현대 화학
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1. 개요
현대 화학은 입자의 발견, 양자역학의 도입, 생명 현상에 대한 화학적 이해, 그리고 신소재 개발을 통해 발전해 왔다. 전자의 발견과 동위 원소의 개념 도입은 원자 구조에 대한 이해를 높였으며, 양자역학은 확률적인 물질관을 제시하며 원자 및 분자 수준의 현상을 설명하는 데 기여했다. 또한, 자기 복제 물질의 합성, 미셀과 리포솜 연구는 생명 현상에 대한 화학적 이해를 심화시켰고, 전도성 플라스틱, 풀러렌, 초전도체 등의 신소재 개발은 화학 기술의 혁신을 이끌었다.
톰슨이 전자를, 러더퍼드가 원자핵을 발견하면서 멘델레예프가 발견한 원자량 규칙성의 비밀이 밝혀졌다. 그 후 짧은 기간 동안 30여 개의 새로운 원소가 발견되었는데, 이들 중에는 화학적 성질은 거의 같고 원자량만 다른 원소들도 있었다. 과학자들이 이 많은 원소들을 주기율표에 추가하는 문제를 고민하던 중, 1913년 프레더릭 소디가 동위 원소 개념을 도입했다.
플랑크의 양자 가설과 아인슈타인의 광자 가설 등으로 성립된 양자 개념은 원자 구조에 대한 이해를 변화시켰다.[3] 과학자들은 물질의 입자성과 파동성뿐만 아니라 확률적인 물질관을 받아들여야 했다. 19세기까지 과학자들은 입자 개개의 성질과 변화를 알 수 있다고 믿었지만, 미시 세계에서는 개별 입자를 관찰하는 것이 불가능하므로, 전체 집단의 움직임을 확률로 표현하게 되었다.[4]
2. 입자의 발견
1919년 영국의 과학자 애스턴이 질량 분석기를 이용하여 원소의 질량 스펙트럼을 연구한 결과, 대다수 원소에 동위 원소가 존재함이 밝혀졌다.[2] 1932년 채드윅이 중성자를 발견하면서 동위 원소의 원자량이 차이 나는 이유를 알 수 있게 되었다. 이로써 많은 원소의 원자량이 정수가 아닌 소수인 이유도 밝혀졌다.
1934년 미국의 화학자 유리가 중성자 한 개와 양성자 한 개가 결합한 원소를 발견했고, 뒤이어 중성자 두 개와 양성자 한 개가 결합한 원소가 발견되었다. 유리는 이를 중수소와 삼중수소라고 명명하였다. 이에 따라 돌턴이나 아보가드로 시대의 원소 개념은 폐기되었다. 즉, 원소는 양성자의 수가 같은 입자나 입자들로 이루어진 물질이다.
2. 1. 방사성 원소와 원소 변환
1898년 퀴리 부부가 폴로늄 원소가 자연적으로 방사선을 내고 납으로 바뀌는 현상을 발견했고, 1903년 어니스트 러더퍼드와 프레더릭 소디가 인공적으로 질소를 산소로 바꾸는 데 성공하면서 오랫동안 연금술사들이 꿈꿔왔던 원소 변환이 이루어지게 되었다.[2]
3. 양자역학과 물질관의 변화
3. 1. 확률적 물질관과 통계적 법칙
플랑크의 양자 가설과 아인슈타인의 광자 가설 등으로 성립된 양자의 개념은 원자의 구조에 대한 이해에 도입되면서, 원자에 대한 새로운 이해가 가능해졌다.[3] 과학자들은 물질의 입자성과 파동성에 대한 개념과 함께 확률적인 물질관을 받아들여야 했다. 19세기까지 과학자들은 입자 개개의 성질과 변화를 알 수 있다고 믿었다.
