하루 한 권, 화학 열역학

사이토 가쓰히로 지음 | 정혜원 옮김

드루 2024년 05월 31일 출간 종이책 : 2023년 10월 31일 출간

작품소개

책소개

배움에는 끝이 없고, 세상에는 신비로운 것들이 너무 많으니까.
몰라도 괜찮지만 배우면 훨씬 더 교양 있는 ‘일상 과학’의 세계로!

아직 우리에게 너무도 어려운 화학 열역학.
화학과 물리를 잇는 화학 반응과 열, 에너지의 관계를 배워 다양한 연습 문제를 통해 ‘변화’하자!

과학 이론을 탐구하다 보면 알게 된다. 과학은 아주 흥미롭지만, 다가가기에는 너무 심오한 학문이라는 것을. 이와 같은 이유로 우리는 학교 졸업과 동시에 수학이나 과학에 등을 진다. 누군가는 재미있어 보이지만 너무 어렵다고 말하고, 또 누군가는 써먹지도 못하는 것을 왜 알아야 하냐고 묻는다. 그래서 준비했다. 재미있어 보이기는 하는데, 써먹지 못했던 ‘과학’을 일상의 영역으로! 나의 오늘이자 내일인 ‘일상’과 우주 정거장에서나 쓸모 있을 법한 ‘과학’이 공존할 수 있는 단어였던가?

사실 우리는 우리도 모르는 사이에 과학의 세계에서 살아가고 있다. 나도 몰랐던 ‘나의 과학적인 일상’을 하루 한 권 시리즈를 통해 들여다보자. 새로운 세계가 펼쳐질지도 모른다. 또한, 과학을 이해하기 위한 언어인 ‘수학’까지도 일상의 영역으로 가지고 와 단순한 언어로 아주 쉽게 배울 수 있도록 차례를 구성했다. 몰라도 살아가는 데 아무 문제 없지만, 배우면 훨씬 더 교양 있는 ‘일상 과학’의 영역을 탐험하자! 언제 어디서나 가볍게, 한 손에 들어오는 ‘작은 노력’으로 커다란 지식의 즐거움을 누릴 수 있을 것이다.

에너지는 그 형태가 다양하다. 이를테면 증기는 배나 기관차를 움직이는 일을 하고, 그때 증기는 열에너지로 만든다. 전기도 증기를 만들 수 있으니 전기와 빛 이외에도 수많은 것들이 에너지로 작용한다. 에너지가 일어나기까지의 과정은 또 어떠한가. 분자, 물질, 화학 반응, 즉 열과 일은 우리를 둘러싸고 있음에 틀림 없다. 단순히 ‘현상’으로 뭉뚱그리기 너무도 섬세한, 거대한 세계인 것이다. 『하루 한 권, 화학 열역학』을 읽다 보면 우리가 그간 배워 왔던 화학은 원자와 분자에 초점이 맞춰져 있었다는 것을 알 수 있다. 기실 화학은 그 탄생만큼이나 더 멀리 뻗어나간 개념이다. 물질 자체와 물질의 변화를 다루는 초점을 벗어나 엔트로피, 열역학이라는 무수한 에너지와 그 변수에 대해 물리, 수학적으로 분석하고 해석하며 본질을 따지는 학문에 입성해 보자.

목차

들어가며

제1장 에너지란 무엇일까?
1-1 에너지란 무엇일까?
1-2 양자화란 무엇일까?
1-3 원자의 전자 에너지
1-4 분자의 결합 에너지
1-5 반응과 에너지
1-6 에너지와 엔탈피
1-7 무질서함과 엔트로피
1-8 반응 방향과 자유 에너지
제1장 연습 문제

제2장 양자론과 에너지
2-1 물질을 이루는 것
2-2 원자의 구조와 크기
2-3 하이젠베르크의 불확정성 원리
2-4 에너지와 전자구름
2-5 에너지의 양자화
2-6 양자화와 양자수
2-7 광자와 그 에너지
제2장 연습 문제

제3장 원자의 에너지
3-1 원자와 원자핵
3-2 동위 원소와 그 변화
3-3 원자핵의 에너지
3-4 전자껍질과 에너지
3-5 에너지 표현
3-6 전자 배치와 전자 에너지
3-7 이온화 에너지와 전자 친화도
3-8 원자와 빛에너지
3-9 전자 에너지와 스펙트럼
3-10 우주의 범위
제3장 연습 문제

