에피소드 과학철학
여섯째 주: 근대화학의 시작
연금술 (alchemy)
최초의 연금술사들은 헬레니즘 과학자들 이었는데 그들의 작업의 이론적 근거는
아리스토텔레스의 4원소설에 있었다. 그들은 금속의 본질적 변화가 가능하다고 생각하여 값싼 금속을 비싼 금속으로 만들려고
노력하였다. 이에 수도사들이 개입하고 점차 그노시스교의 영향을 받아 연금술이 마술로 전락하자 3세기 말 연금술 금지령이 내려졌다.
연금술은 이집트, 시리아, 페르시아 등지를 거쳐 아랍으로 전파된다.
4원소설과 연금술
아랍에 받아들여진 연금술은 하이얀(Jabir Ibn Hayyan, 721~815)나 알라지(Al-Razi, 850~923) 에 의해 발전하게 된다. 그들은 아리스토텔레스 의 4원소설을 기본으로 자연의 모든 존재들은 완전함을 추구하려는 성질이 있다고 생각했다.
따라서 은, 구리, 수은, 주석, 철, 납과 같은
불완전한 금속들은 연금술사들이 조금 도와주면 완전한 금속인 금이 될 수 있다고 생각하였다.
물음: 4원소설과 현대 원소설의 어떤 차이가 이런 생각을 가능하게 했나?
3원리
그들은 아리스토텔레스 4원소 중 흙의 연기와 물의 증기가 금속의 성분이라고 생각하고, 이 성분들이 자연 속에 나타난 물질로 유황과
수은을 생각하였다. 그래서 유황과 수은 두
가지를 적절한 비율과 순도로 섞으면 여러 가지 종류의 금속과 광물을 만들 수 있다고
생각하였다.
이 유황·수은 이론은 후에 의학자이며
화학자, 또 "의학의 루터"로 불린 파라셀수스 (Paracelsus, 1493~1541)에 의해 소금도 함께 포함되면서 "3원리"라 불리워졌다.
연금술이 남긴 유산
흔히 알고 있는 대로 연금술사들은 금과
불사약을 만든다는 목표의 달성에는 실패했다.
그러나 그들이 남긴 다양한 실험 기구와 실험 방법 , 그리고 실험 결과들은 후에 화학이라는 학문이 태어나고 발달할 수 있었던 토양이자 산실이 되었다.
화학 혁명: 플로지스톤 이론
18세기 화학이 뛰어넘어야 할 구시대 이론들 중 하나는 연소를 설명하는 ‘플로지스톤설’ 이었다.
당시 과학자들은 플로지스톤이 연소의
원인이라고 생각했으며, 가연성 물질은 모두 이것을 가지고 있고, 잘 타는 물질은 대부분
플로지스톤으로 이루어져 있다고 생각했다. 이 이론에 의하면, 연소란 어떤 물질에서
플로지스톤이 빠져 나가고 재만 남는 현상이다.
화학혁명: 라부와지에: 그밖의 업적들
1. 화학반응 전후 정확한 질량을 측정함으로써 질량보존의 법칙을 확립하였다.
2. 라부아지에는 고대 그리스의 원소 개념을 근대적 원소 개념으로 다시 정립시켰다. 즉 원소를 화학적 방법에 의해 더 단순한 물질로 나누어질 수 없는 물질이라고 정의했다.
3. 또 그는 화합물 명명법을 체계화시켜 이름만 봐도 어떤 원소로부터 어떤 화학 변화에 의해 생겨난 물질인지 알 수 있게 했다. 예: 황화납 이 내용들을 담아 그는 『화학원론』(1789) 을
출간했다. 이로써 화학혁명이 완성됐다.
전지의 발명
18세기 말 전기학과 자기학의 발달은 그 당시 사람들에게 거의 완성단계라고 생각되었다.
실제로 쿨롱에 의해 전기력이 전하의 곱과
거리의 역제곱으로 표현되었고, 정전기의 여러 가지 현상들이 물리적으로 잘 설명된 상태였다.
