기까지우리주변의모든물질을화학자들이어떻게바라보고고민하는지설명할것이다.화학자들이피땀흘려쌓은지식이공기중에서모으거나땅에서파낸물질들을우리생활에쓸모있게변화시키는과정에어떻게쓰이는지구체적으로살펴볼것이다.-본문에서

모두7개의장으로구성되어있는이책은다음과같은주제들을다룬다.

●화학은어디서왔는가?
●화학은무엇을탐구하는가?
●화학의기본원리는무엇인가?
●화학반응이란무엇인가?
●화학자들은어떻게연구하는가?
●화학은세상을어떻게바꿨는가?
●화학자들은무슨일을하는사람들인가?
●미래의화학의어떤모습일까?

화학의기원에서부터원리와미래까지포괄하는것이다.각장의내용을소개하면다음과같다.

1장화학은어디서왔고,무엇을탐구하는가?
이장에서는화학의기원이된중세의연금술을먼저둘러본다.이후에현대화학의중요한요소인원자에관해좀더자세히살펴본다.과학지식이축적되면서,화학은여러분야로분화되었는데,물리화학,무기화학,그리고유기화학등이대표적이다.각분과가어떤주제를연구하는지개괄한다.또한화학은물리학및생물학과연관성이깊은데,화학의기초지식들은물리학의도움을받았고,이후에생물학의발전에많은기여를했다.이관계도상세하게다룬다.

주요개념:
#화학의기원#연금술과화학의관계#수학과화학의관계#물리학및수학과화학의관계#원자#양자역학#유기화학#물리화학#무기화학#분석화학#생화학#공업화학#녹색화학#분자생물학

본문에서:
화학의핵심주제는하나의물질이(형태와속성이)다른물질로변화하는과정인데,원자는그자체로는변화하지않는다.따라서물질이변한다는것은기초재료인원자들이변화하는것이아니라서로결합되어있던원자들이그짝을바꾼다는뜻이된다.화학자는이런원자들의만남과이별을연구하는일종의커플매니저이다.

화학은물리학자들이제공하는훌륭한지식을바탕으로본연의임무인물질의변환,즉분자들사이에일어나는반응을연구하는일에몰두하고있다.

우리는생명현상을탐구하고물건을만들고건물을짓는다.이를위해땅속에서광물을채굴하고유용한액체(석유등)를길어올린다.때때로공중에서기체를포집해우리가원하는유용한물질로변환시킨다.변환과정은다양하다.우리는원료들을거푸집에들이부어형상을만들기도하고,망치로두들기거나풀로붙인다.어떤경우에는단순히불에태우기도한다.모두분자의구조와반응에관계된일이어서화학의영역이다.실제로이런행위가벌어지는공장에서화학자를찾아보기는어려울지모르지만,이런행위의근간에는화학자들이발전시킨지식체계와정보가큰역할을하고있다.모두현대의기술혁신및산업발전과깊은관련이있다.이렇게보면,화학은산업과경제에막대한영향력을가지고있으며,거의모든지점에서상호작용하고있다는것을알수있다.

2장화학의원리첫번째:원자와분자
이장에서는화학의기본개념중에서원자에대해살펴본다.원자들이서로결합해분자를만드는방식은화학자들에게있어최대호기심거리이다.이장에서는주기율표의구조를설명하고,주기율표에담겨있는기본적인지식을이용해118가지원소의무수히많은조합으로만들어지는화학반응과화학결합의메커니즘과구조를어떻게풀수있는지알아본다.

주요개념:
#주기율표#원자핵#전자#양성자#전자#원자번호#전자의배치방식#화학결합#이온결합#공유결합#금속결합

본문에서:
그렇다면주기율표에서어떤정보를얻을수있기에이렇게중요하게취급될까?이표는원소들과그원자들의구조적인속성에대해매우의미있는정보를전해준다.하나의표에불과하지만,매우많은정보를내포하고있어서화학교과과정에서도많은시간을할애해설명한다.사실,이렇게정리된표가아니라면,100가지가넘는원자들과그들의속성에대해어떻게학습할수있을까?어떤원자가표의어느부분에있는지만봐도그속성을어느정도파악할수있으니그유용함은이루말할수없다.주기율표를정리한멘델레예프도화학교과서를집필하면서이표를생각해냈다고하니,출발부터학생들을고려한것이라하겠다.

