화학의 기본 6가지 법칙: 기초, 실험, 응용

다케우치 요시토 지음 | 박택규 옮김

전파과학사 2024년 08월 15일 출간 국내도서 : 2024년 07월 22일 출간

작품소개

책소개

『화학의 기본 6가지 법칙』은 화학의 발전 과정을 이해하기 위해 6가지 기본 법칙을 중심으로 구성한 책이다. 각 법칙을 발견한 경로와 증명 과정, 그리고 발전을 다뤘다. 기존 교과서나 참고서는 화학의 윤곽만을 제공해 평면적인 이해에 그쳤다면, 이 책은 명암과 색을 더해 입체적인 이해를 돕는다.

질량 보존의 법칙을 처음 제안한 사람은?
보일-샤를의 법칙에서 절대온도의 개념은 어떻게 나왔나?
아레니우스의 전리설은 어떤 실험으로 증명했나?

교과서에 나오는 이 법칙들은 어떻게 탄생했으며, 라부아지에나 패러데이 법칙의 발견자는 어떤 실험을 했을까? 현재 그 법칙을 직접 확인할 수 있는 실험은 없을까? 과학의 발전은 화학에 어떤 파급 효과를 줬을까? 『화학의 기본 6가지 법칙』은 이 모든 질문을 아우르는 필독서다.

우리는 ‘질량 보존의 법칙’을 자명한 것으로 받아들이고 의심해 본 적이 없다. 그러나 ‘질량 보존의 법칙’을 직접 실험해 볼 수 있는 방법이 있다면 어떨까? 그것도 우리가 일상에서 흔히 접할 수 있는 물건 중 하나인 ‘건전지’로 말이다. 실험 방법은 매우 간단하다. AAA 건전지, 펜라이트를 건조제와 함께 건조기 속에 넣는다. 하루 동안 방치했다가 건전지를 건조기에서 꺼내 질량을 측정한다.

이제 건전지를 펜라이트에 넣고 불을 켠 채 건조기에 넣는다. 전구의 밝기가 눈에 띄게 약해지기 시작하면 펜라이트에서 건전지를 꺼내 신속하게 질량을 측정한다. 실험 결과, 건전지의 질량은 거의 변화하지 않는다. 변화한다고 해도 아주 근소하기 때문에 이 실험은 ‘질량 보존의 법칙’을 실험할 수 있는 매우 간단하면서 일상적인 실험이다. 『화학의 기본 6가지 법칙』을 읽으면 다른 5가지 법칙도 정말 쉽게 이해할 수 있다.

목차

독자에게 4

제1장 질량 보존의 법칙
1. 판헬몬트의 생각 | 12
2. 플로지스톤설 | 14
3. 라부아지에의 생각 | 15
4. 질량 보존의 법칙 | 18
5. 라부아지에의 실험 | 19
6. 우리의 실험 | 22
7. 연소 이론의 확립 | 26
8. 란돌트의 실험 | 28
9. 아인슈타인의 식 | 31

제2장 보일-샤를의 법칙
1. 토리첼리의 진공 | 38
2. 파스칼의 실험 | 39
3. 마그데부르크의 반구 | 41
4. 보일의 법칙 | 42
5. 샤를의 법칙(게이뤼삭의 법칙) | 45
6. 우리의 실험 | 50
7. 절대온도와 기체의 상태방정식 | 53
8. 이상기체와 실제 기체 | 56
9. 기체분자운동론 | 59
피스톨로 쏘아 넣는다 | 205

제3장 돌턴의 원자설
1. 고대 원자설과 그 부활 | 68
2. 정비례의 법칙과 배수 비례의 법칙 | 71
3. 돌턴의 원자설 | 75
4. 게이뤼삭의 기체 반응의 법칙 | 80

제4장 아보가드로의 분자설
1. 아보가드로의 가설 | 88
2. 뒤마의 증기 밀도법 | 92
3. 카를스루에의 국제 화학 회의 | 93
4. 에너지론의 대두 | 97
5. 브라운 운동과 아인슈타인의 이론 | 99
6. 페렝의 실험 | 101
7. 우리의 실험 | 106
8. 아보가드로 수로부터 아보가드로 상수로 | 110

제5장 패러데이의 법칙
1. 고대에서 18세기 말까지 | 116
2. 동물 전기의 발견과 볼타의 전지 | 118
3. 전류의 화학 작용 | 120
4. 패러데이의 법칙 | 122
5. 패러데이의 실험 | 125
6. 우리의 실험 | 127
7. 패러데이의 법칙에 대한 평가 | 132
8. 전기분해 이론 | 134

제6장 아레니우스의 전리설
1. 이온의 이동 속도 | 142
2. 콜라우슈의 법칙 | 143
3. 삼투압의 발견 | 147
4. 반트호프의 삼투압의 법칙 | 150
5. 라울의 법칙 | 152
6. 아레니우스의 전리설 | 156
7. 전리설의 증명 | 159
8. 우리의 실험 | 161
9. 전리설에 대한 반론 | 163
10. 결정 속에 이온이 있다는 증거 | 165
11. 용매의 역할과 이온들의 반응 | 166
12. 새로운 전해질 용액의 이론 | 170

