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화학

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목차

1. 개요

화학은 물질의 성질, 조성, 구조, 변화를 연구하는 학문으로, 인류의 불 사용과 함께 시작되어 연금술을 거쳐 근대 과학으로 발전했다. 고대에는 4원소설, 원자론 등이 제시되었으며, 17세기 로버트 보일의 실험적 접근과 18세기 앙투안 라부아지에의 질량 보존의 법칙 발견으로 근대 화학의 토대가 마련되었다. 19세기에는 주기율표가 등장하고 원자 구조에 대한 이해가 깊어졌으며, 20세기에는 양자역학의 발전과 유기, 고분자 화학의 발달로 산업 발전에 기여했다. 화학은 분석화학, 유기화학, 무기화학, 물리화학, 생화학 등 다양한 분야로 나뉘며, 물질의 성질, 화학 반응, 에너지, 원자, 분자 등을 핵심 개념으로 다룬다.

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화학
지도 정보
학문 정보
학문명화학
그림Chemicals in flasks.jpg
그림 설명화학은 물질에 대해서 연구하는 자연과학의 한 분야이다.
학문 분야자연과학
기본 정보
영어 이름chemistry
일본어 이름化学 (かがく)
개요
정의물질의 성질, 조성, 구조 및 변화를 연구하는 자연과학의 한 분야
학문 분야자연과학, 물리학, 생물학, 지질학과 밀접한 관련
학문 성격경험과학적 성격, 이론화학과 실험화학을 통해 발전
역사
기원고대 문명에서의 기술 및 연금술에서 비롯
근대 화학18세기 말부터 앙투안 라부아지에 등의 연구로 발전
화학의 세부 분야
주요 분야유기화학
무기화학
분석화학
물리화학
생화학
기타 분야핵화학
고분자화학
환경화학
재료화학
양자화학
활용
응용 분야의약품, 신소재, 에너지, 환경, 농업 등 다양한 분야에서 활용
참고 자료
관련 학회일본화학회

2. 역사

'''고대 화학'''

고대 화학은 인류가 불을 사용하면서 시작되었다고 볼 수 있다.[147] 초기 인류는 불을 단순한 열과 빛의 원천으로 여겼지만, 점차 불이 물질을 변화시키는 힘을 가지고 있음을 인지하게 되었다. 이는 요리, 도기 제작, 야금술 등의 발달로 이어졌다. 특히 야금술은 유리의 발견과 금속 정련 기술의 발전을 이끌었으며, 기원전 2900년경 고대 이집트에서는 금이 귀중한 금속으로 여겨졌다.

인간이 최초로 발견한 금속은 금으로, 스페인의 동굴에서 발견된 소량의 천연 금이 그 증거이다. 은, 구리, 주석, 유성 철 등도 고대 문화에서 발견되어 제한적인 금속 가공에 사용되었다. 기원전 3000년경 유성 철제로 만들어진 이집트 무기는 "천국의 단검"으로 높이 평가받았다.

이집트인,[37] 바빌로니아인, 인도인[38]들은 야금술, 도자기, 염색 기술에 대한 실용적인 지식을 축적했다. 그러나 화학적 지식은 체계적인 이론으로 발전하지 못하고, 고대 그리스에서 4원소설과 원자론의 형태로 처음 등장했다. 아리스토텔레스는 불, 공기, 흙, 물이 모든 물질을 구성하는 기본 원소라고 주장했다. 데모크리토스와 에피쿠로스 등의 철학자들은 만물이 더 이상 쪼갤 수 없는 원자로 구성되어 있다는 원자론을 제시했다.[39][40]

헬레니즘 시대에는 연금술이 등장하여 마법과 신비주의를 자연 물질 연구와 혼합하여 발전을 이루었다. 파노폴리스의 조시모스와 같은 연금술사들은 증류와 같은 중요한 기술을 개발했다. 연금술은 이슬람 정복 이후 아랍 세계에서 계속 발전했으며,[46] 라틴어 번역을 통해 중세와 르네상스 시대 유럽으로 전파되었다. 자비르 이븐 하이얀은 화학 물질을 체계적으로 분류하고, 유기 화합물로부터 염화암모늄과 같은 무기 화합물을 얻는 방법을 제시했다.[48] 13세기 유럽에서는 가명 게베르로 알려진 익명의 저술가가 연금술과 야금술에 관한 저술을 남겼다.[50] 알비루니[51]와 아비케나[52]와 같은 영향력 있는 무슬림 철학자들은 연금술 이론, 특히 금속 변환 이론에 대해 비판적인 관점을 제시했다.