제4장 분자의 에너지
4-1 물질을 반영하는 분자
4-2 결합의 종류
4-3 이온 결합과 금속 결합의 에너지
4-4 원자 진동과 전도도
4-5 공유 결합 에너지
4-6 결합성 궤도와 반결합성 궤도
4-7 궤도 에너지와 결합 에너지
4-8 헬륨 분자의 결합 에너지
4-9 분자종 에너지
4-10 들뜬상태의 에너지
4-11 분자 간 힘의 에너지
4-12 결합에 의한 에너지 차이
제4장 연습 문제

제5장 반응 에너지
5-1 화학 반응과 에너지
5-2 내부 에너지
5-3 내부 에너지와 위치 에너지
5-4 진동 에너지와 회전 에너지
5-5 반응 에너지와 내부 에너지
5-6 용해와 용매화 에너지
5-7 용해 에너지
5-8 에너지로 방출되는 것
5-9 발광과 색깔
5-10 빛 흡수와 발광
5-11 빛 흡수와 색깔
제5장 연습 문제

제6장 반응 속도와 촉매, 에너지
6-1 화학 반응 속도
6-2 활성화 에너지
6-3 활성화 에너지와 촉매 반응
6-4 촉매 반응의 원리
6-5 반응 속도식
6-6 속도 상수의 의미
6-7 다단계 반응과 중간체
6-8 가역 반응과 비가역 반응
6-9 가역 반응과 평형 반응
제6장 연습 문제

제7장 에너지와 엔탈피
7-1 반응계와 외부
7-2 열역학 제1법칙
7-3 기체 분자의 비행 속도
7-4 기체 분자의 운동 에너지
7-5 여러 가지 변화
7-6 등압 변화와 등적 변화
7-7 엔탈피
7-8 몰 열용량
7-9 열화학 방정식
7-10 상태량과 헤스의 법칙
7-11 헤스의 법칙 응용
제7장 연습 문제

제8장 엔트로피
8-1 질서 정연한 상태와 무질서한 상태
8-2 무질서함과 엔트로피
8-3 열역학 제2·제3법칙
8-4 변화와 엔트로피 변화
8-5 엔트로피와 분자 구조
8-6 엔트로피와 에너지
8-7 엔트로피와 열
8-8 부피·온도 변화와 엔트로피
제8장 연습 문제

제9장 기브스 에너지
9-1 반응 방향을 결정하는 것
9-2 자유 에너지의 정의
9-3 반응 방향과 기브스 에너지
9-4 기브스 에너지와 평형
9-5 평형 상태와 정상 상태
9-6 르샤틀리에 법칙 - 농도 변화
9-7 르샤틀리에 법칙 - 전압·온도 변화
제9장 연습 문제

제10장 상태 변화 에너지
10-1 고체·액체·기체
10-2 상태 변화
10-3 상태 변화와 기브스 에너지
10-4 상태도
10-5 초임계 상태
10-6 증기압
10-7 용액의 증기압 내림
10-8 몰 어는점 내림과 몰 끓는점 오름
10-9 열과 환경
10-10 에너지와 환경
제10장 연습 문제

정답
제1장 ~ 제4장
제5장 ~ 제7장
제8장 ~ 제10장

참고 도서

책 속으로

모든 물질은 원자라는 미세한 입자로 이루어져 있습니다. 마치 컬러 인쇄물을 확대했을 때 작은 점이 모여 있는 것과 비슷해요. 입자의 집합체라는 의미에서 물질은 디지털 방식이라 생각해도 좋을 것 같습니다.
-30쪽

전자의 에너지를 정확하게 구하면 그 에너지를 가진 전자의 위치는 알 수 없다는 것을 뜻합니다. 현대 화학은 전자와 에너지의 학문이라 할 수 있습니다. 전자의 움직임과 변화, 에너지로 원자 및 분자의 물성과 반응성을 설명하지요. 그때 중심이 되는 것이 전자의 에너지입니다. 극단적으로 말해 전자의 에너지와 그 변화로 물성 및 반응을 기술하는 셈입니다. 따라서 전자의 에너지를 얼마나 정확하게 구하고 그 변화량을 얼마나 정밀하게 얻느냐에 집중합니다.
-34쪽

빛은 광자의 집합체입니다. 광자는 양자의 일종인데, 그 성질의 일부는 입자에 비유할 수 있고, 다른 일부는 파동에 비유할 수 있어요. 그래서 빛은 입자성과 파동성을 동시에 지녔다고 말합니다.
기본 단위인 에너지를 가진 ‘물질’이라는 관점에서는 광자를 입자에 비유하는 편이 이해하기 쉬울 것입니다. 하지만 그 기본 단위인 에너지가 광자의 ‘진동수(ν, 뉴)’에 비례한다는 관점에서는 광자를 파동으로 생각하는 편이 더 편할 것입니다.
-40쪽