후기 172

책 속으로

라부아지에는 ‘탈플로지스톤 공기’라든가 ‘플로지스톤화 공기’라는 이름은 적당하지 않다고 생각하여 전자에는 옥시젠, 후자에는 아조토라는 이름을 붙였다. 옥시젠은 ‘산을 만드는 것’이라는 의미로서 이 이름은 현재도 사용되고 있다. 그리고 아조토는 ‘생명이 없다’라는 뜻의 그리스어에서 따온 말이다. 이 이름은 오늘날에는 프랑스 이외에서는 사용되지 않는다. 현재 사용되고 있는 것은 니트로젠(nitrogen)이라는 이름이다. 우리는 흔히 산소, 질소라고 부르고 있다.
공기가 산소 1부피와 질소 4부피의 화합물이라고 하면, 연소에 관한 그때까지의 실험 결과를 전부 무리 없이 설명할 수 있었다. 라부아지에의 새로운 이론은 화학을 완전히 합리화하는 내용을 담고 있었다. 플로지스톤과 같은 신비적인 것은 사라졌다. 이 이후는 질량이나 부피를 측정할 수 있을 만한 물질만이 화학자가 다루는 대상이 되었다.
라부아지에에 의해서 시작된 이 화학의 개혁을 가리켜 후세 사람들은 ‘화학 혁명’이라고 일컬었다. 실제로 화학이 근대적인 의미로서의 학문으로 독립하기 위해서는 반드시 통과해야 할 관문이었다. 그런 의미에서 라부아지에를 ‘근대 화학의 아버지’라고 일컫는다._28쪽

샤를도 게이뤼삭도 현재는 기체에 관한 법칙을 통해서 잘 알려져 있지만, 당시 그들은 기체를 연구하는 착실한 과학자가 아니라 시대의 첨단을 달리는 기구(氣球) 제작자 혹은 기구 승무원으로 유명했다. 지금으로 말하면 인기 있는 우주비행 기술자이자 우주비행사였다.
1783년 가을, 프랑스의 몽골피에 형제(J. M. Montgolfier, 1740~1810; J. Montgolfier, 1745~1799)는 열기구를 띄우는 데 성공했다. 두 사람을 태우고 약 25분간이나 파리를 횡단한 것이 최대 기록이었다. 그러나 기구 밑에서 불을 피워 부력을 조절한다는 것은 위험하기 짝이 없는 데다 기구를 조종하는 방법도 알려져 있지 않았다.
이런 문제들을 해결해 달라는 민간 유지들의 부탁을 받은 샤를은 공기보다 가벼운 기체로 캐번디시가 발견한 수소를 기구에 채우기로 했다. 이 아이디어를 생각해 낸 사람은 그 외에도 몇 사람이 있었지만, 수소를 기구에 밀폐하는 일이 어려웠다.
샤를은 기구를 비단 천으로 만들고, 갓 발명된 기술, 즉 고무를 녹여 천에 발라서 말리면 천이 불투과성(不透過性)이 되는 방수천의 제조 원리를 응용하기도 했다. 또 샤를은 모래주머니, 내림 밧줄, 기체를 뽑아내는 밸브 등 ‘기구조종술’이라고 할 만한 것을 연구했다. 기구를 감싸는 그물과 그것에 매어 달 곤돌라도 준비했다.
샤를의 기구는 몽골피에 형제의 기구보다 더 늦은 1783년 말에 완성되어 40만 관중이 지켜보는 가운데서 조용히 하늘로 올라갔다._48쪽

1780년경, 이탈리아의 생리학자 갈바니(L, Galvani, 1737~1798)는 막 껍질을 벗긴 개구리의 다리가 가까이에서 전기 방전이 일어날 때마다 세차게 경련하는 것을 발견했다. 갈바니는 이 현상을 여러 가지 실험을 통하여 조사했다. 그 결과 다른 금속을 연결하여 만든 회로를 개구리의 신경이나 근육에다 접촉했을 때도 경련이 일어난다는 것을 알았다.
이 현상은 동물의 몸 자체에서 기인하거나 다른 금속의 접촉에 의한 전기적인 작용의 결과로 개구리 다리가 검전기의 역할을 하거나 둘 중 하나였는데, 갈바니는 앞의 견해, 즉 개구리 다리가 전기를 발생시키는 것이라고 생각했다.
갈바니의 발견은 당시 큰 반향을 불러일으켜 사람들은 앞다투어 두 종류의 금속과 개구리 다리로 갈바니가 한 관찰을 반복했다. 같은 이탈리아의 물리학자 볼타도 그런 사람 중 하나였다. 그는 이미 민감한 검전기를 발명한 일류 전기학자였다.
볼타는 개구리 다리는 그저 흥분했을 뿐이며, 금속이 원천적인 전기의 발생자라고 주장했다(1791년). 또 개구리 다리가 경련을 일으키는 세기는 사용하는 금속의 종류에 따라 다르다는 것을 알아냈다. 1794년에 볼타는 여러 가지 금속과 도체를 한 줄로 배열한 것을 발표하고, 사용하는 두 종류의 금속 또는 도체가 이 줄 가운데서 떨어져 있을수록 전기 작용이 강하다고 말했다._118~119쪽

작가정보

저자(글) 다케우치 요시토

1943년생. 1960년 일본 도쿄대학 교양학부 교양학과 졸업. 도쿄 대학 조교수. 전공 유기화학. 저서 『분자의 형태와 기능』 등 다수.

번역 박택규

서울대 문리대 화학과, 서울대 보건대학원 졸업. 이학박사. 건국대 화학과 교수. 한국과학저술인협회 부회장, 기초과학연구소 소장, 건국대학교 교수 협의회 의장. 전공 생화학. 저서 『생화학』, 『기초생화학』, 『환희의 순간』, 『실험생화학』, 『과학과 생활』. 역서 『과학사의 뒷얘기 I · III』, 『우리가 먹는 화학물질』, 『생명합성에의 길』, 『원소란 무엇인가』 등 다수.