화학사
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1. 개요
화학은 물질의 성질, 조성, 구조, 변화를 연구하는 학문으로, 고대부터 인류의 삶에 깊이 관여해 왔다. 고대에는 불의 발견과 야금술의 발달을 통해 시작되었으며, 고대 그리스의 원자론과 연금술을 거쳐 이슬람 연금술, 유럽 연금술로 이어졌다. 17세기에는 로버트 보일, 18세기에는 앙투안 라부아지에와 같은 과학자들의 노력으로 근대 화학이 성립되었다. 19세기에는 존 돌턴의 원자론, 멘델레예프의 주기율표가 등장했으며, 20세기에는 원자 구조, 양자 화학, 분자 생물학, 생화학 등의 발전과 함께 화학 산업이 급성장했다. 화학은 사회에 큰 영향을 미치며, 다양한 학문 분야와 연관되어 발전해왔다.
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| 화학사 | |
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| 화학사 | |
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| 연금술 | 연금술 |
| 고대 그리스 | 고대 그리스 |
| 4원소설 | 4원소설 |
| 중세 | |
| 이슬람 연금술 | 이슬람 연금술 |
| 자비르 이븐 하이얀 | 자비르 이븐 하이얀 |
| 알 라지 | 알 라지 |
| 아비센나 | 아비센나 |
| 중세 유럽의 연금술 | 중세 유럽의 연금술 |
| 로저 베이컨 | 로저 베이컨 |
| 가짜 겴베르 | 가짜 겴베르 |
| 알베르투스 마그누스 | 알베르투스 마그누스 |
| 토마스 아퀴나스 | 토마스 아퀴나스 |
| 라몬 륄 | 라몬 륄 |
| 니콜라스 플라멜 | 니콜라스 플라멜 |
| 바실리 발렌틴 | 바실리 발렌틴 |
| 16세기 | |
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| 17세기 | |
| 얀 밥티스타 반 헬몬트 | 얀 밥티스타 반 헬몬트 |
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| 에른스트 스탈 | 에른스트 스탈 |
| 게오르크 에른스트 슈탈 | 게오르크 에른스트 슈탈 |
| 연소 이론 | 플로지스톤설 |
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| 같이 보기 | |
| 연대순 | 화학 연표 |
| 역사 속 화학 원소 발견 | 역사 속 화학 원소 발견 |
2. 고대 화학
불은 통제된 방식으로 사용된 최초의 화학 반응으로 추정된다. 수천 년 동안 불은 단순히 한 물질을 다른 물질로 변환시키는 신비로운 힘으로 여겨졌으며, 열과 빛을 발생시켰다. 불은 요리, 난방, 조명 등 일상생활뿐만 아니라 도자기, 벽돌, 금속 도구 제작 등 초기 사회의 여러 측면에 영향을 미쳤다. 불은 유리의 발견과 금속 정제를 이끌었고, 이는 야금술 발전으로 이어졌다.[2]
인류가 최초로 사용한 금속은 자연 상태의 금으로 보인다. 기원전 4만 년경 후기 구석기 시대 스페인 동굴에서 소량의 자연 금이 발견되었다.[5] 초기 금속 제련술은 기원전 4600년경 불가리아 바르나 문화에서 알려졌다.[6] 은, 구리, 주석, 운철도 자연 상태로 발견되어 고대 문화에서 제한적인 금속 가공이 가능했다.[7] 기원전 3000년경 운철로 만든 이집트 무기는 "하늘에서 온 단검"으로 귀하게 여겨졌다.[8] 고대 이집트에서는 기원전 2900년경부터 금 정제 방법이 알려져 금은 귀금속이 되었다.
주석, 납, 구리와 같은 특정 금속은 암석을 불에 가열하여 광석에서 회수할 수 있는데, 이 과정을 제련이라고 한다. 이러한 추출 야금의 첫 증거는 기원전 6천 년과 5천 년으로 거슬러 올라가며, 세르비아의 빈차 문화, 마이단페크, 야르모바크, 플로치니크 유적에서 발견되었다.[9] 초기 구리 제련은 벨로보데 유적에서 발견되었으며,[10] 여기에는 기원전 5500년의 구리 도끼가 포함된다.[11] 초기 금속의 다른 흔적은 기원전 3천 년경 파르멜라 (포르투갈), 로스 밀라레스 (스페인), 스톤헨지 (영국) 등에서 발견된다.
최초의 금속은 단일 원소이거나 자연적으로 발생하는 조합이었다. 구리와 주석을 결합하여 더 우수한 합금인 청동을 만들 수 있었다. 이는 기원전 3500년경 청동기 시대를 시작한 주요한 기술적 변화였다. 청동기 시대는 자연 발생 구리 광석에서 구리와 주석을 제련하고, 이를 이용해 청동을 주조하는 기술을 포함한 금속 가공 기술이 체계적이고 광범위하게 사용된 시기이다. 이러한 자연 발생 광석에는 일반적으로 비소가 흔한 불순물로 포함되어 있었다. 구리/주석 광석은 희귀하여 기원전 3000년 이전 서아시아에서는 주석 청동이 없었다.
청동기 시대 이후 야금술의 역사는 더 나은 무기를 찾던 군대에 의해 특징지어졌다. 유라시아 국가들은 더 우수한 합금을 만들어 더 나은 갑옷과 무기를 제작했을 때 번영했다.
물질이 서로 다른 특성(색상, 밀도, 냄새)을 가지고, 서로 다른 상태(기체, 액체, 고체)로 존재하며, 환경에 따라 다르게 반응하는 이유를 설명하려는 철학적 시도는 고대 철학자들이 자연과 화학에 대한 최초의 이론을 제시하도록 이끌었다. 이러한 철학적 이론의 역사는 모든 고대 문명으로 거슬러 올라갈 수 있다. 이론들의 공통적인 측면은 자연의 모든 물질을 구성하는 소수의 주요 고전 원소를 식별하려는 시도였다. 공기, 물, 흙, 불과 같은 물질, 불과 빛과 같은 에너지 형태, 생각, 에테르, 천국과 같은 추상적인 개념은 고대 문명에서 흔하게 나타났다. 고대 그리스, 인도, 마야, 중국 철학은 모두 공기, 물, 흙, 불을 주요 원소로 간주했다.
기원전 420년경, 엠페도클레스는 모든 물질이 고대 원소인 흙, 불, 공기, 물의 네 가지 원소로 이루어져 있다고 주장했다. 원자론의 초기 이론은 고대 그리스와 고대 인도까지 거슬러 올라간다. 그리스 원자론은 기원전 380년경 그리스 철학자 데모크리토스가 물질이 "아토모스"라고 불리는 분할 불가능하고 파괴 불가능한 입자로 구성되어 있다고 선언하면서 널리 알려졌다. 레우키포스 또한 원자가 물질의 가장 분할 불가능한 부분이라고 선언했다. 이는 인도 철학자 카나다 (철학자)가 같은 시대에 그의 바이셰시카 수트라에서 한 선언과 일치한다.[20] 아리스토텔레스는 기원전 330년에 원자의 존재를 반대했다.
에피쿠로스 철학을 로마 청중에게 설명하기 위해, 로마 공화국 시인이자 철학자 루크레티우스[21]는 기원전 1세기의 중반에 ''사물의 본성에 관하여''(De rerum natura)[22]를 저술했다. 이 작품에서 루크레티우스는 원자론의 원리, 마음과 영혼의 본질, 감각과 생각에 대한 설명, 세계와 현상의 발달, 다양한 천구 및 지구 현상을 설명한다.
유럽에서는 가톨릭 교회가 아리스토텔레스의 저작을 경전처럼 취급했고, 원자론 관련 내용은 이단시되었다. 아리스토텔레스의 저작은 아랍어로 번역되어 이슬람 세계에서 보존되었고, 13세기에 토마스 아퀴나스와 로저 베이컨이 이를 라틴어로 번역하여 다시 유럽에 소개했다.
2. 1. 불의 발견과 초기 활용
아마도 통제된 방식으로 사용된 최초의 화학 반응은 불이었을 것이다. 하지만 수천 년 동안 불은 단순히 한 물질을 다른 물질로 변환시키는 신비로운 힘(나무를 태우거나 물을 끓이는 것)으로 여겨졌고, 열과 빛을 발생시켰다. 불은 요리, 거주지 난방 및 조명과 같은 일상생활의 가장 단순한 측면에서부터 도자기와 벽돌을 만들고 금속을 녹여 도구를 만드는 것과 같은 더 발전된 용도에 이르기까지 초기 사회의 여러 측면에 영향을 미쳤다. 불은 유리의 발견과 금속의 정제로 이어졌고, 그 뒤를 이어 야금술이 발전했다.[2]2. 2. 초기 야금술
인류가 최초로 사용한 금속은 자연 상태에서 발견되는 금으로 보인다. 기원전 4만 년경 후기 구석기 시대에 사용된 스페인 동굴에서 소량의 자연 금이 발견되었다.[5] 가장 초기의 금속 제련술은 기원전 4600년경 불가리아의 바르나 문화에서 알려졌다.[6]은, 구리, 주석, 운철도 자연 상태에서 발견되어, 고대 문화에서 제한적인 금속 가공이 가능했다.[7] 기원전 3000년경 운철로 만든 이집트 무기는 "하늘에서 온 단검"으로 매우 귀하게 여겨졌다.[8] 야금의 초기 단계에서 금속 정제 방법이 모색되었고, 고대 이집트에서 기원전 2900년경부터 알려진 금은 귀금속이 되었다.
특정 금속은 암석을 불에 가열하여 광석에서 회수할 수 있는데, 특히 주석, 납, 구리가 그렇다. 이 과정을 제련이라고 한다. 이러한 추출 야금의 첫 번째 증거는 기원전 6천 년과 5천 년으로 거슬러 올라가며, 세르비아의 빈차 문화, 마이단페크, 야르모바크, 플로치니크 유적에서 발견되었다.[9] 가장 초기의 구리 제련은 벨로보데 유적에서 발견되었으며,[10] 여기에는 기원전 5500년의 구리 도끼가 포함된다.[11] 초기 금속의 다른 징후는 기원전 3천 년경 파르멜라 (포르투갈), 로스 밀라레스 (스페인), 스톤헨지 (영국) 등지에서 발견된다.
최초의 금속은 단일 원소이거나 자연적으로 발생하는 조합이었다. 구리와 주석을 결합하여 더 우수한 금속을 만들 수 있었는데, 이를 합금인 청동이라고 한다. 이는 기원전 3500년경 청동기 시대를 시작한 주요한 기술적 변화였다. 청동기 시대는 인류 문화 발전의 한 시기로, 최소한 체계적이고 광범위하게 사용된 금속 가공 기술은 자연적으로 발생하는 구리 광석에서 구리와 주석을 제련하는 기술과, 그런 다음 그 광석을 제련하여 청동을 주조하는 기술을 포함했다. 이러한 자연 발생 광석은 일반적으로 비소를 흔한 불순물로 포함했다. 구리/주석 광석은 희귀하며, 이는 기원전 3000년 이전 서아시아에서 주석 청동이 없었던 것으로 나타난다.