확률 개념은 고전 역학을 포기한 과학자들이 받아들인 새로운 물질 이해 방법이었다. 미시 세계의 입자들은 그 수가 매우 많기 때문에 개개 입자를 관찰하는 것은 불가능하다. 대신 과학자들은 전체 집단의 움직임을 통계적인 방법인 확률로 표현하게 되었다.[4]
이러한 확률적인 물질관의 예로 방사능 붕괴 현상을 들 수 있다. 1g의 라듐은 1600년이 지나면 반으로 붕괴한다. 이로부터 30분 후에 대략 몇 개의 라듐 원자가 붕괴할 지 예측할 수 있지만, 구체적으로 어느 원자가 붕괴할 지는 알 수 없다. 한 원자의 붕괴 운명은 시간에 의존하지 않는다. 어떤 원자는 매우 오랫동안 붕괴하지 않을 것이고, 어떤 원자는 다른 원자보다 상대적으로 빨리 붕괴한다. 그러나 그 원인은 알 수 없다. 오직 통계적 법칙에 의해 원자들이 모여 있는 집단 안에서 일어나는 규칙만을 이해할 수 있을 뿐이다.[4]
원소 스펙트럼에서도 이러한 확률 개념을 찾아볼 수 있다. 스펙트럼의 선을 자세히 관찰하면, 어떤 선은 매우 뚜렷한데 반해 어떤 선은 희미하다.
뚜렷한 선은 이 특정한 파장에 속하는 에너지가 비교적 많이 방출된다는 것을 의미하고, 희미한 선은 이 파장의 에너지가 적게 방출되었다는 것을 의미한다. 이는 통계적인 정보를 의미한다. 따라서 개별 전자가 어떠한 에너지 준위로 이동하는지는 알 수 없다.
그럼에도 불구하고 원소의 선 스펙트럼이 항상 일정하게 나타나는 이유는 이러한 현상이 개별 전자와 관련된 것이 아니라 큰 수의 전자 집단과 관련 있기 때문이다. 이는 마치 주사위를 던질 때 한두 번 던질 때 나오는 숫자는 확률적인 값과 크게 다를 수 있으나, 던지는 횟수가 기하급수적으로 증가하면 확률과 유사한 값을 가지게 되는 것과 같다.
3. 2. 분자 개념의 변화
아보가드로가 분자의 개념을 최초로 정의한 후 과학이 발달하면서 이 정의도 변화하게 되었다. 처음에 아보가드로는 기체의 반응에서 나타나는 규칙성을 해결하기 위해 기체에 분자의 개념을 도입하였으나, 유기화학이 발달하면서 이 정의는 모든 물질에 확산되어 적용되었다. 즉, 기체뿐만 아니라 다른 모든 물질도 역시 분자로 이루어져 있다는 생각이 형성된 것이다. 그러나 20세기 초반, 물질의 결합에 대한 이론이 도출되면서 물질의 결합을 공유 결합, 이온 결합, 금속 결합 등으로 구분하게 되었다.[5]
이후 분자의 정의는 공유 결합을 한 물질에만 국한하여 적용하게 되었다. 왜냐하면, 이온 결합이나 금속 결합은 일정한 수가 결합하는 것이 아니어서 기본 단위에 대한 개념을 가질 수 없었기 때문이다. 이 때문에 소금과 같은 이온 결합 물질에는 분자식을 쓰지 않고 실험식으로 간단히 조성비(NaCl)만을 표현하며, 철과 같은 금속 결합 물질은 원소 기호(Fe)로 표현한다. 다이아몬드와 같은 물질은 비록 공유 결합을 하지만, 몇 개의 원자가 결합하는지 알 수 없기 때문에 C로 표현하며, 이 역시 분자에 속하지 아니한다.
4. 생명 현상에 대한 화학적 이해
19세기까지 과학자들은 무생물에서 유래한 무기물과 생물에서 유래한 유기물을 구분했다. 당시에는 유기물이 무기물로 변환될 수는 있어도, 그 반대는 불가능하다고 여겨졌다. 예를 들어 유기물인 나무가 타서 무기물인 이산화탄소나 수증기가 될 수는 있지만, 무기물인 이산화탄소나 수증기가 단백질이나 탄수화물 같은 유기물을 형성할 수는 없다고 생각했다. 이러한 관습 때문에 유기 화학과 무기 화학이라는 용어가 사용되지만, 현대 화학자들은 유기물과 무기물을 과거와 같은 의미로 구분하지 않는다.