16세기에 게오르기우스 아그리콜라는 데 레 메탈리카를 출판하여 광석 채굴, 금속 추출 과정을 상세히 설명하고, 야금술의 발전에 크게 기여했다. 그는 "야금술의 아버지"이자 지질학의 창시자로 여겨진다.[54][55][56]

'''17세기와 18세기: 초기 화학'''

로버트 보일, 현대 화학의 공동 창립자


17세기와 18세기에는 초기 화학이 발전하기 시작했다. 영국의 화학자 로버트 보일 (Robert Boyle, 1627-1691)은 연금술에 대한 현대의 과학적 방법을 정제하고 화학을 연금술과 분리한 것으로 평가받는다.[29] 그는 1662년에 보일의 법칙(온도만 일정하게 유지된다면 기체의 절대 압력과 부피가 반비례함)을 제시했다. 또한 1661년에는 화학 분야의 초석으로 간주되는 《회의적인 화학자》를 저술했다.[29] 이 책에서 보일은 모든 현상이 움직이는 입자의 충돌 결과라는 가설을 제시하고, 화학자들에게 실험을 통해 지구, 화염, 공기, 물 같은 고전적인 4가지 원소만으로 화학 원소를 제한하는 것을 거부하도록 촉구했다. 그는 화학이 의학이나 연금술에 종속되지 않고 과학의 지위로 부상해야 한다고 주장하며, 과학 실험에 대한 엄격한 접근 방식을 강조했다. 보일은 모든 이론이 사실로 간주되기 전에 실험적으로 입증되어야 한다고 믿었으며, 이는 원자, 분자 및 화학 반응의 가장 초기 현대적인 아이디어를 포함하여 현대 화학 역사의 시작을 알리는 계기가 되었다.

'''근대 화학의 성립'''

『舎密開宗』에 기록된 화학 실험도


연금술은 현대 화학을 탄생시킨 근원이다


근대 화학은 17세기 이후 실험을 통한 정량적 연구로 발전하기 시작했다.[82] 18세기 말 앙투안 라부아지에는 질량 보존의 법칙을 명확히 하고 새로운 화학 명명법 체계를 개발하여 화학을 이론적 토대 위에 확립했다.[59] 19세기에 들어서면 존 돌턴의 현대 원자 이론을 통해 원자, 분자의 재배열이 화학 반응의 본질임이 이해되기 시작했다.[82]

17세기 로버트 보일은 연금술에서 벗어나 화학을 과학의 지위로 격상시키려 노력했다. 그는 보일의 법칙을 공식화하고, 회의적인 화학자에서 엄격한 실험을 통해 사실로 입증된 이론만을 받아들여야 한다고 주장했다.[29]



18세기에는 조지프 프리스틀리와 칼 빌헬름 셸레가 산소를 분리하고, 헨리 캐번디시가 수소를 발견하는 등 중요한 발견들이 이어졌다. 게오르크 에른스트 슈탈의 플로지스톤 이론은 앙투안 라부아지에에 의해 뒤집혔다.[59]



19세기 초 험프리 데이비는 볼타 전지를 이용하여 알칼리 금속을 포함한 새로운 원소들을 발견했다.[60] 윌리엄 프라우트는 원자량으로 원소를 정렬하는 것을 제안했고, J.A.R. 뉴랜즈의 초기 원소 주기율표는 드미트리 멘델레예프 등에 의해 현대 주기율표로 발전되었다.[63][64][65] 윌리엄 램지는 비활성 기체를 발견하여 주기율표의 기본 구조를 완성했다.

유기 화학은 프리드리히 뵐러의 요소 합성을 시작으로 유스투스 폰 리비히 등에 의해 발전되었다.[66] 에드워드 프랭클랜드는 원자가 결합에 대한 이해(1852년)를, J. W. 기브스와 스반테 아레니우스는 화학에 대한 열역학의 적용(1870년대)을 통해 화학 발전에 기여했다.