이지식을가지고다음장들을헤치고나아가다보면,화학자들의탐구방식과매우유사하게생각하는자신을발견하게될것이다.예를들어,어떤결합은쉽게만들어질것같고,어떤결합은만들어지기어려울것이라는예상도가능해진다.이런모든정보의보고가바로주기율표이다.책장사이나과학실벽에서혹시주기율표를본다면,이단순한표가얼마나위대한지음미하면서의미심장한눈짓을하게되기바란다.

3장화학의원리두번째:에너지와엔트로피
에너지가없다면화학에서는아무런일도일어나지않을것이다.이장에서는에너지의역할과화학변화의엔진이되는엔트로피의개념을살펴보면서화학반응을질적측면에서,그리고양적측면에서입체적으로설명한다.물리학에서파생된열역학이화학에서어떻게활용되어열화학으로발전했는지도이해할수있다.

주요개념:
#에너지#엔트로피#열역학#에너지보존법칙#엔트로피의법칙#열화학#흡열반응#발열반응#반응속도#반응메커니즘#활성화에너지#촉매#평형

본문에서:
원자는화학이라는세계를관통하는큰물줄기중하나이다.그리고우리는또다른큰물줄기를탐사하기위한여정을시작할텐데,그이름은의외로평범한에너지이다.화학반응이왜일어나고어떻게진행되는지,그리고화학결합은왜여러방식으로진행되는지,화학자들은이런의문에대한대답이에너지에있다고믿는다.

화학결합의측면에서반응전의물질들은새로운짝을찾아결합을이루면서가지고있던에너지일부를주위에내놓는다.그래서반응후의화합물은에너지수준이반응전보다낮아지는게일반적이다.이런과정에서도에너지의총량은변하지않고,계는더무질서해질뿐이다.마치,물건을살때,지갑에잘정리돼있던돈을꺼내가게주인에게건네는경우와비슷하다.돈이다른사람에게옮겨간것일뿐돈의총액은변하지않는다.돈은주변으로흩어지게되어더자유롭게퍼져나간다.이것이경제를돌아가게만든다.

지금까지에너지와반응의관계,다시말해에너지가반응이라는말을이끄는채찍이되기도하고,당근이되기도하는것을살펴보았다.가만히두면무질서한-엔트로피가증가하는-상태가되기를원하는자연환경에서이를가능하게해주는에너지는좋은당근역할을한다.반면,원하는상태가되기위해넘어야할언덕이있는데,에너지는채찍이되어이언덕을넘게해준다.

4장화학반응
화학의핵심은원자들의조합이다른조합으로전환되는과정이다.이장에서는이전환의과정,즉화학반응에대해집중적으로살펴본다.기본적인반응은산-염기반응,산화-환원반응,라디칼반응,루이스산-염기반응,네가지로나누어볼수있다.종류는여럿이지만,각각은크게복잡하지않다.이장에서는기본적인지식과이를밝혀내기위한화학자들의노력등에대해살펴보려한다.2019년노벨화학상을받은리튬이온배터리연구의핵심은산화-환원반응이다.

주요개념:
#산-염기반응#산화-환원반응#라디칼반응#루이스산-염기반응#치환반응#중합

본문에서:
주방에서요리할때에도화학반응을관찰할수있고,지금도우리몸안에서는무수히많은화학반응이일어나고있다.우리는화학반응과함께사는것이다.따라서이런지식은오랫동안축적되어왔는데,여기서는한가지중요한질문을가지고이야기를풀어가고자한다.‘화학반응이란정확히무엇일까?’다르게표현하자면,‘화학자들이용액을흔들고젓고끓이고다른용액을부으면서하는신비로운행동들은무엇을위한것인가?’

우리주변의원자들은제법교활해서약간의이익만있어도쉽게짝을갈아치운다.이런교환과정전의물질들을반응물이라부르고,교환과정후에새롭게만들어진물질들을생성물이라고한다.생성물과반응물은원자들의조합이바뀐것뿐이어서새롭게생겨나거나없어진원자는있을수없다.따라서반응물과생성물의알짜질량은같다는질량보존의법칙이성립하게된다.

연소나폭발등은작은불꽃으로인해순식간에일어나기도하지만,그물처럼얽혀있는복잡한의약품들은대부분엄청난노력과정교한계획,높은수준의지식,그리고무엇보다적당한운이있어야만만들어낼수있다.하나의생성물을위해일생을바치는경우도비일비재하다.