1828년 독일의 화학자 프리드리히 뵐러는 무기물인 시안산암모늄으로부터 유기물인 요소를 합성했다. 프랑스의 화학자 베르틀로(Pierre Berthelot)는 글리세린과 지방산 합성에 성공하여, 유기물이 생명체만 만들 수 있다는 생각을 바꾸는 데 중요한 계기를 마련했다. 이후 케쿨레는 유기 화학을 '탄소 화합물'을 다루는 분야로 정의했고, 생명체의 생성물을 다루는 화학은 '생화학'이라는 용어로 대체되었다.
4. 1. 자기 복제 물질의 합성과 화학적 진화
자기 복제는 유전정보를 전달한다는 의미에서 생명체에게 매우 중요한 성질이다. 1989년 미국의 화학자 레벡(Rebek)은 스스로 복제가 가능한 분자의 존재를 발표하였다. 이 분자는 수소 결합을 통해 결합하는 두 조각 A와 B로 이루어져 있다. 이 분자에는 상보적인 두 끝이 있어서 각각 새 조각과 결합할 수 있다. A 끝은 B 조각과 결합하고, B 끝은 A 조각과 결합한다. 이렇게 하여 원 복제자의 주형에서 새 복제자가 조립된다.
다른 종류의 복제자 종을 합성한 후, 두 종류의 복제자가 교배하여 새로운 잡종을 만든다는 사실도 밝혀졌다. 경우에 따라서 생성되는 잡종은 성질이 매우 다르기도 하였다. 마치 말과 나귀의 잡종인 노새가 생식 기능이 없는 것처럼, 잡종 중 하나는 그 형태 때문에 복제 능력을 상실하는 경우도 있다. 그러나 어떤 잡종은 순종보다도 더 복제 능력이 뛰어났다. 이는 생물학적 진화를 화학적으로 설명하는 성공적인 시도로 여겨지고 있다.
레벡은 복제자에 자외선을 쪼여 돌연변이를 유발하고, 이 돌연변이가 복제에서 더 우월하다면 적자생존의 원리에 의해 돌연변이가 생존할 수 있음을 증명하였다.
분자 복제는 약으로 사용할 수 있는 생물학적 분자의 새로운 변종을 만드는 데 이용된다. 과학자들은 DNA나 RNA 등으로 이루어진 분자에 수억, 수조 개의 변종을 만들고 약을 만드는 데 필요한 일에 이 분자들을 경쟁시킨다. 이러한 화학적 진화를 통해 약의 효과를 미세하게 조정할 수 있게 된다. 이러한 생물 공학적 방법으로 생물 분자의 복사본을 만들고 약으로 가장 잘 적용되는 돌연변이만을 분리하여 새로운 돌연변이체를 만드는 출발 물질로 이용한다. 이러한 방법을 반복하여 이용하면 약효를 증가시킬 수 있다.
과학자들은 지구에 원시 생명이 탄생하기 전에 원시적인 자기 복제 분자가 먼저 형성되었을 것이라고 본다. 생명은 이러한 분자들 사이의 적자생존을 통해 미세하게 조절되는 과정에서 탄생하였을 것이다.
4. 2. 미셀과 리포솜: 세포막의 화학적 모델
분자의 한쪽은 기름과 같은 물질과 인력을 느끼고 다른 한 쪽은 물과 인력을 느끼는 분자를 계면활성제라고 하는데, 비누가 대표적인 계면활성제이다.[1] 계면활성제는 이러한 특성 때문에 섞이지 않는 두 물질을 섞이게 할 수 있으며, 기름과 인력을 느끼는 부분을 소수기, 물과 인력을 느끼는 부분을 친수기라고 부른다.[1]
물 속에 계면활성제가 많으면 소수기는 물을 피해 내부로 모이고 친수기는 물 쪽으로 향하여 미셀을 형성한다.[2] 계면활성제의 양이 더 많아지면 원통형 미셀도 형성된다.[2] 반대로 유성 용매 안에서는 미셀의 친수기가 안으로, 소수기가 밖으로 배치되는 뒤집힌 미셀이 형성된다.[3]
미셀은 DNA와는 다른 형태의 자기 복제(Autoreproduction) 화학 시스템을 구성할 수 있게 한다.[4] 즉, 미셀이 주형이 되어 자기 복제를 하는 것이다.[4] 미셀과 세포막의 유사성 때문에, 지구 최초의 원시 생명체가 자기 복제를 하는 미셀이었다고 주장하는 학자들도 있다.[5]
세포막은 생명 현상 유지에 필수적인 구성 요소로, 유전 정보를 보호하여 후대에 안전하게 전달하는 역할을 한다. 이런 점에서 물질의 합성과 반응 과정은 생명 이해에 대한 새로운 접근법이다.