[[File:https://cdn.onul.works/wiki/source/194dc6658e9_576f1062.svg|right|upright|thumb|''위:'' 예상 결과: 원자의 건포도 푸딩 모형을 통과하는 알파 입자는 방해받지 않고 통과한다.


''아래:'' 관측 결과: 입자의 일부는 휘어졌는데, 이는 작고 집중된 전하를 나타낸다.]]

20세기 초, J.J. 톰슨의 전자 발견(1897년)과 어니스트 러더퍼드의 원자핵 발견 등 원자 구조에 대한 이해가 깊어지면서 화학의 이론적 기초가 확립되었다. 닐스 보어, 헨리 모즐리, 오토 한 등은 원자 구조 연구를 통해 핵화학의 발전을 이끌었다. 라이너스 폴링과 길버트 N. 루이스는 화학 결합과 분자 궤도 이론을 개발했다.

20세기에 들어서면서 화학 결합의 성질이 양자역학으로 설명되었고,[151] 이는 오늘날 화학의 중심 원리가 되었다.[82] 유기 화학과 고분자 화학의 발전은 생물학과의 경계를 허물고, 새로운 물질 합성을 통해 산업 발전에 기여했지만, 동시에 공해 문제와 같은 새로운 과제를 안겨주었다.[93]

'''20세기 이후의 발전'''

20세기 초, 어니스트 러더퍼드의 원자핵 모델은 화학 반응이 원자와 전자의 상호 작용에 기초한다는 것을 밝혔고,[151] 이는 화학 반응의 중심 원리에 대한 이해를 돕는 데 크게 기여했다. 캠브리지 대학교의 J.J. 톰슨이 전자를 발견하고, 앙리 베크렐, 피에르 퀴리와 마리 퀴리 부부가 방사능 현상을 조사하면서 원자의 내부 구조에 대한 이해가 깊어졌다.[67] 러더퍼드는 맨체스터 대학교에서 일련의 산란 실험을 통해 원자 내부 구조와 양성자의 존재를 발견하고, 다양한 유형의 방사능을 분류, 설명했으며, 질소에 알파 입자를 충돌시켜 최초로 원소를 변환하는 데 성공했다.[67]

이러한 발견은 닐스 보어, 헨리 모즐리, 오토 한과 같은 과학자들에 의해 더욱 발전되었으며, 특히 오토 한은 핵분열을 발견하여 핵화학의 아버지로 불리게 되었다. 화학 결합과 분자 궤도의 전자 이론은 라이너스 폴링과 길버트 N. 루이스에 의해 개발되어,[67] 화학 결합의 성질이 양자역학으로 지배되는 전자의 거동(분자 궤도 및 에너지 준위)에 기인한다는 것이 밝혀졌다.[151]

유기 화학과 고분자 화학도 20세기에 큰 발전을 이루어, 생물학과의 경계 영역에서 많은 발전을 가져왔고, 산업 사회 발전의 기반이 되는 다양한 물질 합성에 기여했다.[82] 이는 프리드리히 뵐러의 요소 합성에 이어 유스투스 폰 리비히 등에 의해 발전되었다.[66]

2011년은 유엔에 의해 국제 화학의 해로 선포되었다.[67]

'''한국 화학의 역사'''

금(金)은 인간이 발견한 최초의 기록된 금속으로 보이며, 스페인 동굴에서 구석기(舊石器) 후기(BC 40,000)에 소량의 천연 금이 발견되었다. 은(銀), 구리(銅), 주석(朱錫) 및 유성 철(鐵) 또한 고대 문화에서 발견되었으며, 일부 제한된 양의 금속 가공을 허용하였다. 기원전 3000년경 유성 철제로 만든 이집트 무기는 "천국의 단검(天國短劍)"으로 높이 평가받았다.