5장화학의실험기술들
반응을이해하고,새로운분자를합성하기위해서는다양한종류의기술과장비가필요하다.특히,분석화학실험실에서기존의분석방법을발전시키고새로운기술을개발하는일에큰노력을기울이고있다.이장에서는화학자들이사용하는여러실험및분석기술들을살펴본다.

주요개념:
#적정#여과#크로마토그래피#분광학#원자분광학#핵자기공명#NMR#MRI#질량분석법#엑스선회절법#주사터널링현미경#원자힘현미경#STM#AFM#판데르발스힘#계산화학#조합적화학

6장화학이이룬것들
이장에서는지금까지살펴본화학의주요개념과원리가어떻게우리의생활에기여하는지살펴본다.의약품,농약및비료,교통수단,무기같은유용한물질을개발하고활용하는데한화학의기여를훑어보게될것이다.이를통해독자들은화학이어떻게세상을다채롭게하고,인류의질병을치료해수명을연장하게하고,삶에기반이되는물질들을만들어내는지이해하게될것이다.

주요개념:
#역삼투압#유전공학#질소포집#암모니아상업생산#인산칼슘#지속가능성#화석연료#태양전지#전기화학#연료전지#수소전지#석유화학#핵발전#플라스틱#재료혁명#광섬유#양자컴퓨터#분자컴퓨터#유전체학#단백질체학#화학무기#녹색화학#화학의책임

화학이없었다면,우리는석기시대를못벗어났을것이다.현재우리의일상을편안하고윤택하게하는유용한물질들은모두화학이쌓아올린지식을기반으로해서발전되었다.

최대한폭넓게바라본다면,화학자들은물질에대한이해를바탕으로한물질이다른물질로변환되는과정을탐구하고있다.그들은원유나광석과같은천연자원을원료로바꾸어쓸수있음을밝혀냈고,화석연료와철과같은물질을생산했다.기체를끌어모으는법과공기중에서질소를분리해비료로만드는법을알아냈다.그들은또섬유로쓸수있는새로운물질들을생산해냈고,첨단기술에필요한핵심원료들을공급하는데성공했다.모두화학자들의공헌이었다.

인류의기원이래다음네가지물질에대한중요성은끊임없이강조되어왔다.이물질들을가지고화학이이루어온일들을살펴보면서우리의여정을다시시작해보겠다.이네가지물질들은흙,공기,불,그리고물이다.

정리해보면,녹색화학이포부는이런것이다.화학산업이현재와같은상태로계속발전하는것은지속가능하지않다.그렇다고해서인위적으로산업생산을줄이고,우리가이룩한문명을포기할수는없다.기업으로서도이익이감소하는것을받아들이려하지않을것이다.따라서환경에대한책임과기업의이익사이에갈등이발생하는것을피할수는없다.핵심적인것은문제가발생하기전에위험성을인지하고선제적인해결방안을찾는것이다.이것은모두의책임이고,더많은이익을가지는집단이더많은책임을져야할것이다.

자연이하는일에간섭하는것은어쩔수없이위험을수반한다.판도라의상자는항상있어왔다.화학자들은자연이제공하는원자들의비밀을풀어내고,이를조합해새로운물질을만들어낸다.동시에생태계를교란하고,오랜기간유지해왔던균형을흔든다.따라서원자를다루는이런마법같은능력은항상책임감을동반한다.과거에는능력의향상에만초점이맞춰졌다면,이제는사회의다른이해관계자들과연대해문제의해결에적극적으로나서야한다.

화학이감당해야할책임은무엇인가?우리가당면하고있는문제의해결방안을제시하는것이다.화학은요람에서무덤까지일상생활의모든면을향상시키는열쇠를가지고있다.앞에서여러차례보았듯이,지식과환경을포함해현대문명의기반이되는모든물질적인기반을제공한다.아직도발전해야할분야가많다.우리의소통을향상시키고,더나은컴퓨터환경을구축하고,효율이높은연료를개발하고,촉매를개발해해로운물질을감소시켜야한다.그리고태양전지의개발처럼에너지원을화석연료에서재생가능에너지로대체해야한다.이런일들을제대로수행하는것이화학의책임이다.