‘양쪽성(Amphoterism) 이중층 미셀’로 구성된 막소포는 융합되거나 나뉠 수 있는 놀라운 특성을 가진다. 막소포 두 개가 서로 닿으면 닿은 곳에서 막이 합쳐져 더 큰 막소포 하나를 형성하고, 거꾸로 원생동물의 자기분열 과정과 유사하게 막소포가 나뉠 수도 있다. 이는 세포 바깥의 물질을 안으로 받아들이거나 세포 내부 물질을 바깥으로 내보내는 세포 생물학의 중요한 과정이다.
과학자들은 약이나 다른 물질을 담은 인공 인지질 막소포, 즉 리포솜이 세포 내로 약물을 전달할 수 있다는 사실을 이용한다. 약물 전달용 리포솜은 몸 바깥에서 형성되며, 약물이 리포솜 속으로 들어가도록 약물이 든 용액에서 합성된다. 이 리포솜을 몸에 주사하면 목표 세포를 찾아 약물을 전달할 때까지 약물은 몸에서 생리 작용을 일으키지 않아 효율적인 치료가 가능하다.
이 치료법은 악성 종양이나 백혈병 치료에 사용되는 독소루비신(doxorubicin)의 부작용을 줄이고, 항암제 안타이사클린을 리포솜으로 투여하여 암세포를 선택적으로 공격, 효과를 높이는 등 질병 치료에 이미 여러 성과를 내고 있다.
유전자 결함이 질병의 원인이라면, DNA나 RNA 조각을 세포에 전달하여 유전자를 바꾸는 유전자 치료가 필요하다. 이 방법은 여러 질병에 효과가 있을 것으로 기대되지만, 리포솜을 이용한 약물 전달은 면역 체계에 의해 이물질로 인식되어 파괴될 수 있다는 한계가 있어, 이에 대한 연구가 계속 진행 중이다.
5. 신소재 화학
20세기 이후 화학의 주요 연구 분야 중 하나는 신소재 개발과 그 응용이다.
과거에는 전기를 통하게 하는 것은 자유 전자가 존재하는 금속과 이온들이 자유롭게 이동할 수 있는 전해질 용액뿐이라고 여겼다. 그러나 오늘날에는 전기가 통하는 플라스틱이 발견되었다. 앨런 제이 히거, 앨런 맥더미드, 시라카와 히데키는 전도성 플라스틱 개발로 2000년 노벨 화학상을 수상하였다.
탄소 60개나 70개가 모여 분자를 이루는 풀러렌은 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘과 같은 알칼리 금속과 반응하여 금속을 공 안에 가둠으로써 여러 가지 새로운 성질을 띤다.
금속의 저항은 0K에 가까워질수록 작아지는데, 헤이커 카메를링 오너스는 수은이 4.2K 부근에서 전기 저항이 사라진다는 사실을 발견하였다. 이후 더 높은 온도에서 초전도체가 되는 물질들이 발견되었고, 1986년에는 35K에서 초전도체가 되는 세라믹 물질이 발견되었다. 이 발견으로 요하네스 게오르크 베드노르츠와 카를 알렉산더 뮐러는 1987년 노벨 물리학상을 수상했다. 초전도체를 만드는 온도가 높아질수록 경제적인 효과는 높아진다.