청동기 시대 이후, 야금술의 역사는 더 나은 무기를 찾던 군대에 의해 특징지어졌다. 유라시아의 국가들은 더 우수한 합금을 만들었을 때 번영했으며, 이는 더 나은 갑옷과 더 나은 무기를 만들었다.
중국은 녹 방지를 위해 최초로 크롬을 사용한 것으로 알려져 있다. 현대 고고학자들은 진시황릉에서 발견된 청동촉 쇠뇌 볼트가 2,000년이 넘도록 부식의 흔적을 보이지 않았는데, 이는 크롬으로 코팅되었기 때문이다.[12][13] 크롬은 1790년대 후반 프랑스 약사이자 화학자인 루이 니콜라 바클랭(1763–1829)의 실험 전까지 다른 곳에서는 사용되지 않았다.[14] 여러 전국 시대 무덤에서 날카로운 칼과 기타 무기 역시 10~15 마이크로미터의 크롬 산화물로 코팅되어 오늘날까지 완벽한 상태로 보존되어 있는 것이 발견되었다.[15]
인도사에서도 야금술과 연금술에서 상당한 진전이 있었다.[16]
2. 3. 고대 그리스와 인도의 원자론
다양한 물질이 서로 다른 특성(색상, 밀도, 냄새)을 가지고, 서로 다른 상태(기체, 액체, 고체)로 존재하며, 물, 불 또는 온도 변화와 같은 환경에 노출되었을 때 다르게 반응하는 이유를 설명하려는 철학적 시도는 고대 철학자들이 자연과 화학에 대한 최초의 이론을 제시하도록 이끌었다. 화학과 관련된 이러한 철학적 이론의 역사는 아마도 모든 고대 문명으로 거슬러 올라갈 수 있을 것이다. 이러한 이론들의 공통적인 측면은 자연의 모든 다양한 물질을 구성하는 소수의 주요 고전 원소를 식별하려는 시도였다. 공기, 물, 흙, 불과 같은 물질, 불과 빛과 같은 에너지 형태, 생각, 에테르, 천국과 같은 더 추상적인 개념은 고대 문명에서 흔하게 나타났다. 예를 들어 고대 그리스, 인도, 마야, 중국 철학은 모두 공기, 물, 흙, 불을 주요 원소로 간주했다.
기원전 420년경, 엠페도클레스는 모든 물질이 고대 원소인 흙, 불, 공기, 물의 네 가지 원소로 이루어져 있다고 주장했다. 원자론에 대한 초기 이론은 고대 그리스와 고대 인도까지 거슬러 올라간다. 그리스 원자론은 기원전 380년경, 물질이 "아토모스"라고 불리는 분할 불가능하고 파괴 불가능한 입자로 구성되어 있다고 선언한 그리스 철학자 데모크리토스에 의해 널리 알려졌다. 이보다 앞서 레우키포스 또한 원자가 물질의 가장 분할 불가능한 부분이라고 선언했다. 이는 인도 철학자 카나다 (철학자)가 같은 시대에 그의 바이셰시카 수트라에서 한 비슷한 선언과 일치한다.[20] 아리스토텔레스는 기원전 330년에 원자의 존재를 반대했다.
에피쿠로스 철학을 로마 청중에게 설명하기 위해, 로마 공화국 시인이자 철학자 루크레티우스[21]는 기원전 1세기의 중반에 ''사물의 본성에 관하여''(De rerum natura)[22]를 저술했다. 이 작품에서 루크레티우스는 원자론의 원리, 마음과 영혼의 본질, 감각과 생각에 대한 설명, 세계와 현상의 발달, 다양한 천구 및 지구 현상을 설명한다.
유럽에서는 가톨릭 교회가 아리스토텔레스의 저작을 일종의 경전처럼 취급했고, 원자론 관련 내용은 이단시되었다. 아리스토텔레스의 저작은 아랍어로 번역되어 이슬람 세계에서 보존되었고, 13세기가 되자 토마스 아퀴나스와 로저 베이컨이 이를 라틴어로 번역하여 다시 유럽에 소개했다.
3. 중세 연금술
중세 연금술에서 사용된 원소 체계는 주로 페르시아 또는 아랍 연금술사인 자비르 이븐 하이얀에 의해 개발되었으며, 그리스 전통의 고전 원소에 뿌리를 두고 있었다.[25] 그의 체계는 공기, 흙, 불, 물의 4가지 아리스토텔레스 원소 외에 두 가지 철학적 원소, 즉 가연성의 원리를 특징짓는 황(불타는 돌)과 금속적 특성의 원리를 특징짓는 수은 (원소)으로 구성되었다.
스위스 연금술사 파라켈수스는 세 가지 금속 원리(가연성 또는 연소에 대한 황, 휘발성 및 안정성에 대한 수은, 고체에 대한 염(화학))를 ''삼원소''로 정의했다. 그는 아리스토텔레스의 4원소 이론이 신체에서 세 가지 원리로 나타난다고 추론하며, 나무가 불에 타는 방식에 대한 묘사를 통해 이를 정당화했다.
연금술은 헤르메스적 탐구인 현자의 돌에 대한 탐구로 정의되며, 상징적 신비주의에 깊이 뿌리박고 있어 현대 과학과는 크게 다르다. 연금술사들은 비밀 (영적) 및/또는 대중적 (실용적) 수준에서 변환을 만들기 위해 노력했다.[28] 연금술의 원시 과학적, 대중적 측면은 그리스-로마 이집트, 이슬람 황금 시대, 그리고 유럽에서 화학의 발전에 크게 기여했다. 연금술과 화학은 물질의 조성과 성질에 대한 관심을 공유하며, 18세기까지 분리된 학문이 아니었다.[29]
14세기 초, 사람들의 회의적인 시각으로 인해 연금술은 위기를 맞았다. 실험을 다른 사람이 재현할 수 있어야 하고, 결과에 대해 명확한 언어로 보고해야 한다는 과학적 방법의 필요성이 대두되었다.
3. 1. 이슬람 연금술
이슬람 세계에서 무슬림들은 고대 고대 그리스와 헬레니즘 철학자들의 저작들을 아랍어로 번역하고 과학적 아이디어를 실험했다.[30] 8세기 연금술사 자비르 이븐 하이얀에 관한 아랍어 저술은 화학 물질의 체계적인 분류를 도입했고, 화학적 수단을 통해 무기 화합물(염화 암모늄)을 유기 화합물(식물, 혈액, 머리카락 등)로부터 유도하는 지침을 제공했다.[31] 일부 아랍어 자비르 저작(예: "자비의 책" 및 "70인의 책")은 나중에 이름의 라틴화를 거쳐 "게베르"라는 이름으로 라틴어로 번역되었으며,[32] 13세기 유럽에서는 익명의 작가가 일반적으로 의사-게베르로 불리며 이 이름으로 연금술 및 야금술 저술을 시작했다.[33] 아부 알-라이한 알-비루니[34] 및 아비센나[35]와 같은 후기 영향력 있는 무슬림 철학자들은 연금술, 특히 현자의 돌의 금속 변환 이론에 대해 논쟁했다.
근대적인 과학적 방법의 발달은 더디게 진행되었지만, 화학에 관한 과학적 방법의 싹은 중세 이슬람 화학자들 사이에서 나타나기 시작했고, 이를 선도한 것이 "많은 이들이 화학의 아버지로 여기는" 9세기 화학자 자비르 이븐 하이얀(게베르)이었다.[134][135][136][137] 그는 알렘빅(증류기)을 발명하고 명명했으며, 수많은 화학 물질을 화학적으로 분석하고, 보석 세공인 (lapidary)을 모았으며, 알칼리와 산을 구별하고, 수많은 약을 제조했다.[138]
그 외 유력한 이슬람 화학자로는 아리스토텔레스의 사원소설을 비판한 자파르 알-사디크[139]와 라지(Muhammad ibn Zakarīya Rāzi)[140], 연금술의 실천과 금속 변성의 이론으로 명성을 얻은 킨디[141], 아부 라이한 알 비루니[142], 이븐 시나[143], 이븐 할둔, 그리고 물질 자체는 변화할 수 있지만 소멸될 수 없다고 하여 질량 보존의 원형을 기술한 나시르 알딘 알투시 등이 있다.[144]
3. 2. 유럽 연금술
페르시아 또는 아랍 연금술사인 자비르 이븐 하이얀은 중세 연금술에서 사용된 원소 체계를 개발했으며, 이는 그리스 전통의 고전 원소에 뿌리를 두고 있었다.[25] 그의 체계는 공기, 흙, 불, 물의 4가지 아리스토텔레스 원소 외에 두 가지 철학적 원소, 즉 가연성의 원리를 특징짓는 황(불타는 돌)과 금속적 특성의 원리를 특징짓는 수은 (원소)으로 구성되었다.스위스 연금술사 파라켈수스는 세 가지 금속 원리(가연성 또는 연소에 대한 황, 휘발성 및 안정성에 대한 수은, 고체에 대한 염(화학))를 ''삼원소''로 정의했다. 그는 아리스토텔레스의 4원소 이론이 신체에서 세 가지 원리로 나타난다고 추론하며, 나무가 불에 타는 방식에 대한 묘사를 통해 이를 정당화했다. 수은은 응집력의 원리를 포함하고 있어서 나무에서 빠져나갈 때(연기 속에서) 나무는 부서졌다. 연기는 휘발성(수은적 원리), 열을 내는 불꽃은 가연성(황), 남은 재는 고체(소금)를 나타냈다.[27]
이슬람 세계에서 무슬림들은 고대 고대 그리스와 헬레니즘 철학자들의 저작들을 아랍어로 번역하고 과학적 아이디어를 실험했다.[30] 8세기 연금술사 자비르 이븐 하이얀에게 귀속된 아랍어 저술은 화학 물질의 체계적인 분류를 도입했고, 화학적 수단을 통해 무기 화합물(염화 암모늄)을 유기 화합물(식물, 혈액, 머리카락 등)로부터 유도하는 지침을 제공했다.[31] 일부 아랍어 자비르 저작(예: "자비의 책", "70인의 책")은 나중에 이름의 라틴화를 거쳐 "게베르"라는 이름으로 라틴어로 번역되었으며,[32] 13세기 유럽에서는 의사-게베르로 불리는 익명의 작가가 이 이름으로 연금술 및 야금술 저술을 시작했다.[33] 아부 알-라이한 알-비루니[34] 및 아비센나[35]와 같은 후기 영향력 있는 무슬림 철학자들은 연금술, 특히 현자의 돌의 금속 변환 이론에 대해 논쟁했다.
14세기 초, 사람들의 회의적인 시각으로 인해 연금술은 위기를 맞았다. 실험을 다른 사람이 재현할 수 있어야 하고, 결과에 대해 명확한 언어로 보고해야 한다는 과학적 방법의 필요성이 대두되었다.