화학이물질의가장근본적인측면까지다루는것은아니다.원자아래물질의심연까지파고드는것은물리학,즉입자물리학의영역이다.그런데도화학은원자의특성을바탕으로그들의다양한조합에대한지식을축적해왔다.주기율표에서보듯이,화학을통해우리는원자들의개별특성과그특성을이루는핵심요소를이해할수있다.이들은서로조합하고,배척하는데,왜이런일들이일어나는지이해할수있다.이런지식은새로운분자를설계하고만들수있게해준다.새로운분자들은정말새로워서,우주역사에서존재한적조차없던분자들도있다.

7장화학은어디로가는가?
이장에서는화학의미래를살펴본다.21세기현재활발한연구가일어나는분야들과새롭게나타날것으로예상되는주제,즉신소재개발과컴퓨터기술혁신과나노기과학및기술개척과관련해서화학자들이하고있는역할을보여줄것이다.이장을통해미래문명을건설하는데화학이어떤기여를하게될지짐작할수있을것이다.

주요개념:
#새로운원소#원자와분자의직접관측#나노과학및기술#자기조립분자#빛수확기술#DNA컴퓨터#분자컴퓨터합성#신소재#그래핀#2차원화학#표면화학#분자기계#유전체학#단백질체학#신약개발

본문에서:
이영역에서다룰분자들,즉나노분자들은유기혹은무기화학자들이합성해제공한다.나노분자들을만드는것은두가지방법이가능한데,큰물질을만들어서작게깎아내리거나,작은분자들을쌓아올리는방법이그것이다.이중에서쌓아올리는방법이큰주목을받고있는데,일반적으로자기조립(self-assembly)의방식으로만들어지기때문이다.이방식에따르면,외부에서특별한자극을주지않아도분자들이상호작용을해분해되고재조립되면서원하는형태의나노물질이완성된다.퍼즐조각으로그림을맞추는것과비슷한데,하나하나그림을맞춰가는것보다는한꺼번에맞춰지는양상과비슷하다.자연의천재성이다.

지금까지화학이어떤일을할수있는지,마치마법과같은일들도포함해살펴보았다.그러나독자들에게흥미로운응용분야를소개하는것으로화학의발전을모두설명할수는없을것이다.이런것들은나름대로눈에잘띄고이해하기쉬운면이있지만,화학은좀더근본적인탐구,즉물질에대한지식을확대하고지식을활용하는방법에집중해야한다.그러면서비록점증적이기는하지만,우리는자연이하는일들을이해하고따라하고경이로움에감탄하고지식의위대함을깨닫게된다.기초연구는이와같은일들을가능하게하는핵심이다.기초연구를통해예측하지못한발견을이루어내고깨달음을얻으며상식을깨는제품을개발할수있다.

아마도이런저런이유로화학과화학자들을오해하고있던독자들이있을것이다.내가이책에서소개한내용이그런오해를조금이나마지울수있었으면좋겠다.동시에,이놀라운세계와이세계를발견하는기쁨을독자들도같이느끼면좋겠다.

‘케미포비아’를위한우아한화학가이드

화학은눈이부실정도의업적도많지만,숙제도여전히많다.쓸모도많지만어디까지재화보다는자연에대한통찰을생산해내는순수과학이다.화학자들이지식창고를가득채워놓은덕에이제우리는조그만돌멩이에서복잡한생명체까지물질들의작동방식을이해하게되었다.이런통찰은인류문명의발전을가져왔고,자연을또다른의미에서경이롭게바라볼수있게해주었다.이것만으로도화학은놀라운학문이다.세상에서가장쓸모있는화학의전모를바쁜현대인을위해알차게축약해낸이책은말그대로‘케미포비아’도‘화학마니아’로바꿔놓을우아한화학가이드라고할수있을것이다.

화학이라는학문의여러구성요소를다살피고6장에이르면,독자들은평생을화학의발전과교육에바친노교수의진정한목소리를들을수있을것이다.이장은이책의핵심이라고할수있는데,앳킨스교수는미사여구를통해화학을찬양하지도,엉터리과학을통해화학의문제를가리려고하지않는다.대신,담담한목소리로화학이라는학문이원시시대부터현대까지인류문명과어떤관계를쌓아왔고,그과정에서발생한문제가무엇인지소개한다.더불어,문명을더발전시키고,문제를해결해야하는임무가화학자에게있음을지적한다.이런부분들이독자들에게잘전달되기를희망한다.-옮긴이의글에서