5. 1. 전도성 플라스틱
과거에는 자유 전자가 존재하는 금속과 이온들이 자유롭게 이동할 수 있는 전해질 용액만이 전기를 통하게 한다고 여겼다. 전류란 전하를 띤 입자의 이동이라고 생각했기 때문이다. 그러나 오늘날 전기가 통하는 플라스틱이 발견되었다.미국의 앨런 제이 히거(Alan Jay Heeger)와 앨런 맥더미드, 일본의 시라카와 히데키는 전도성 플라스틱의 개발로 2000년에 노벨 화학상을 수상하였다. 보통의 플라스틱의 고분자들은 공유 결합을 하고 있으며 전하를 띤 입자로 구성되어 있지 않다. 그런데 전도성 플라스틱은 각 원자의 전자가 중첩되게 조성되어 있다. 이렇게 전자가 중첩되면, 전자의 위치 에너지가 중첩되어 여러 에너지 준위들이 겹쳐지게 된다. 매우 많은 원자들이 모이면, 전자의 띠가 구성되고, 이에 따라 전자가 쉽게 한 에너지 준위에서 다른 에너지 준위로 이동할 수 있게 된다. 이 때문에 에너지 준위 사이를 자유롭게 이동하는 자유 전자가 발생한다.
5. 2. 풀러렌
탄소 60개나 70개가 모여 분자를 이룰 수 있을까? 질량 스펙트럼 분석을 통해 이러한 물질의 존재가 알려졌을 때 화학자들은 그 구조가 어떠할지 고민하였다. 영국의 서섹스대학교 크로토(Kroto Herald) 교수는 1967년 몬트리올 엑스포에서 미국의 건축가 버크민스터 풀러가 설계한 미국관의 모습을 보고 분자 구조를 구상하였다.
크로토는 이 신소재 물질이 오각형과 육각형을 연결한 축구공 모양이라는 것을 알아냈다. 이 물질은 버크민스터 풀러렌이라고 하며, 그 모양 때문에 벅키볼이라고도 불린다. 이 물질은 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘과 같은 알칼리 금속과 반응하여 금속을 공 안에 가둠으로써 여러 가지 새로운 성질을 띠기 때문에 현대 화학의 중요한 연구 주제 중 하나이다.
5. 3. 초전도체
금속의 저항은 0K에 가까워질수록 작아진다. 0K에서 원자들은 꼼짝도 할 수 없으므로 전자는 아무런 방해를 받지 않고 움직일 수 있다. 그런데 덴마크 물리학자인 헤이커 카메를링 오너스는 수은이 0K에 이르기 전인 4.2K 부근에서 전기 저항이 사라진다는 사실을 발견하였다. 주석은 3.7K에서, 납은 7.2K에서 초전도체가 되었다. 둘 이상의 원소가 섞인 합금은 더 높은 온도에서 초전도체가 되었다. 바나듐규소 합금은 18K에서, 나이오븀게르마늄 합금은 23.2K에서 초전도체가 된다.오랫동안 높은 온도에서 초전도체가 되는 물질이 발견되지 못하다가 1986년 스위스 IBM 연구소에서 일하던 요하네스 게오르크 베드노르츠(Johannes Georg Bednorz)와 카를 알렉산더 뮐러가 35K에서 초전도체가 되는 물질을 발견하였다. 이 물질은 금속 합금이 아니고 란탄, 바륨, 구리 금속의 산화물이었다. 이런 물질을 보통 세라믹이라고 한다. 그들은 이 발견으로 1987년 노벨 물리학상을 수상했다. 그들이 노벨상을 받기 직전인 1987년 텍사스 휴스턴대학교의 우(M. K. Wu)와 그의 조교가 이트륨, 바륨, 구리 산화물이 93K에서 초전도체가 된다는 사실을 발표하였다.
초전도체를 만드는 온도가 높아질수록 경제적인 효과는 높아진다. 예를 들어, 액체 헬륨(끓는 점이 4.2K)으로 냉각해야 초전도체가 되는 물질보다는 훨씬 가격이 싼 액체 질소(끓는 점이 77K)로 냉각해도 초전도체를 만들 수 있다면 엄청난 이득이 생길 수 있기 때문이다.
참조
[1]
서적
화학과 현대생활
대광서림
1992
[2]
문서
[3]
서적
양자화학
자유아카데미
2007
[4]
서적
양자화학
자유아카데미
2007
[5]
서적
초등임용시험 2차 대비특강
공주합동인쇄사
2004
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