3. 3. 연금술의 문제점
오늘날의 관점에서 볼 때, 연금술에는 몇 가지 문제점이 있었다. 새로운 화합물에 대한 체계적인 명명법이 없었으며, 언어는 난해하고 모호하여 용어가 사람들마다 다른 의미를 지닐 정도였다. 실제로, ''폰타나 화학사''(Brock, 1992)에 따르면 다음과 같다.> 연금술의 언어는 충분한 경험 없이 얻은 정보를 은폐하기 위해 비의적인 성스러운 술어를 만들어냈다. 이 언어는 현대의 우리에게는 이해하기 어렵지만, 제프리 초서의 『연금술사의 제자 이야기』 (''The Canon's Yeoman's Prologue and Tale'') (『캔터베리 이야기』의 일부)나 벤 존슨의 『연금술사』 (''The Alchemist'')의 독자라면 웃어넘길 수 있는 수준이라고 해석할 수 있다.[132]
초서의 이야기는 값싼 물질로 가짜 금을 만드는 등 연금술의 사기적인 면을 폭로했다. 초서 직후, 단테 알리기에리도 이러한 사기성에 대한 인식을 보여주어 그의 저서 신곡에서 모든 연금술사를 지옥으로 보냈다. 그 직후인 1317년에는 아비뇽 유수의 교황 요한 22세는 위조 화폐를 제조한 혐의로 모든 연금술사에게 프랑스를 떠나라고 명령했다. 1403년에는 영국에서 "금속의 증식"을 사형으로 처벌하는 법이 통과되었다. 이러한 극단적인 조치에도 불구하고, 연금술은 사라지지 않았다. 왕족과 귀족, 특권 계급은 여전히 현자의 돌이나 불로불사의 영약을 자신들을 위해 찾고 있었다.[133]
또한, 실험을 재현하기 위한 합의된 과학적 방법도 없었다. 실제로, 많은 연금술사들은 조수의 시각이나 달의 위상과 같이 무관한 정보를 자신의 방법에 포함시켰다. 연금술의 난해한 본질과 코드화된 어휘는 그들이 거의 아무것도 확신할 수 없다는 사실을 숨기는 데 더 유용해 보였다. 14세기 초부터 연금술의 허상에 균열이 생기기 시작했고 사람들은 의심을 품게 되었다. 실험을 다른 사람들이 반복할 수 있고, 알려진 것과 알려지지 않은 것을 모두 명확한 언어로 보고하는 과학적 방법이 필요했다.
4. 근대 화학의 성립
16세기에는 광석 정제 및 금속 제련 기술이 발전하면서 게오르그 아그리콜라(1494–1555)와 같은 초기 화학자들에게 중요한 정보원이 되었다. 아그리콜라는 1556년에 저서 『De re metallica』를 출판하여 당시의 금속 광석 채광, 금속 추출 및 야금 과정을 상세히 설명했다. 그는 이 주제와 관련된 신비주의를 제거하고 실질적인 기반을 마련하여 "야금의 아버지"이자 지질학의 창시자로 불린다.[39][40][41]
1605년 프랜시스 베이컨 경은 과학적 방법의 기초를 닦은 『학문의 진보』를 출판했다. 같은 해 미하우 세드지보이는 공기 중에 "생명의 음식"(훗날 산소로 밝혀짐)이 존재한다고 주장한 연금술 논문 『연금술의 새로운 빛』을 출판했다. 1615년 장 베갱은 최초의 화학 반응식을 그린 초기 화학 교과서 『화학 입문서』를 출판했다.[43] 1637년 르네 데카르트는 과학적 방법의 개요를 제시한 방법 서설을 출판했다.
얀 밥티스타 판 헬몬트의 저서 『의학의 기원』(1648)은 연금술과 화학 사이의 과도기적 작품으로 로버트 보일에게 큰 영향을 주었다. 헬몬트는 질량 보존의 법칙의 초기 버전을 확립하고, "기체"라는 용어를 도입했으며, 자연 발생과 나무 실험으로도 유명하며, 기체 화학의 창시자로 여겨진다.
4. 1. 17세기와 18세기: 초기 화학
16세기에는 광석 정제 및 금속 제련 기술이 발전하면서 초기 화학자들에게 중요한 정보원이 되었다. 게오르그 아그리콜라(1494–1555)는 1556년에 『De re metallica』를 출판하여 당시의 금속 광석 채광, 금속 추출 및 야금 과정을 상세히 설명했다. 그는 이 주제와 관련된 신비주의를 제거하고 실질적인 기반을 마련하여, "야금의 아버지"이자 지질학의 창시자로 불린다.[39][40][41]
1605년 프랜시스 베이컨 경은 『학문의 진보』를 출판하여 과학적 방법의 기초를 닦았다. 같은 해 미하우 세드지보이는 연금술 논문 『연금술의 새로운 빛』을 통해 공기 중에 "생명의 음식"이 존재한다고 주장했는데, 이는 훗날 산소로 밝혀졌다. 1615년 장 베갱은 최초의 화학 교과서인 『화학 입문서』를 출판하고 최초의 화학 반응식을 그렸다.[43] 1637년 르네 데카르트는 방법 서설을 출판하여 과학적 방법의 개요를 제시했다.
얀 밥티스타 판 헬몬트의 저서 『의학의 기원』(1648)은 연금술과 화학 사이의 과도기적 작품으로 로버트 보일에게 큰 영향을 주었다. 헬몬트는 질량 보존의 법칙의 초기 버전을 확립하고, "기체"라는 용어를 도입했다. 그는 자연 발생과 나무 실험으로도 유명하며, 기체 화학의 창시자로 여겨진다.
로버트 보일(1627–1691)은 화학을 연금술로부터 분리하는 데 기여한 인물이다.[44] 그는 1662년에 보일의 법칙을 발표했는데, 이는 온도가 일정한 닫힌계에서 기체의 압력과 부피가 반비례한다는 법칙이다.[45][46][47] 보일은 『회의적 화학자(The Sceptical Chymist)』(1661)를 통해 엄격한 실험 방식을 옹호하고, 흙, 불, 공기, 물의 고전적인 4원소를 거부하며 원자와 화학 반응의 기계론적 대안을 제시했다. 그는 pH 지시약을 처음 사용했으며, 공기 펌프를 이용한 연구를 통해 화학 혁명의 기초를 다졌다.[49]
1702년 게오르크 슈탈은 연소 과정에서 방출되는 물질을 "플로지스톤"이라 명명했다. 1735년 게오르크 브란트는 구리 광석에서 새로운 원소 코발트를 발견했다. 1751년 악셀 프레드릭 크론스테트는 구리 광석에서 니켈을 발견하고 현대 광물학의 창시자 중 한 명이 되었다.[50] 1754년 조지프 블랙은 이산화 탄소를 분리하여 "고정 공기"라고 불렀다.[51] 1757년 루이 클로드 카데 드 가시쿠르는 최초의 합성 유기금속 화합물인 카코딜 산화물을 만들었다.[52] 1758년 조지프 블랙은 잠열 개념을 공식화하여 상 변화의 열화학을 설명했다.[53] 1766년 헨리 캐번디시는 수소를 분리하여 "가연성 공기"라고 불렀고, 수소가 연소하여 물을 생성한다는 것을 밝혔다.
1773년 칼 빌헬름 셸레는 산소를 발견하고 "불의 공기"라고 불렀으나 즉시 발표하지 않았다.[55] 1774년 조지프 프리스틀리는 산소를 독립적으로 분리하여 "플로지스톤 제거 공기"라고 부르고 먼저 발표했다.[56][57] 프리스틀리는 탄산수 발명 등으로 유명했지만, 플로지스톤 이론을 옹호하여 과학계에서 고립되었다. 1781년 칼 빌헬름 셸레는 텅스텐산을 발견했다. 1783년 호세와 파우스토 엘루야르 형제는 볼프라마이트에서 텅스텐산을 발견하고 숯으로 환원하여 텅스텐을 분리했다.[59][60]
thumb 근처에 있는 ''볼타 신전''에 전시된 볼타 전지]]
알레산드로 볼타는 전류가 서로 다른 금속의 접촉으로 생성된다는 것을 발견하고, 1794년에 금속과 소금물에 적신 천으로 전기를 생성하는 것을 증명했다. 1800년 볼타는 구리와 아연 원판을 전해질에 적신 천으로 분리하여 쌓은 볼타 전지를 만들어 최초의 전기 배터리를 제작했다. 볼타는 전기화학 분야의 창시자로 여겨진다.[62] 갈바니 전지는 산화 환원 반응으로 전기 에너지를 얻는 전기화학 전지이다.
4. 2. 화학 혁명
앙투안 라부아지에는 꼼꼼한 측정을 통해 물이 흙으로 변할 수 없다는 것을 증명했다. 그는 물을 끓일 때 생기는 침전물이 용기에서 나온다는 것을 알아냈다. 또한, 공기 중에서 인과 황을 태우는 실험을 통해 생성물의 무게가 원래 물질보다 더 무겁다는 것을 증명하고, 늘어난 무게가 공기에서 온 것임을 밝혔다. 이를 바탕으로 1789년 질량 보존의 법칙을 확립했는데, 이는 "라부아지에의 법칙"이라고도 불린다.[63]
라부아지에는 프리스틀리의 실험을 반복하여 공기가 두 부분으로 구성되어 있으며, 그 중 하나가 금속과 결합하여 산화물(calx)을 만든다는 것을 증명했다. Considérations Générales sur la Nature des Acides|아시드 성질에 대한 일반적인 고찰프랑스어(1778)에서 그는 연소를 일으키는 "공기"가 산성의 원인임을 밝혔다. 이듬해 그는 이 부분을 산소(그리스어로 산 생성자)라고 이름 붙였고, 다른 부분은 질소(그리스어로 생명이 없음)라고 이름 붙였다. 라부아지에는 산소를 더 자세히 연구했기 때문에, 프리스틀리, 셸레와 함께 산소 발견에 대한 공로를 인정받게 되었다. 그는 또한 캐번디시가 발견한 "가연성 공기"를 수소(그리스어로 물 생성자)라고 이름 붙였으며, 이것이 산소와 결합하여 이슬, 즉 물을 생성한다는 것을 발견했다. Reflexions sur le Phlogistique|플로지스톤에 대한 고찰프랑스어(1783)에서 라부아지에는 플로지스톤설이 연소 현상과 맞지 않다는 것을 보여주었다.
미하일 로모노소프는 18세기 러시아에서 독자적으로 화학을 연구했다. 그는 플로지스톤설을 반대하고 기체 분자 운동론을 예견했다. 로모노소프는 열을 운동의 한 형태로 보았고, 물질 보존 개념을 제시했다.