원자핵은 매우 작아서 지름이 원자의 약 1만분의 일에 불과합니다. 따라서 원자핵이 지름 1센티미터인 유리구슬이라면 원자는 지름 10,000센티미터, 즉 100미터인 구슬이라고 할 수 있습니다.
원자핵은 양성자(p)와 중성자(n)라는 두 가지 입자로 이루어져 있습니다. 양성자와 중성자는 질량이 거의 같지만 전하가 크게 달라요. 양성자는 +1의 전하를 띠는 반면, 중성자는 전하를 띠지 않아 전기적으로 중성입니다.
-44쪽

전자 에너지를 그래프로 어떻게 표현하면 좋을지 생각해 보세요. 전자 에너지는 전자가 원자에 결합하여 발생하는 에너지입니다(그림 1). 따라서 원자에 결합하지 않은 전자, 즉 자유 전자는 전자 에너지가 0입니다. 그 에너지를 기준으로 삼겠습니다.
앞에서 살펴보았듯 원자핵에 가까운 원자껍질일수록 전자 에너지가 커집니다. 그런데 원자와 전자의 물성이나 반응성 관점에서 보면 전자 에너지가 큰 전자일수록 안정적이고 반응성이 낮습니다. 그렇다면 이 두 가지를 ‘직관적으로’ 나타내려면 어떻게 해야 할까요?
-52쪽

원자에는 수많은 전자껍질이 있습니다. 그중 실제로 전자가 들어 있는 껍질은 밑에 있는 것(저에너지) 몇 개뿐입니다. 다른 전자껍질은 비어 있지요.
특정 대역에 걸쳐 모든 파장의 빛이 섞여 있는 것을 연속 스펙트럼이라고 합니다. 원자에 연속 스펙트럼을 비추면 최외각 전자는 빛을 흡수하여 들뜬상태가 됩니다. 이때 흡수되는 빛에너지는 원자의 최외각과 다른 상위 껍질 간의 에너지 차이인 ⊿E1~⊿En과 같습니다(그림 1).
-60쪽

물질 변화와 에너지 변화의 관계를 설명하는 연구 분야를 화학 열역학이라고 합니다. 그 범위는 매우 넓어서 살펴본 것처럼 분자 하나하나의 변화에 얽힌 에너지 변화뿐만 아니라 우주의 물질 변화부터 그와 관련된 에너지 변화까지 에너지에 관한 모든 현상을 다룹니다.
그런 화학 열역학의 세계에는 중요한 법칙이 세 가지 있는데 각각 열역학 제1, 제2, 제3법칙으로 불립니다.
-138쪽

출판사 서평

배움에는 끝이 없고, 세상에는 신비로운 것들이 너무 많으니까!
몰라도 괜찮지만 배우면 훨씬 더 교양 있는 ‘일상 과학’의 세계로 들어가 보자

내가 배운 물리, 화학, 생물은 정말 어려운 것이었을까? 그렇게나 풀기 싫었던 미적분과 기하학은 대체 왜 배워야 했던 걸까. 일상에서 써먹을 수 있는 날이 오기는 할까? 그런 의문을 마음 어디엔가 품고 있었다면, ‘하루 한 권 시리즈’를 펼쳐 보자.

내일을 바꾸는 단 한 권의 지식, 하루 한 권 시리즈!

하루 한 권 시리즈는 우리가 일상에서 활용할 수 있도록 과학이 갖춘 실용적인 모습을 파헤치는 과학 교양 도서다. 과학을 잘 모르는 사람들도 쉽게 읽고 이해할 수 있도록 도판, 표, 친절한 설명을 통해 최대한 쉽게 내용을 담았다. 예컨대 어떻게 하면 훨씬 더 과학적으로 노력할 수 있는지, 어제 사 온 씨앗을 가장 빨리 싹틔우는 방법, 새집 증후군은 왜 생기는지까지. 일상에서 마주할 법할 부분들을 과학적으로 설명했다. 어렵거나 이해할 수 없는 내용이 아니라 우리 삶과 밀착된 문제를 과학을 통해 풀어내고, 그것들을 어떻게 바라보면 좋을지 함께 고민하는 책이다. 배움에는 끝이 없고 세상에는 너무 신기한 것들이 많으니까. 우리가 살아가는 일상의 ‘어떤’ 현상들을 과학의 눈으로 분석적으로 바라볼 수 있다면 얼마나 좋을까? 그것도 아주 가볍게, 책 한 권으로 말이다. 그리고 그러한 시각을 가진다는 건, 우리가 살아감에 있어 생존의 무기 하나를 더 가지게 됨을 의미한다. 이러한 무기는 우리가 어떤 현상에 지혜롭게 대처하고 싶을 때 활용할 수 있는 힘이 되어줄 것이다.