그러나 사실 전하의 흐름, 즉 전류를 생각해보면 당시까지 알려진 전기학의 지식이라는 것은
너무나 초보적인 수준이었다. 이 사실은
갈바니의 실험에 의해서 알려지기 시작했고 , 볼타 (Alessandro Volta, 1745~1827)에 의해 이 분야가 본격적으로 연구되기 시작했다.
갈바니는 평생을 동물 전기 실험에 바쳤다.
볼타는 그러한 갈바니의 실험을 연구하다 전기 발생 원인을 전혀 다른 관점에서 보았다. 즉
개구리 다리에서 일어난 전기 발생 원인이 동물 내부에 있는 것이 아니라, 다른 종류의 금속이 관계했기 때문이라고 보았던 것이다.
볼타는 도체를 둘로 분류했다. 제 1종은
구리와 같은 금속이고, 제 2종은 (지금은 전해질 이라 부르는) 전기가 통하는 용액이었다. 그는 어떤 금속을 어떻게 붙이느냐에 따라 전위를 양과 음이 되게 할 수 있다는 것을 발견했다.
전지의 발명: 동물전기에서 금속으로
전지의 발명: 전지와 전자기학
1800년 볼타는 제 1종과 제 2종 도체를 짝지어 연결한 것을 여러 개 포개어 각각의 접촉으로 생기는 전위차를 더할 수 있게 만들고, 이를
‘전퇴(電堆)’라 이름붙였다. 이것은 아연과
구리의 원판과, 산으로 적신 헝겊을 차례차례 쌓아 올린 것이었다. 이것은 최초의 전지였다.
전지에 의해 만들어진 전류는, 한 순간 방전되고 사라지는 정전기의 전류와는 근본적으로 달랐다. 전지를 사용하면 꽤
지속적으로 전기를 사용할 수 있었기에 이후 여러 가지 전기 실험이 가능해졌다.
육상 운송수단의 혁명
18세기 후반이 되자 퀴뇨와 머독, 트레비딕 등에 의해 증기기관차가 만들어졌다. 엄밀하게
말하면 이때까지 기차와 자동차가 개별적으로 발전하고 있지 않았다. 다만 증기기관을 새로운 운송수단에 이용하기 위해 증기기관 자동차의 개발에 전력을 다하고 있었던 시기였다. 그러나 트레비딕 (Richard Trevithick, 1771~1833)이
광산에서 사용하고 있던 철로를 일반 도로에
깔아 증기기관차로 철도 운송을 시도하면서부터 두 가지가 나뉘게 되었고 , 기차는 육상
운송수단의 혁명을 일으켰다.
증기기관차: 트레비딕
1801년 트레비딕은 첫 증기기관 자동차의
시운전에 성공하였다. 이듬해 특허를 취득하고 실용화를 위해 노력한다. 그리고 울퉁불퉁한 길로 다니는 것보다 오히려 매끄러운 레일과
바퀴를 접촉시켜 마찰력으로 열차를 진행시키는 방식이 더 효과적이라는 것을 깨닫고 철도용
증기기관차(즉 기차)로 방향을 바꾸었다.
결국 트레비딕은 1803년 철도용 증기
기관차의 운행에 성공한다. 그는 철도 부설까지 하였으나 기관차 전복 등으로 파산에 이르러
철도용 증기기관의 운행을 단념해야 했다.
증기기관차: 스티븐슨
철도운송을 확실하게 정착시킨 이는 스티븐슨 (George Stephenson, 1781~1848)이다. 그는 광산용 증기기관 화부였던 부친의 영향으로 어릴 때부터 증기기관에 대한 지식을 쌓았다.
1814년 첫 증기기관차를 만들었는데, 이것은 30톤 화물을 시속 6km 정도로 끌 수 있었다.
1830년 그는 총 길이 45km인 리버풀-맨체스터 철도 건설을 맡았다. 이 사업은 크게 성공해서 수송의 혁신을 일으켰다. 운송비가 당시 일반적 운송수단이던 승합마차에 비해 1/3도 안 됐고, 여행시간을 단축했으며, 승차감도 더 좋았다.