라부아지에는 클로드 루이 베르톨레 등과 함께 현대 화학 물질 명명 체계의 기초가 된 화학 명명법 체계를 만들었다. 그의 ''화학 명명법 방법''(1787)에서 라부아지에는 황산, 황산염, 아황산염 등 오늘날에도 널리 사용되는 이름들을 포함한 명명 및 분류 체계를 발명했다. 1785년, 베르톨레는 염소 기체를 이용한 상업용 표백제를 처음으로 도입했다. 같은 해에 그는 암모니아 기체의 원소 조성을 처음으로 알아냈다. 베르톨레는 1789년에 염소 기체를 탄산나트륨 용액에 통과시켜 현대적인 표백 액체를 처음으로 만들었는데, 그 결과 차아염소산나트륨의 약한 용액이 생성되었다. 그가 연구하고 최초로 생산한 또 다른 강력한 염소 산화제 및 표백제인 염소산칼륨(KClO3)은 베르톨레의 소금으로 알려져 있다. 베르톨레는 가역 반응의 원리를 통해 화학 평형 이론에도 기여했다.
라부아지에의 Traité Élémentaire de Chimie|화학 원론프랑스어(1789)는 최초의 현대 화학 교과서로, 새로운 화학 이론을 종합적으로 보여주고, 질량 보존의 법칙을 명확하게 설명했으며, 플로지스톤의 존재를 부정했다. 또한 산소, 질소, 수소, 인, 수은, 아연, 황 등 더 이상 분해할 수 없는 원소 또는 물질 목록을 제시했다. 그러나 그의 목록에는 빛과 칼로리도 포함되어 있었는데, 그는 이것들이 물질이라고 생각했다. 이 책에서 라부아지에는 자신의 화학이 관찰에 근거하고 있음을 강조하며 "나는 사실들을 연결하여 진실에 도달하려고 노력했다. 우리를 속이는 신뢰할 수 없는 도구인 추론의 사용을 가능한 한 억제하고, 관찰과 실험의 불빛을 가능한 한 따르기 위해 노력했다."라고 말했다. 그럼에도 불구하고 그는 원자의 존재가 철학적으로 불가능하다고 믿었다. 라부아지에는 유기체가 불타는 물체와 같은 방식으로 대기 중의 공기를 분해하고 재구성한다는 것을 증명했다.
피에르시몽 라플라스와 함께 라부아지에는 열량계를 사용하여 이산화탄소 1단위당 발생하는 열을 측정했다. 그들은 화염과 동물에서 동일한 비율을 발견했는데, 이는 동물이 일종의 연소를 통해 에너지를 생산한다는 것을 의미했다. 라부아지에는 라디칼 이론을 믿었는데, 이는 화학 반응에서 한 묶음으로 작용하는 라디칼이 산소와 결합한다는 이론이다. 그는 모든 산에 산소가 포함되어 있다고 믿었다. 그는 또한 다이아몬드가 탄소의 결정 형태라는 것을 발견했다.
라부아지에의 동료 중 많은 사람들이 화학의 발전에 영향을 미쳤지만, 그의 아내 마리 안 라부아지에가 가장 큰 영향을 미쳤을 것이다. 결혼 후, 라부아지에 부인은 남편의 연구를 돕기 위해 화학, 영어, 그림을 공부하기 시작했다.[64] 그녀는 남편을 위해 영어 논문을 읽고 번역하여 라부아지에가 자신의 실험실 밖에서 일어나는 많은 화학적 발전에 대한 지식을 얻을 수 있도록 도왔다. 또한, 라부아지에 부인은 남편의 연구 기록을 보관하고 그의 작품이 출판되도록 했다. 라부아지에의 실험실에서 화학자로서 마리 안의 진정한 능력을 보여주는 첫 번째 징후는 그녀가 과학자 리처드 키르완의 책을 번역했을 때였다. 번역하는 동안 그녀는 여러 오류를 발견하고 수정했다. 그녀가 자신의 번역본을 메모와 함께 라부아지에에게 제시했을 때, 그녀의 기여는 라부아지에가 플로지스톤설을 반박하는 데 큰 도움이 되었다.
라부아지에는 화학에 많은 중요한 기여를 했다. 그의 연구 이후, 화학은 엄격하고 정량적인 특성을 갖게 되어, 신뢰할 수 있는 예측을 할 수 있게 되었다. 그가 이끈 화학 혁명은 모든 실험을 하나의 이론 체계 안에 넣으려는 노력의 결과였다. 그는 화학 저울을 꾸준히 사용하고, 산소를 이용하여 플로지스톤설을 뒤엎었으며, 새로운 화학 명명법 체계를 개발했다. 라부아지에가 프랑스 혁명 중에 처형되면서 더 많은 기여를 할 기회를 잃게 되었다.
근대 화학은 질량 보존 법칙의 발견과 연소에 대한 플로지스톤설(1783년)을 반박한 '근대 화학의 아버지' 앙투안 라부아지에 이후에 발전했다.
4. 3. 19세기: 원자론과 주기율표
존 돌턴의 원자론을 따르는 사람들과 빌헬름 오스트발트와 에른스트 마흐와 같은 에너지론자들 사이에서 19세기 동안 화학은 나뉘었다.[65] 아메데오 아보가드로와 루트비히 볼츠만과 같은 원자론 지지자들이 기체의 행동을 설명하는 데 큰 진전을 이루었지만, 이 논쟁은 20세기 초 장 페랭이 알베르트 아인슈타인의 브라운 운동에 대한 원자론적 설명을 실험적으로 연구한 후에야 비로소 해결되었다.[65]논쟁이 해결되기 훨씬 전부터 많은 사람들이 이미 원자론의 개념을 화학에 적용했다. 주요 예시는 스반테 아레니우스의 이온 이론으로, 이는 20세기에 이르러서야 완전히 발전된 원자 구조에 대한 아이디어를 예상했다. 마이클 패러데이는 또 다른 초기 연구자였으며, 그의 주요 화학 기여는 전기화학으로, 전기 분해 또는 전기 증착 동안 특정 양의 전기가 특정 양의 화학 원소와 관련이 있고, 따라서 특정 비율로 원소의 고정된 양이 서로 관련이 있다는 것을 보여주었다. 이러한 발견은 돌턴의 결합 비율과 마찬가지로 물질의 원자적 특성에 대한 초기 단서였다.
1803년, 영국의 기상학자이자 화학자인 존 돌턴은 돌턴의 법칙(Dalton's law)을 제안했는데, 이 법칙은 기체 혼합물의 성분과 각 성분이 전체 혼합물에 기여하는 상대 압력 사이의 관계를 설명한다.[66] 1801년에 발견된 이 개념은 돌턴의 부분 압력 법칙으로도 알려져 있다.
돌턴은 또한 1803년에 현대적인 원자론(atomic theory)을 제안했는데, 이 이론은 모든 물질이 원자라고 불리는 작고 분할 불가능한 입자로 구성되어 있으며, 주어진 원소의 원자는 고유한 특성과 무게를 가지며, 단순(원소), 복합(단순 분자), 복잡(복잡 분자)의 세 가지 유형의 원자가 존재한다고 주장했다. 1808년, 돌턴은 처음으로 "화학철학의 새로운 체계"(''New System of Chemical Philosophy'', 1808–1827)를 출판했는데, 여기에는 원자론에 대한 최초의 현대적인 과학적 설명이 담겨 있었다. 이 연구는 화학 원소를 특정 유형의 원자로 규정하여 아이작 뉴턴의 화학적 친화력 이론을 거부했다.
대신 돌턴은 반응물의 무게 비율을 취하고 수소의 원자량을 1로 설정하여 화합물 내 원소의 비율을 추론했다. 예레미아스 벤자민 리히터 (''화학 양론''이라는 용어를 도입한 것으로 알려짐)를 따라, 그는 화학 원소가 정수비로 결합한다고 제안했다. 이것은 배수 비례의 법칙(law of multiple proportions) 또는 돌턴의 법칙으로 알려져 있으며, 돌턴은 "화학철학의 새로운 체계"에 이 법칙에 대한 명확한 설명을 포함시켰다. 배수 비례의 법칙은 원자론을 확립하는 데 사용되는 화학 양론의 기본 법칙 중 하나이다.
프랑스 화학자 조제프 프루스트는 1797년에서 1804년 사이에 수행된 여러 실험을 바탕으로 원소는 화합물을 형성하기 위해 항상 작고 정수비로 결합한다는 정비례의 법칙(law of definite proportions)을 제안했다.[67] 배수 비례의 법칙과 함께 정비례의 법칙은 화학 양론의 기초를 형성한다. 정비례의 법칙과 일정 성분비는 원자의 존재를 증명하지는 않지만, 화학 화합물이 원자가 일정한 비율로 결합할 때 형성된다는 가정이 없이는 설명하기 어렵다.
스웨덴 화학자이자 돌턴의 제자인 Jöns 야콥 베르셀리우스는 정확하고 정밀한 정량적 측정을 수행하고 화학 물질의 순도를 보장하기 위한 체계적인 프로그램을 시작했다. 라부아지에, 보일, 돌턴과 함께 베르셀리우스는 현대 화학의 아버지로 알려져 있다. 1828년 그는 산소를 기준으로 하여 산소의 무게를 100으로 설정하고 당시 알려진 모든 원소를 포함하는 상대 원자량 표를 작성했다. 이 연구는 무기 화합물이 정수량으로 결합된 원자로 구성된다는 돌턴의 원자론을 지지하는 증거를 제공했다. 그는 다수의 화합물의 정확한 원소 구성을 결정했으며, 그 결과는 프루스트의 일정 성분비의 법칙을 강력하게 뒷받침했다. 또한, 원자량이 수소의 무게의 정수배가 아니라는 것을 발견하면서 베르셀리우스는 모든 원소가 수소 원자로 구성된다는 프라우트의 가설을 반증했다.
광범위한 원자량 측정에 대한 동기 부여와 실험을 돕기 위한 욕구로 그는 1808년 출판된 저서 ''Lärbok i Kemien''에서 화학 기호와 표기법의 고전적인 시스템을 도입했는데, 여기에서 원소는 라틴어 이름에서 유래한 구별되는 기호로 한두 글자로 줄여서 표기했다. 원소에 산소는 O, 철은 Fe와 같이 간단한 문자 표기를 하고, 숫자로 비율을 나타내는 이 화학 표기법 시스템은 오늘날 사용되는 기본적인 시스템과 동일하다. 유일한 차이점은 오늘날 사용되는 아래 첨자 숫자(예: H2O) 대신 베르셀리우스는 위 첨자(H2O)를 사용했다는 것이다. 베르셀리우스는 화학 원소 규소, 셀레늄, 토륨, 세륨을 발견한 것으로 알려져 있다. 베르셀리우스의 실험실에서 연구하던 학생들은 또한 리튬과 바나듐을 발견했다.
베르셀리우스는 라디칼 이론을 개발했는데, 이 이론은 반응이 라디칼이라고 불리는 원자의 안정적인 그룹이 분자 사이에서 교환되면서 일어난다고 주장한다. 그는 염이 산과 염기로 형성된 화합물이라고 믿었으며, 산의 음이온은 양극( 양극 )에 끌리고 염기의 양이온은 음극( 음극 )에 끌린다는 것을 발견했다. 베르셀리우스는 생명력 이론을 믿지 않고, 대신 유기체에서 조직의 구성을 생성하는 조절력을 믿었다. 베르셀리우스는 또한 화학 용어 "촉매", "고분자", "이성질체", "동소체"를 처음 사용한 것으로 알려져 있지만, 그의 원래 정의는 현대적 사용법과 매우 다르다. 예를 들어, 그는 1833년에 동일한 실험식을 공유하지만 전체 분자량이 다른 유기 화합물을 설명하기 위해 "고분자"라는 용어를 만들었으며, 가장 큰 화합물을 가장 작은 화합물의 "고분자"로 설명했다. 이러한 오래된, 구조 이전의 정의에 따르면 포도당(C6H12O6)은 포름알데히드(CH2O)의 고분자로 간주되었다.