다양한 주제, 내 취향에 맞는 카테고리를 찾아보자!

책은 한 손에 가볍게, 지식은 머릿속 깊숙이! 언제 어디서나 가볍게 읽을 수 있도록 한 손에 들어오는 작은 크기로 만들었다. 각각의 주제마다 검증된 집필진이 써 내려가는 과학의 세계를 탐험하다 보면, 어느 순간 숫자와 지식으로 바라보는 세계에 푹 빠지게 될지도 모른다. 지하철이나 버스, 쉬는 시간에 조금씩 읽을 수 있도록 아주 쉽고 재미있는 내용으로만 구성했다. 세상을 분석적으로 바라보는 나의 모습을 기대해도 좋다. 주제 역시 물리, 화학, 생물학, 지구과학, 수학 등 다양한 카테고리로 구성되어 있어 내 취향에 맞는 책으로만 꺼내 읽기에도 적당하다. 나는 어떻게 하면 천재가 되어 일류의 세계로 향할 수 있는지… 사람이 만들어 낸 ‘진짜 광기’의 화학물질이 무엇인지. 이런 뜬금없는 질문도 좋다. 우리가 단순히 감각하는 세상 말고, 세상의 보이지 않는 현상까지도 과학적으로 풀어내 보자. 과학은 이론이 아니라 실전이니까!

우주의 모든 것을 담는 화학 열역학, 더 쉽게 배워 볼 수는 없을까?

빅뱅으로 인해 우주가 탄생하고, 원자뿐 아니라 에너지가 생겨났다. 원자란 에너지 덩어리로, 지금에 오기까지 삶의 변화와 변수, 모든 현상은 물질과 화학 반응, 에너지로 이루어졌다. 잘 정돈되어 있던 방도 학교에서 막 돌아온 아이가 머물면 차마 볼 수 없을 만큼 무질서한 상태가 되며 또 커피잔에서 흘러나온 향은 공중으로 퍼지곤 하는데, 원래대로 돌아가지 않는 이 상태를 과학적으로 어떻게 설명할 수 있을까? 모든 자연현상이 엔트로피가 증가하는 방향으로 변화하는 것이라는데, 어떤 직관적인 수치로 이를 계산해 볼 수 있을까?
우주 탄생 이래로 단 한 순간도 빠짐없이 일어나는, 손에 잡히지도 않는 찰나를 눈에 보이게 분석하고 정리할 수 있는 화학 열역학은 그만큼 매력적이다. 화학 열역학은 물질 변화와 에너지 변화의 관계를 설명하는 연구 분야다. 그 범위는 매우 넓어서 살펴본 것처럼 분자 하나하나의 변화에 얽힌 에너지 변화뿐만 아니라 우주의 물질 변화부터 그와 관련된 에너지 변화까지 에너지에 관한 모든 현상을 다룰 수 있다. 화학 열역학의 세계에는 물리와 수학이 동반되며 이에 중요한 법칙과 개념이 사용된다. 어렵지만 흥미로운 지적 영역에 더 깊이 도달하게 하는 화학 열역학. 세상을 바라보는 또 다른 철학과 관점을 선사해 줄 것이다!

작가정보

저자(글) 사이토 가쓰히로

1945년 5월 3일생. 1974년에 도호쿠대학교 대학원 이학연구과 박사과정을 수료하고 현재 나고야시립대학의 특임교수를 비롯해 나고야 산업화학연구소 수석연구원, 메이조대학 시간 강사, 나고야 공업대학 명예교수를 겸임하고 있다. 전문 분야는 유기화학, 물리화학, 광화학, 초분자화학이며, 저서로는 『マンガでわかる元素118(만화로 읽는 주기율표 118)』, 『マンガでわかる有機化学만화로 읽는 유기화학』, 『マンガでわかる無機化学만화로 읽는 무기화학』, 『カラー図解でわかる高校化学超入門그림으로 배우는 고등학교 화학 입문』〈SBクリエイティブ〉 등 다수가 있다. 국내에 번역된 도서로는 『하루 한 권, 탄소』, 『하루 한 권, 주기율의 세계』, 『하루 한 권, 일상 속 화학 반응』〈드루〉 등이 있다.

번역 정혜원

대학에서 서양화를 공부하고 대학원에서 통번역을 공부했다. 현재 번역가로 일하면서 독립 출판물을 만들고 그림을 그리고 있다. 『실험 쥐 구름과 별』을 쓰고 그렸으며 『망각 탐정 시리즈』, 『정체』, 『하루 한 권, 날씨와 전투』, 등을 옮겼다.