철도의 산업적 효과
1850년대부터 철도는 세계 각국에 건설되었고, 1869년 미국에는 대서양 연안에서부터 태평양 연안에 걸쳐 대륙횡단철도가 건설되었다.
철도건설의 붐은 단지 육상 운송수단의
혁명만을 이룬 것이 아니라 당시 절정기에 이른 산업혁명을 더욱 가속화시키기도 하였다. 철도 건설은 금속과 기계제품, 석탄과 같은 연료 등을 대량으로 필요로 하였기 때문에 관련
산업부문의 성장과 발전을 촉진시켰다. 또 주요 산업의 중심지들을 가깝게 연결시키는 역할을 하여 공업생산 발전에 커다란 도움을 주었다.
원자설의 (재)등장
라부아지에에 의해 화학이 연금술로부터 완전히 벗어났지만, 과학자들은 물질의 물리적 · 화학적 성질을 새로이 설명해야 하는 도전에 직면했다.
즉 그들은 다음과 같은 물음들에 답해야 했다:
● 무엇이 한 원소와 다른 원소를 다르게 하는가.
● 무엇이 원소의 성질을 결정하는가.
● 원소들은 어떤 규칙에 따라 화합물을 구성하는가.
● 화합물내에서 원소들의 배열은 어떠한가.
원자설의 (재)등장
라부아지에는 처음으로 화학반응식을 서술했고, 모든 반응에서 반응물질의 질량은 생성물질의 질량과 같다는 것, 즉 질량보존의 법칙을
정량적으로 증명했다. 그러나 이 법칙은 그
이유를 아직 설명할 수 없는 실험적 사실이었다.
오늘날 우리는 이 사실을 설명하려면 원자량, 분자량, 분자식, 화학반응식에 대한 지식이
필요하다는 것을 알고 있다. 하지만 이런 지식이 없었던 당시 화학자들에게 질량보존의 법칙이 왜 성립하는지 설명하는 것은 (또 앞 슬라이드의 물음들에 답하는 것은) 매우 어려운 일이었다.
돌턴의 원자설
라부아지에가 죽은지 3년 후, 프루스트(Joseph Louis Proust, 1754~1826)라는 과학자가
‘일정성분비의 법칙’을 발표했다. 모든
화합물들은 각 화합물을 구성하는 원소들이 일정한 질량비로 결합한다는 법칙이다.
그후 돌턴(John Dalton, 1766~1844)이
실험을 통하여 지구상에서 가장 가벼운 원소는 수소이고, 이러한 수소 원자 한 개의 질량을
기준으로 다른 원소의 원자들의 상대적인 질량을 구할 수 있다는 것을 발견했다.
돌턴의 원자설 (계속)
이러한 과정에서 정립된 원자설이 돌턴의 저서
『화학철학의 신세계』(1808)를 통하여 나오게 되었다. 그의 원자설을 간단히 정리하면 다음과 같다.
1. 물질은 더 쪼갤 수 없는 원자로 구성되어 있다.
2. 같은 원소의 원자는 질량이나 성질이 같다.
3. 원자는 새로 만들어지거나 파괴되지 않는다.
4. 화합물을 구성하는 원자들은 일정한 정수비를 이루고 있다.
토론주제
연금술사들이 금을 만들거나 불사약을 만들려고 했을 때, 그들이 일으키려고 했던 건 결국
화학반응이다. 물음 1: 화학혁명 당시 학자들이 플로지스톤 이론을 통해서 이들이 설명하려고 했던 특정한 종류의 화학반응은 무엇이었는가?
당시 학자들이 특히 가장 중요하게 생각했던 종류의 화학반응은 바로 연소와 호흡이었다.
물음 2: 고대의 4원소설과 비교했을 때
플로지스톤 이론을 통해서 당시 화학자들이 이뤄낸 긍정적인 성과가 있었다면
무엇이었을까?