영국의 화학자 험프리 데이비는 전기 분해 분야의 선구자였으며, 알레산드로 볼타의 볼타 전지를 사용하여 일반적인 화합물을 분해하고 일련의 새로운 원소를 분리했다. 그는 용융 염을 전기 분해하여 특히 나트륨과 칼륨과 같은 새로운 금속을 발견했는데, 이들은 알칼리 금속으로 알려진 반응성이 높은 원소이다. 전기 분해로 분리된 최초의 금속인 칼륨은 1807년 데이비에 의해 발견되었으며, 그는 가성 가리 (KOH)에서 이를 추출했다. 19세기 이전에는 칼륨과 나트륨을 구분하지 않았다. 나트륨은 같은 해 데이비에 의해 용융된 수산화 나트륨 (NaOH)에 전류를 통과시켜 처음으로 분리되었다. 데이비는 베르셀리우스와 폰틴이 수은에서 석회를 전기 분해하여 칼슘 아말감을 준비했다는 소식을 듣고 직접 시도했다. 데이비는 성공했고, 1808년 석회와 산화 수은의 혼합물을 전기 분해하여 칼슘을 발견했다.[68][69] 그는 평생 동안 전기 분해를 연구했으며, 1808년에는 마그네슘, 스트론튬[70] 및 바륨을 분리했다.[71]
데이비는 또한 기체를 흡입하는 방식으로 실험했다. 이 실험 절차는 여러 차례 치명적인 결과를 초래할 뻔했지만, 아산화 질소의 특이한 효과를 발견하는 데 기여했으며, 이는 웃음 가스로 알려지게 되었다. 염소는 1774년 스웨덴의 화학자 칼 빌헬름 셸레에 의해 발견되었으며, 그는 이를 ''"비플로지스톤화된 해산"'' (플로지스톤설 참조)이라고 불렀고, 산소를 포함하고 있다고 잘못 생각했다. 셸레는 염소 기체의 여러 특성, 즉 리트머스에 미치는 표백 효과, 곤충에 미치는 치명적인 효과, 황록색, 그리고 냄새가 왕수의 냄새와 유사하다는 것을 관찰했다. 그러나 셸레는 당시 자신의 연구 결과를 발표할 수 없었다. 1810년, 염소는 험프리 데이비에 의해 현재의 이름을 얻게 되었으며 (그리스어 단어에서 유래됨), 그는 염소가 실제로 화학 원소라고 주장했다.[72] 그는 또한 산소가 염산 (HCl 용액)으로 알려진 물질에서 얻어질 수 없다는 것을 보여주었다. 이 발견은 앙투안 라부아지에의 산에 대한 정의, 즉 산소를 포함하는 화합물이라는 정의를 뒤집었습니다. 데이비는 인기 있는 강사이자 뛰어난 실험가였다.
- -|]]|thumb|left|200px|조제프 루이 게이뤼삭, 반응 기체의 부피와 생성물의 부피의 비율이 간단한 정수로 표현될 수 있다고 진술했다.]]
프랑스 화학자 조제프 루이 게이뤼삭은 라부아지에 등과 함께 기체의 성질에 대한 정량적 연구에 관심을 가졌다. 1801–1802년의 첫 번째 주요 연구 프로그램에서 그는 모든 기체의 동일한 부피는 동일한 온도 증가에 따라 동일하게 팽창한다는 결론을 내렸습니다. 이 결론은 일반적으로 "샤를의 법칙"이라고 불리며, 게이뤼삭은 1780년대에 거의 동일한 결론에 도달했지만 발표하지 않았던 자크 샤를에게 공을 돌렸다.[73] 이 법칙은 1801년경 영국의 자연 철학자 존 돌턴에 의해 독립적으로 발견되었지만, 돌턴의 설명은 게이뤼삭의 설명보다 덜 상세했다.[74][75] 1804년 게이뤼삭은 수소 풍선을 타고 해수면 7,000미터 이상으로 여러 차례 위험한 상승을 했다. 이는 50년 동안 달성되지 않은 업적으로, 그가 기체의 다른 측면을 조사할 수 있게 했다. 그는 다양한 고도에서 자기 측정값을 수집했을 뿐만 아니라 압력, 온도, 습도 측정값과 공기 샘플을 채취하여 나중에 화학적으로 분석했다.
1808년 게이뤼삭은 아마도 그의 가장 위대한 업적일 단일 업적을 발표했다. 그는 자신의 실험과 다른 사람들의 실험을 통해, 일정 온도와 압력에서 기체는 부피에 따라 간단한 수치적 비율로 결합하며, 생성물(기체일 경우)도 반응물의 부피에 대해 간단한 부피 비율을 갖는다는 것을 추론했다. 즉, 동일한 온도와 압력 조건에서 기체는 작은 정수의 부피 비율로 서로 반응합니다. 이 결론은 이후 "게이뤼삭의 법칙" 또는 "부피 결합의 법칙"으로 알려지게 되었다. 에콜 폴리테크니크의 동료 교수인 루이 자크 테나르와 함께 게이뤼삭은 초기 전기 화학 연구에도 참여하여, 그 수단을 통해 발견된 원소를 조사했습니다. 다른 업적 중에는 융해된 칼륨을 사용하여 붕산을 분해하여 원소 붕소를 발견했습니다. 두 사람은 또한 라부아지에의 산 정의를 수정하고 유기 화합물의 산소 및 수소 함량을 분석하는 그의 프로그램을 발전시킨 당시 논쟁에 참여했다.
원소 아이오딘은 1811년 프랑스 화학자 베르나르 쿠르투아에 의해 발견되었다.[76][77] 쿠르투아는 연구를 계속하기 위해 그의 친구인 샤를 베르나르 데소르메스와 니콜라 클레망에게 샘플을 제공했다. 그는 또한 물질의 일부를 게이뤼삭과 물리학자 앙드레-마리 앙페르에게 제공했다. 1813년 12월 6일, 게이뤼삭은 새로운 물질이 원소이거나 산소 화합물이라고 발표했다.[78][79][80] 아이오딘이라는 이름은 게이뤼삭이 제안한 것으로, 그리스어 단어 ιώδες (iodes)에서 유래되었으며, 이는 보라색을 의미한다 (아이오딘 증기의 색깔 때문에).[76][78] 앙페르는 그의 샘플 중 일부를 험프리 데이비에게 주었습니다. 데이비는 그 물질에 대한 몇 가지 실험을 수행하고 염소와의 유사성을 언급했다.[81] 데이비는 12월 10일자 서한을 왕립 학회에 보내 새로운 원소를 확인했다고 밝혔습니다.[82] 아이오딘을 누가 먼저 확인했는지에 대해 데이비와 게이뤼삭 사이에 논쟁이 벌어졌지만, 두 과학자 모두 쿠르투아가 이 원소를 최초로 분리한 사람임을 인정했다.
1815년, 험프리 데이비는 데이비 램프를 발명하여 탄광 내 광부들이 가연성 가스가 있는 환경에서 안전하게 작업할 수 있도록 했다. 당시 광부들이 사용하던 램프의 화염에 의해 종종 점화되는 메탄 또는 발화 가스로 인해 많은 광산 폭발이 발생했다. 데이비는 램프의 화염을 둘러싸는 철망을 사용하여 램프 내부에서 연소하는 메탄이 일반 대기로 빠져나가지 못하도록 하는 방식을 고안했다. 안전 램프의 아이디어는 이미 윌리엄 리드 클래니와 당시 무명(나중에 매우 유명해진) 엔지니어 조지 스티븐슨에 의해 시연되었지만, 데이비가 화염의 확산을 막기 위해 철망을 사용한 방식은 이후 다른 많은 발명가들이 디자인에 사용했다. 데이비가 스미스슨 테넌트의 연구 도움 없이 자신의 램프 뒤에 있는 원리를 발견했는지에 대한 논의가 있었지만, 두 사람의 연구가 독립적이었다는 데 일반적으로 동의했다. 데이비는 램프의 특허를 거부했으며, 그의 발명으로 인해 1816년 럼포드 메달을 수상했다.[83]
- -|]]|thumb|200px|아메데오 아보가드로, 통제된 온도와 압력 조건에서 기체의 동일한 부피는 동일한 수의 분자를 포함한다고 가정했습니다. 이것은 아보가드로의 법칙으로 알려져 있다.]]
돌턴이 1808년에 원자론을 발표한 후, 그의 핵심 아이디어 중 일부는 곧 대부분의 화학자들에게 채택되었다. 그러나 원자론을 어떻게 구성하고 구체적인 상황에 적용해야 하는지에 대한 불확실성은 반세기 동안 지속되었다. 여러 나라의 화학자들은 서로 호환되지 않는 몇 가지 다른 원자론적 시스템을 개발했다. 이러한 어려운 상황에서 벗어나는 방법을 제시하는 논문은 1811년에 이탈리아 물리학자 아메데오 아보가드로에 의해 발표되었다. 그는 동일한 온도와 압력에서 기체의 동일한 부피는 동일한 수의 분자를 포함하며, 이로부터 두 기체의 상대적 분자량은 동일한 온도와 압력 조건에서 두 기체의 밀도 비율과 같다는 가설을 세웠다. 아보가드로는 또한 단순 기체는 단독 원자로 구성된 것이 아니라 2개 이상의 원자로 구성된 화합물 분자로 구성된다고 추론했다. 따라서 아보가드로는 돌턴 등 다른 사람들이 게이뤼삭이 100 °C 이상에서 수증기의 부피가 이를 형성하는 데 사용된 산소 부피의 두 배라고 보고했을 때 겪었던 어려움을 극복할 수 있었다. 아보가드로에 따르면, 산소 분자는 수증기를 형성하는 과정에서 두 개의 원자로 분열되었다.
아보가드로의 가설은 처음 발표된 후 반세기 동안 무시되었다. 이러한 무시에 대한 많은 이유가 인용되었으며, 여기에는 욷스 야콥 베르셀리우스의 "이원론"과 같은 몇 가지 이론적 문제가 포함되었다. 이는 화합물이 양전하와 음전하의 인력에 의해 함께 유지된다고 주장하여, 산소와 같이 두 개의 전기적으로 유사한 원자로 구성된 분자가 존재할 수 없게 만들었습니다. 수용에 대한 추가적인 장벽은 많은 화학자들이 자신의 문제를 해결하기 위해 물리적 방법(증기 밀도 결정과 같은)을 채택하는 것을 꺼렸다는 사실이었다. 그러나 19세기 중반까지 일부 선두 주자들은 경쟁하는 원자량 및 분자식 시스템의 혼란스러운 다양성을 용납할 수 없다고 보기 시작했다. 더욱이, 아보가드로의 접근 방식이 옳을 수 있다는 것을 시사하는 순수한 화학적 증거가 나타나기 시작했다. 1850년대 동안 알렉산더 윌리엄 윌리엄슨, 샤를 프레데릭 게르하르트 및 샤를-아돌프 뷔르츠, 아우구스트 케쿨레와 같은 젊은 화학자들은 아보가드로 이론과 일치하도록 이론 화학을 개혁할 것을 옹호하기 시작했다.
1840년, 게르만 헤스는 헤스의 법칙을 제안했는데, 이는 에너지 보존의 법칙에 대한 초기 진술로, 화학 과정에서의 에너지 변화는 시작 물질과 생성 물질의 상태에만 의존하며, 두 상태 사이의 특정 경로와는 무관하다는 것을 확립했다. 1847년, 헤르만 콜베는 완전히 무기 기원에서 아세트산을 얻어 생명력설을 더욱 반증했다. 1848년, 윌리엄 톰슨(1대 켈빈 남작)(일반적으로 켈빈 경으로 알려짐)은 모든 분자 운동이 멈추는 온도인 절대 영도의 개념을 확립했다. 1849년, 루이 파스퇴르는 라세미체 형태의 주석산이 좌선성 및 우선성 형태의 혼합물임을 발견하여 광학 회전의 본질을 밝히고 입체화학 분야를 발전시켰다.[90] 1852년, 아우구스트 베어는 혼합물의 조성과 흡수할 빛의 양 사이의 관계를 설명하는 베어-람베르트 법칙을 제안했다. 피에르 부게와 요한 하인리히 람베르트의 이전 연구를 부분적으로 기반으로 하여, 분광 광도법으로 알려진 분석 화학 기술을 확립했다.[91] 1855년, 벤자민 실리먼 주니어는 현대적인 석유 화학 산업 전체를 가능하게 한 석유 분해 방법을 개척했다.[92]
아보가드로의 가설은 그의 동료 과학자 스타니슬라오 카니차로가 아보가드로 사후 2년 뒤인 1858년에 그 가치를 증명한 후에야 화학자들 사이에서 광범위한 지지를 받기 시작했다. 카니차로의 화학적 관심은 원래 천연 제품과 방향족 화합물의 반응에 집중되어 있었는데, 1853년 그는 벤즈알데히드를 농축 염기로 처리하면 벤조산과 벤질 알코올이 모두 생성된다는 것을 발견했는데, 이는 오늘날 카니차로 반응으로 알려진 현상이다. 1858년 팜플렛에서 카니차로는 아보가드로의 아이디어로 완전히 돌아가면 거의 모든 이용 가능한 경험적 증거에 부합하는 일관되고 강력한 이론적 구조를 구축하는 데 사용할 수 있음을 보여주었다. 예를 들어, 그는 모든 원소 기체가 분자당 두 개의 원자로 구성된 것은 아니라는 증거, 즉 일부는 단원자, 대부분은 2원자, 일부는 더 복잡하다는 증거를 지적했다.
또 다른 논쟁의 대상은 알칼리 금속(예: 나트륨)과 알칼리 토금속(예: 칼슘) 화합물의 구조식이었는데, 대부분의 화학자들은 그들의 현저한 화학적 유사성을 고려하여 동일한 구조식 유형으로 지정하려 했다. 카니차로는 이러한 금속을 다른 범주에 배치하면, 원자량을 추론하기 위해 물리적 특성을 사용할 때 특정 이상이 제거되는 이점이 있다고 주장했다. 불행히도 카니차로의 팜플렛은 처음에는 이탈리아어로만 출판되었고 즉각적인 영향은 거의 없었다. 진정한 돌파구는 1860년 9월 독일 칼스루에에서 열린 국제 화학 회의에서 이루어졌는데, 대부분의 주요 유럽 화학자들이 참석했다. 칼스루에 회의는 케쿨레, 부르츠 및 카니차로와 함께 화학이 나아가야 할 방향에 대한 생각을 공유하는 다른 몇몇 사람들에 의해 주선되었다. 프랑스어로 연설하면서 카니차로의 웅변과 논리는 참석자들에게 지울 수 없는 인상을 남겼다. 또한, 그의 친구 안젤로 파베시는 회의가 끝날 때 카니차로의 팜플렛을 참석자들에게 배포했는데, 이 문서를 읽은 것이 결정적인 인상을 주었다고 후에 쓴 화학자가 한 명 이상 있었다. 예를 들어, 로타르 마이어는 나중에 카니차로의 논문을 읽고 "눈에서 비늘이 떨어진 것 같았다"고 썼다.[93] 따라서 카니차로는 개혁을 위한 싸움에서 승리하는 데 중요한 역할을 했다. 그가 옹호하고 곧 대부분의 주요 화학자들이 채택한 시스템은 오늘날에도 사용되는 것과 실질적으로 동일하다.
1856년, 18세의 윌리엄 헨리 퍼킨은 그의 교수인 아우구스트 빌헬름 폰 호프만의 도전을 받아, 항-말라리아 약물인 퀴닌을 콜타르로부터 합성하려 했다. 한 시도에서 퍼킨은 과망간산 칼륨을 사용하여 아닐린을 산화시켰는데, 이 과정에서 톨루이딘 불순물이 아닐린과 반응하여 검은색 고체를 생성했다. 이는 유기 합성에 "실패"한 것으로 여겨졌다. 플라스크를 알코올로 청소하는 과정에서 퍼킨은 용액의 보라색 부분을 발견했다. 이 부산물은 최초의 합성 염료인 모브인 또는 퍼킨의 모브로 알려지게 되었다. 퍼킨의 발견은 염료 합성 산업의 기초가 되었으며, 이는 초기 성공적인 화학 산업 중 하나였다.
독일 화학자 아우구스트 케쿨레의 가장 중요한 단일 공헌은 1857년과 1858년에 발표된 두 개의 논문에서 개략적으로 설명되었고, 그의 유기 화학 교과서 페이지에서 자세히 다루어진 유기 화합물의 구조 이론이었다. 이 교과서의 첫 번째 권은 1859년에 출판되었고, 점차 4권으로 확장되었다. 케쿨레는 4가 탄소 원자, 즉 정확히 네 개의 화학 결합을 형성하는 탄소가 서로 연결되어 그가 "탄소 사슬" 또는 "탄소 골격"이라고 부르는 것을 형성할 수 있으며, 이에 다른 원자가와 다른 원자(예: 수소, 산소, 질소 및 염소)가 결합할 수 있다고 주장했다. 그는 화학자가 적어도 당시 알려진 더 단순한 유기 화합물에 대해 이러한 상세한 분자 구조를 지정하는 것이 가능하다고 확신했다. 케쿨레는 이 시대에 그러한 주장을 한 유일한 화학자는 아니었다. 스코틀랜드 화학자 아치볼드 스콧 쿠퍼는 거의 동시에 실질적으로 유사한 이론을 발표했고, 러시아 화학자 알렉산드르 부틀레로프는 구조 이론을 명확히 하고 확장하는 데 많은 기여를 했다. 그러나 화학계에서는 주로 케쿨레의 아이디어가 우세했다.
- -|]]|thumb|left|240px|크룩스 관의 두 가지 모습: 밝음과 어둠. 전자는 음극(왼쪽)에서 직선으로 이동하며, 몰타 십자에서 오른쪽 끝의 형광으로 생기는 그림자로 증명된다.]]
영국의 화학자이자 물리학자인 윌리엄 크룩스는 음극선 연구로 유명하며, 이는 원자 물리학 발전에 기본적인 역할을 했다. 희박한 기체를 통한 전기 방전에 대한 그의 연구는 현재 크룩스 암부라고 불리는 음극 주변의 어두운 공간을 관찰하게 했다. 그는 음극선이 직선으로 이동하며 특정 물질에 부딪히면 인광과 열을 생성한다는 것을 증명했다. 진공관의 선구자인 크룩스는 초기 실험용 방전관인 크룩스 관을 발명했으며, 부분 진공 상태에서 음극선의 거동을 연구했다. 로버트 분젠과 구스타프 키르히호프가 분광법을 도입(1859–1860)하면서 크룩스는 이 새로운 기술을 셀레늄 화합물 연구에 적용했다. 분젠과 키르히호프는 이전에 분광법을 화학 분석 수단으로 사용하여 세슘과 루비듐을 발견했다. 1861년, 크룩스는 이 과정을 사용하여 일부 셀렌 함유 퇴적물에서 탈륨을 발견했다. 그는 이 새로운 원소에 대한 연구를 계속하여, 이를 분리하고, 그 특성을 연구했으며, 1873년에는 원자량을 결정했다. 탈륨 연구 중 크룩스는 빛 복사를 회전 운동으로 변환하는 장치인 크룩스 방사계의 원리를 발견했다. 이 방사계의 원리는 민감한 측정 기기의 개발에 수많은 응용 분야를 찾았다.
1862년, 알렉산더 파크스는 런던 국제 박람회에서 최초의 합성 고분자 중 하나인 파크신을 전시했다. 이 발견은 현대 플라스틱 산업의 기초를 형성했다. 1864년, 카토 막시밀리안 굴드베르크와 페테르 바아게는 클로드 루이 베르톨레의 아이디어를 바탕으로 질량 작용의 법칙을 제안했다. 1865년, 요한 요제프 로슈미트는 몰 내 분자 수를 결정했으며, 이는 나중에 아보가드로 수로 명명되었다.
1865년, 아우구스트 케쿨레는 로슈미트 등의 연구를 부분적으로 기반으로 하여 벤젠의 구조를 단일 결합과 이중 결합이 교대로 배열된 6개의 탄소 고리로 확립했다. 벤젠의 고리형 구조에 대한 케쿨레의 새로운 제안은 많은 논쟁을 불러일으켰지만, 더 우수한 이론으로 대체된 적은 없었다. 이 이론은 19세기 마지막 3분의 1 동안 독일 화학 산업의 극적인 확장을 위한 과학적 기초를 제공했다. 케쿨레는 또한 벤젠 분자를 기반으로 하는 화합물인 방향족 화합물의 특성을 명확히 한 것으로도 유명하다. 1865년, 아돌프 폰 바이어는 인디고 염료에 대한 연구를 시작했는데, 이는 현대 산업 유기 화학의 이정표이자 염료 산업을 혁신했다.
스웨덴의 화학자이자 발명가인 알프레드 노벨은 니트로글리세린을 흡수성 불활성 물질인 ''키젤구르''(규조토)에 혼합하면 취급이 더 안전하고 편리해진다는 것을 발견했으며, 이 혼합물을 1867년 다이너마이트로 특허를 받았다. 노벨은 이후 니트로글리세린을 콜로디온과 유사한 다양한 니트로셀룰로오스 화합물과 결합했지만, 다른 질산염 폭약과 결합하여 더 효율적인 레시피를 정립했으며, 투명하고 젤리 같은 물질을 얻었는데, 이는 다이너마이트보다 더 강력한 폭약이었다. 젤리그나이트 또는 폭파 젤라틴은 1876년에 특허를 받았으며, 질산 칼륨과 다양한 다른 물질을 첨가하여 수정된 유사한 조합이 뒤따랐다.
- -|]]|thumb|298x298px|드미트리 멘델레예프, 알려진 화학 원소를 주기율표에 정리한 인물]]
알려진 화학 원소 목록을 이해하는 데 있어 중요한 돌파구(원자의 내부 구조를 이해하는 데 있어서도 마찬가지)는 드미트리 멘델레예프가 최초의 현대적인 주기율표 또는 원소의 주기적 분류를 개발한 것이었다. 러시아 화학자인 멘델레예프는 원소에 일종의 질서가 있다고 느껴 13년 이상 데이터를 수집하고 개념을 구축하는 데 몰두했는데, 처음에는 학생들을 위해 이 분야의 혼란을 해결하려는 아이디어로 시작했습니다. 멘델레예프는 알려진 모든 화학 원소를 원자량 증가 순으로 배열했을 때, 결과 표가 원소 그룹 내에서 속성의 반복적인 패턴 또는 주기성을 나타낸다는 것을 발견했습니다. 멘델레예프의 법칙을 통해 그는 1869년 ''화학 원리''에서 발표한 원자량을 기준으로 당시 알려진 66개의 모든 원소의 체계적인 주기율표를 만들 수 있었습니다. 그의 첫 번째 주기율표는 원소를 원자량의 오름차순으로 배열하고 속성의 유사성에 따라 그룹화하는 것을 기반으로 작성되었습니다.
멘델레예프는 주기율의 타당성에 대한 확신이 커서 일부 원소의 일반적으로 허용되는 원자량 값을 변경할 것을 제안했으며, 1871년의 주기율표 버전에서는 알려지지 않은 원소의 표 내 위치와 그 속성을 예측했다. 그는 심지어 아직 발견되지 않은 세 가지 원소, 즉 에카붕소(Eb), 에카알루미늄(Ea), 에카실리콘(Es)의 예상 속성을 예측했는데, 이는 각각 스칸듐, 갈륨, 게르마늄의 속성을 잘 예측했으며, 각 원소는 멘델레예프가 할당한 주기율표의 자리를 채웠습니다.
처음에는 주기적 시스템이 화학자들의 관심을 끌지 못했습니다. 그러나 1875년 갈륨, 1879년 스칸듐, 1886년 게르마늄 등 예측된 원소의 발견으로 널리 받아들여지기 시작했습니다. 이후 그의 생애 동안 그의 많은 예측이 증명되면서 멘델레예프는 주기율의 창시자로서 명성을 얻었습니다. 이러한 조직은 1862년 원소의 초기 3차원 주기율표인 텔루르 나선을 발표한 알렉상드르-에밀 베기예 드 샹쿠르투아, 1864년 옥타브 법칙(주기율의 전조)을 제안한 존 알렉산더 레나 뉴랜즈, 1864년
4. 4. 유기 화학과 생명력설 논쟁
1825년, 프리드리히 뵐러와 유스투스 폰 리비히는 이전에 베르셀리우스가 명명한 이성질체를 처음으로 확인하고 설명했다. 시안산과 뇌홍산을 연구하면서, 그들은 이성질성이 분자 구조 내 원자들의 배열 차이 때문에 발생한다는 사실을 정확하게 추론했다. 1827년, 윌리엄 프라우트는 생체 분자를 탄수화물, 단백질, 지질로 분류했다. 연소의 본질이 밝혀진 후, 생명력설과 유기 물질, 무기 물질 사이의 필수적인 차이점에 대한 논쟁이 시작되었다. 1828년, 프리드리히 뵐러가 요소를 합성하면서 생명력설 문제는 혁신을 맞이했는데, 이는 유기 화합물이 무기물에서 만들어질 수 있다는 것을 보여주며 생명력설을 반증했다.
이는 화학 분야에서 새로운 연구 분야를 열었으며, 19세기 말까지 과학자들은 수백 가지의 유기 화합물을 합성할 수 있었다. 이 중 가장 중요한 것은 모브, 마젠타와 같은 합성 염료와 널리 사용되는 약물인 아스피린이다. 요소의 인공 합성 발견은 이성질성 이론에 크게 기여했는데, 이는 요소와 시안산 암모늄의 화학식이 동일했기 때문이다 (뵐러 합성 참조). 1832년, 프리드리히 뵐러와 유스투스 폰 리비히는 유기 화학과 관련된 작용기와 라디칼을 발견하고 설명했으며, 최초로 벤즈알데히드를 합성했다. 독일 화학자 리비히는 농업 및 생화학에 크게 기여했으며, 유기 화학의 체계화에 힘썼고, 이 분야의 주요 창시자 중 한 명으로 여겨진다.[86] 리비히는 또한 필수적인 식물 영양소로서 질소를 발견하고 작물에 대한 개별 영양소의 영향을 설명하는 최소량의 법칙을 공식화하여 "비료 산업의 아버지"로 불린다.
5. 20세기 이후의 화학
20세기 화학은 이전 세기와는 다른, 혁명적인 변화를 겪었다. 특히 물리학과의 융합이 두드러졌는데, 어니스트 러더퍼드와 닐스 보어의 원자 구조 발견, 마리 퀴리와 피에르 퀴리의 방사성 물질 발견은 화학자들이 물질의 성질에 대한 관점을 근본적으로 바꾸는 계기가 되었다.
윌리엄 램지는 비활성 기체를 발견하여 주기율표의 빈자리를 채웠다. 그는 존 스트럿 3세 남작 레일리와 함께 공기 중 아르곤의 존재를 확인했고,[98] 이후 헬륨, 네온, 크립톤, 제논을 발견했다.[99] 램지는 프레데릭 소디와 함께 라듐의 방사성 붕괴 과정에서 알파 입자(헬륨 핵)가 생성됨을 증명했다.[100] 이러한 공로로 램지는 1904년 노벨 화학상을 수상했다.[100]
J. J. 톰슨은 음극선 실험을 통해 전자를 발견했고,[101] 빌헬름 빈은 양극선이 자기장에 의해 휘어지는 정도가 전하 대 질량비에 비례함을 증명하여 질량 분석법의 기초를 마련했다.[101]
마리 퀴리와 피에르 퀴리 부부는 방사능 연구를 통해 폴로늄과 라듐을 발견했다.[102] 이들은 피치블렌드에서 새로운 방사성 원소를 분리하고, 그 성질을 연구하여 핵 시대의 문을 열었다. 마리 퀴리는 앙리 베크렐과 함께 1903년 노벨 물리학상을, 1911년에는 단독으로 노벨 화학상을 수상하여 최초의 여성 노벨상 수상자이자 두 분야에서 노벨상을 받은 유일한 인물이 되었다.[103] 피에르 퀴리는 강자성 물질이 특정 온도(퀴리점) 이상에서 강자성을 잃는 현상을 발견했다.[103]
미하일 츠베트는 크로마토그래피를 발명하여 분석 화학 발전에 기여했고,[104] 나가오카 한타로는 전자가 핵 주위를 공전하는 원자 모형을 제안했다. 프리츠 하버와 카를 보슈는 하버-보슈 공정을 개발하여 암모니아를 대량 생산함으로써 질소 비료 생산에 혁명을 일으켰다.[95]
로버트 앤드루스 밀리칸은 유적 실험을 통해 전자의 전하량을 정확하게 측정했고,[96] 알베르트 아인슈타인은 브라운 운동을 설명하여 원자 이론을 확립했다. 레오 베이클랜드는 최초의 상업용 플라스틱인 베이클라이트를 발명했다. S. P. L. 쇠렌센은 pH 개념을 도입하여 산도를 측정하는 방법을 개발했다.
오토 한은 리제 마이트너, 프리츠 슈트라스만과 함께 핵분열을 발견하고, 핵분열 과정에서 추가적인 중성자가 방출되어 핵 연쇄 반응이 일어날 수 있음을 예측했다.[93] 이 발견은 원자로와 핵무기 개발의 기초가 되었으며, 한은 1944년 노벨 화학상을 수상했다.[93]
20세기 초, 오귀스트 콩트는 화학 연구에 수학적 방법을 도입하는 것을 비판했지만, 19세기 후반 아우구스트 케쿨레는 원자의 수리역학적 설명을 기대하는 등 화학자들의 인식은 변화했다. 화학은 이제 물질의 구성, 구조, 특성, 변화를 다루는 물질 과학으로 재정의되었으며, 그 범위는 원자와 분자 수준에서 플라스마 상태까지 확장되었다.
5. 1. 원자 구조와 양자 화학
어니스트 러더퍼드는 핵물리학의 아버지로 불리며, 알파 입자, 베타 입자, 감마선 등의 이름을 고안했다. 그는 방사능이 원소의 핵 변환 때문이며, 방사성 원소의 반감기를 발견했다. 1906년, 러더퍼드는 한스 가이거와 어니스트 마스덴의 가이거-마스덴 실험을 통해 원자핵의 존재를 증명했다. 이 실험에서 알파 입자 빔을 얇은 금박에 쏘았을 때, 대부분의 입자는 통과했지만 일부는 큰 각도로 산란되거나 되돌아오는 현상을 관찰했다. 이를 통해 러더퍼드는 원자 내부에 양전하를 띤 작은 핵이 존재하고, 원자의 대부분은 빈 공간이라는 러더퍼드 모형을 제시했다.
닐스 보어는 1913년 보어 모형을 통해 원자 구조에 양자역학 개념을 도입했다. 보어 모형에서 전자는 특정 에너지 준위를 가진 궤도에서만 핵 주위를 공전하며, 전자가 궤도를 이동할 때 빛을 방출하여 각 원소 고유의 방출 스펙트럼을 생성한다. 보어는 상보성 원리를 연구하여 전자가 파동 또는 입자로 해석될 수 있음을 제시했고, 이는 핵분열에 대한 이론적 기반을 제공했다.
헨리 모즐리는 1913년 원자 번호 개념을 도입하여 주기율표의 문제점을 수정했다. 프레데릭 소디는 동위원소 개념을 공식화하여 화학적으로 구별할 수 없지만 원자량이 다른 원소의 존재를 설명했다. J. J. 톰슨은 질량 분석법을 통해 전하를 띤 아원자 입자를 분리할 수 있음을 보였다.
길버트 N. 루이스는 원자가 결합 이론의 토대를 마련하고, 화학 결합이 전자쌍 공유로 형성된다는 공유 결합 개념을 제시했다. 그는 루이스 구조를 통해 원자와 분자의 전자 구조를 나타냈다. 오토 슈테른과 발터 게를라흐는 소립자의 양자역학적 스핀 개념을 확립했다.
루이 드 브로이는 1924년 파동-입자 이중성에 기반한 전자파 이론을 발표하여 전자가 파동처럼 행동할 수 있음을 제시했다. 볼프강 파울리는 파울리 배타 원리를 통해 원자 내 두 전자가 동일한 양자 상태를 가질 수 없음을 밝혔다.
에르빈 슈뢰딩거는 1926년 슈뢰딩거 방정식을 발표하여 양자 파동 역학의 기초를 제공했다. 이 방정식은 원자 역학에서 뉴턴의 운동 법칙과 같은 역할을 하며, 전자의 파동 함수를 통해 물리적 사건의 발생 확률을 설명한다.
베르너 하이젠베르크는 양자역학을 행렬로 공식화하고, 1927년 불확정성 원리를 발표하여 전자의 위치와 속도를 동시에 정확히 측정할 수 없음을 보였다.
양자 화학은 슈뢰딩거 방정식의 발견과 수소 원자에의 적용(1926년)으로 시작되었다고 여겨지지만, 발터 하이틀러와 프리츠 런던의 1927년 논문[105]이 화학 결합에 양자 역학을 처음 적용한 것으로 인정받는다. 이후 에드워드 텔러, 로버트 S. 멀리켄, 막스 보른, J. 로버트 오펜하이머, 라이너스 폴링, 에리히 휑켈, 더글러스 하트리, 블라디미르 알렉산드로비치 포크 등이 양자 화학 발전에 기여했다.
폴 디랙은 1930년에 "물리학의 상당 부분과 화학 전체에 대한 수학적 이론에 필요한 기본적인 물리 법칙은 완전히 알려져 있지만, 이 법칙을 정확하게 적용하면 너무 복잡해서 풀 수 없는 방정식이 나온다"고 언급했다.[106] 1951년 클레멘스 C. J. 루탄의 루탄 방정식에 관한 논문[107]은 작은 분자에 대한 자기 일관적 장 방정식을 푸는 길을 열었다.
5. 2. 분자생물학과 생화학
20세기 중반까지, 물리와 화학의 통합은 원칙적으로 광범위하게 이루어져, 화학적 성질은 원자의 전자 구조의 결과로 설명되었다. 라이너스 폴링의 저서 ''화학 결합의 본성''은 양자 역학의 원리를 사용하여 점점 더 복잡한 분자의 결합각을 추론했다. 그러나 양자 역학에서 추론된 일부 원리들이 생물학적으로 관련된 분자의 일부 화학적 특징을 질적으로 예측할 수 있었지만, 20세기 말까지 엄격한 컴퓨터 계산에 의한 정량적 방법보다는 규칙, 관찰 및 레시피의 모음집에 가까웠다.
이러한 접근 방식은 1953년 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭이 구성 요소의 화학적 지식과 로잘린드 프랭클린이 얻은 X선 회절 패턴을 바탕으로 DNA의 이중 나선 구조를 추론했을 때 성공을 거두었다.[108] 이 발견은 생명의 생화학에 대한 연구의 폭발적인 증가를 가져왔다.
같은 해, 밀러-유리 실험은 단백질의 기본적인 구성 요소인 단순한 아미노산 자체가 지구상의 원시적인 과정의 시뮬레이션에서 더 간단한 분자로부터 만들어질 수 있음을 보여주었다. 화학자들이 통제된 조건에서 실험실에서 가설적인 과정을 연구하려는 이 첫 번째 시도는 자연 과학 내에서 생명의 기원에 대한 풍부한 연구를 시작하는 데 도움이 되었다.
1983년 캐리 멀리스는 DNA의 시험관 내 증폭 방법을 고안했는데, 이는 중합효소 연쇄 반응(PCR)으로 알려져 있으며, 실험실에서 이를 조작하는 데 사용되는 화학적 과정을 혁신했다. PCR은 특정 DNA 조각을 합성하는 데 사용될 수 있으며, 거대한 인간 게놈 프로젝트에서 절정에 달한 유기체의 DNA 염기서열 결정을 가능하게 했다.
매슈 메셀슨과 프랭크 스탈의 협력 (메셀슨-스탈 실험)의 결과는 "생물학에서 가장 아름다운 실험"이라고 불렸다. 그들은 무게의 차이에 따라 분자를 분류하는 원심분리 기술을 사용했다. 질소 원자는 DNA의 구성 요소이므로, 박테리아에서 복제될 때 표지되어 추적되었다.
5. 3. 현대 화학의 발전
1970년, 존 포플(John Pople)은 계산화학 계산을 크게 쉽게 해주는 가우시안 프로그램을 개발했다.[109] 1971년, 이브 쇼뱅(Yves Chauvin)은 올레핀 메타테시스 반응의 반응 메커니즘에 대한 설명을 제시했다.[110] 1975년, 칼 배리 샤플리스(Karl Barry Sharpless)와 그의 연구진은 샤플리스 에폭시화,[111][112] 샤플리스 비대칭 이중수산화,[113][114][115] 및 샤플리스 옥시 아민화를 포함한 입체 선택적 산화 반응을 발견했다.[116][117][118]1985년, 해럴드 크로토(Harold Kroto), 로버트 컬(Robert Curl) 및 리처드 스몰리(Richard Smalley)는 건축가 R. 백민스터 풀러(R. Buckminster Fuller)가 설계한 측지 돔과 표면적으로 유사한 일련의 대형 탄소 분자인 풀러렌을 발견했다.[119]
20세기 이전에는 전통적으로 화학은 물질의 성질과 그 변화에 대한 과학으로 정의되었다. 그러한 물질의 극적인 변화를 대상으로 하지 않는 물리학과는 명확한 선이 그어져 있었다. 또한 물리학과는 대조적으로, 화학은 수학을 많이 사용하지 않았다. 오귀스트 콩트는 1830년에 "화학적 질문의 연구에 수학적 기법을 도입하려는 것은 완전히 불합리하며 화학의 정신에 반한다"고 말했다.
그러나 19세기 후반에는 시각이 바뀌어, 아우구스트 케쿨레는 1867년에 "우리가 원자라고 부르는 것의 수리역학적 설명에 도달하여 그 특성을 기술하는 날이 오기를 고대하고 있다"라고 말했다.
어니스트 러더퍼드와 닐스 보어가 1912년에 원자 구조를 발견하고, 마리 퀴리와 피에르 퀴리가 방사성 물질을 발견한 후, 과학자는 물질의 성질에 대한 시점을 크게 바꿀 필요가 있었다. 화학은 원자핵을 둘러싼 전자 구름과 전자 구름의 유도로 발생하는 전장에서의 원자핵의 거동을 연구 대상으로 삼게 되었다. (Born–Oppenheimer approximation영어 참조). 화학의 수비 범위는 상온 상압에 가까운 조건 하에서 우리를 둘러싼 물질의 성질에 한정되었으며, 전자기파에의 노출은 지상에서의 자연 조건 하의 마이크로파, 가시광선, 자외선 등과 별로 다르지 않은 것으로 제한되었다. 화학은 거기에서 물질의 구성·구조·특성·변화를 다루는 물질 과학으로 재정의되었다. 여기서 사용되는 물질의 의미는 원자와 분자가 만드는 물질과 명확하게 관련되어, 원자핵 내부의 내용물, 핵반응, 이온화된 플라스마 내의 물질은 대상이 되지 않는다. 그렇지만 인류의 척도로 보면 화학의 영역은 여전히 광대하며, 화학이 모든 것을 포괄한다고 해도 크게 벗어나지는 않는다.
6. 화학과 사회
화학의 범주, 용어, 목표, 범위는 역사적으로 계속 변화해 왔다. 화학 지식의 생산, 보급, 적용을 가능하게 한 사회적 제도와 네트워크의 발전은 화학적 탐구를 지원하는 매우 중요한 요소이다. (화학 철학)
6. 1. 화학 산업
19세기 후반에는 지구에서 추출한 석유의 활용이 크게 증가하여, 고래 기름, 콜타르, 해군 용품 등 이전에 사용되던 다양한 화학 물질을 대체했다. 대규모 석유 정제를 통해 가솔린, 경유와 같은 액체 연료, 용매, 윤활유, 아스팔트, 왁스 등이 생산되었다. 또한, 합성 섬유, 플라스틱, 페인트, 세제, 의약품, 접착제, 비료 등에 사용되는 암모니아와 같이 현대 사회에서 널리 쓰이는 재료들도 석유로부터 생산되었다. 이러한 물질들의 생산에는 새로운 촉매와 비용 효율적인 생산을 위한 화학 공학의 활용이 필요했다.20세기 중반에는 반도체 재료의 전자 구조를 정밀하게 제어하기 위해 매우 순수한 실리콘과 게르마늄 단결정을 대형 잉곳으로 만들었다. 다른 원소를 첨가하여 화학 조성을 정확하게 제어함으로써, 1951년에는 고체 상태 트랜지스터 생산이 가능해졌다. 이는 특히 컴퓨터와 같은 전자 장치에 사용되는 소형 집적 회로 생산을 가능하게 했다.
6. 2. 화학과 관련된 주요 학문 분야
20세기 이전에는 화학이 물질의 본질과 그 변환에 관한 과학으로 정의되었다. 따라서 물질의 극적인 변환을 다루지 않는 물리학과는 구별되었다. 더욱이 물리학과는 달리 화학은 19세기 말까지 주로 기술적이고 경험적인 과학으로 남아 있었다. 비록 원자 및 분자량, 결합 비율, 열역학적 양에 기초한 일관된 정량적 기반을 개발했지만, 화학자들은 고급 수학을 덜 활용했다.[127] 심지어 일부는 화학 내에서 수학을 사용하는 것에 대해 주저함을 표명하기도 했다. 예를 들어, 철학자 오귀스트 콩트는 1830년에 다음과 같이 썼다.toute tentative d'employer dans l'étude des questions chimiques les méthodes mathématiques doit être tenue pour profondément irrationnelle et contraire à l'esprit de la chimie.... si l'analyse mathématique occupait jamais dans la chimie une place importante – aberration presque impossible et qui serait heureusement fort anomale – elle occasionnerait une dégénérescence rapide et étendue de cette science.|화학적 문제 연구에 수학적 방법을 사용하려는 모든 시도는 매우 비합리적이며 화학 정신에 위배되는 것으로 간주해야 한다.... 만약 수학적 분석이 화학에서 중요한 자리를 차지하게 된다면 – 거의 불가능하지만 다행스러운 일탈 – 그것은 그 과학의 급속하고 광범위한 퇴보를 초래할 것이다.프랑스어
그러나 19세기 후반에 아우구스트 케쿨레가 1867년에 다음과 같이 쓰면서 상황이 바뀌기 시작했다.
Ich rechne mit der Erwartung, dass wir dereinst eine mathematisch-mechanische Erklärung für das, was wir jetzt Atome nennen, finden werden, welche Aufschluss über die Eigenschaften der Atome geben wird.|나는 언젠가 우리가 지금 원자라고 부르는 것들에 대한 수학적-기계적 설명을 찾아낼 것이라고 예상하며, 그것이 원자의 성질을 설명해 줄 것이다.de
화학과 관련된 주요 학문 분야는 다음과 같다.
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