막말부터 메이지 초기까지 일본에서는 화학을 세이미(舎密)라고 불렀다. 세이미는 화학을 의미하는 라틴어계 네덜란드어 케미/Chemienl(이 단어 자체의 의미는 “과학”)의 음역이다.[152]

일본에서 최초로 근대 화학을 소개하는 책이 된 것은 에도 시대의 우다가와 요안(宇田川榕菴)의 『세이미카이소』(舎密開宗)이다. 원저는 영국의 화학자 윌리엄 헨리(William Henry)가 1801년에 출판한 ''An Epitome of Chemistry''이다. 우다가와 요안은 이러한 출판에 임하여, 당시 일본어로 존재하지 않았던 학술 용어에 새로운 조어를 만들어 번역했다. 산소, 수소, 질소, 탄소와 같은 원소 이름이나 산화, 환원, 용해, 분석과 같은 화학 용어는 우다가와 요안에 의해 고안된 조어이다.[153]

“화학”이라는 단어는 가와모토 코우민(川本幸民)이 저서 『화학신서』(化学新書)(1861년)에서 처음으로 사용했고, 후에 메이지 정부가 공식적으로 채택했다. 이는 다른 학문 용어와 마찬가지로 일본에서 중국 등으로 전해진 일본식 한자어 중 하나로 여겨져 왔지만,[154] 최근에는 중국어에서 차용한 단어라고 여겨지고 있다.[155] 중국에서는 “화학”이라는 단어가 묵해서관(墨海書館)이 발행한 월간지 『』의 1857년 호가 처음 등장했다.[156]

2. 1. 고대 화학

고대 화학은 인류가 불을 사용하면서 시작되었다고 볼 수 있다.[147] 초기 인류는 불을 단순한 열과 빛의 원천으로 여겼지만, 점차 불이 물질을 변화시키는 힘을 가지고 있음을 인지하게 되었다. 이는 요리, 도기 제작, 야금술 등의 발달로 이어졌다. 특히 야금술은 유리의 발견과 금속 정련 기술의 발전을 이끌었으며, 기원전 2900년경 고대 이집트에서는 금이 귀중한 금속으로 여겨졌다.

인간이 최초로 발견한 금속은 금으로, 스페인의 동굴에서 발견된 소량의 천연 금이 그 증거이다. 은, 구리, 주석, 유성 철 등도 고대 문화에서 발견되어 제한적인 금속 가공에 사용되었다. 기원전 3000년경 유성 철제로 만들어진 이집트 무기는 "천국의 단검"으로 높이 평가받았다.

이집트인,[37] 바빌로니아인, 인도인[38]들은 야금술, 도자기, 염색 기술에 대한 실용적인 지식을 축적했다. 그러나 화학적 지식은 체계적인 이론으로 발전하지 못하고, 고대 그리스에서 4원소설과 원자론의 형태로 처음 등장했다. 아리스토텔레스는 불, 공기, 흙, 물이 모든 물질을 구성하는 기본 원소라고 주장했다. 데모크리토스와 에피쿠로스 등의 철학자들은 만물이 더 이상 쪼갤 수 없는 원자로 구성되어 있다는 원자론을 제시했다.[39][40]

헬레니즘 시대에는 연금술이 등장하여 마법과 신비주의를 자연 물질 연구와 혼합하여 발전을 이루었다. 파노폴리스의 조시모스와 같은 연금술사들은 증류와 같은 중요한 기술을 개발했다. 연금술은 이슬람 정복 이후 아랍 세계에서 계속 발전했으며,[46] 라틴어 번역을 통해 중세와 르네상스 시대 유럽으로 전파되었다. 자비르 이븐 하이얀은 화학 물질을 체계적으로 분류하고, 유기 화합물로부터 염화암모늄과 같은 무기 화합물을 얻는 방법을 제시했다.[48] 13세기 유럽에서는 가명 게베르로 알려진 익명의 저술가가 연금술과 야금술에 관한 저술을 남겼다.[50] 알비루니[51]와 아비케나[52]와 같은 영향력 있는 무슬림 철학자들은 연금술 이론, 특히 금속 변환 이론에 대해 비판적인 관점을 제시했다.

16세기에 게오르기우스 아그리콜라는 데 레 메탈리카를 출판하여 광석 채굴, 금속 추출 과정을 상세히 설명하고, 야금술의 발전에 크게 기여했다. 그는 "야금술의 아버지"이자 지질학의 창시자로 여겨진다.[54][55][56]

2. 2. 17세기와 18세기: 초기 화학



17세기와 18세기에는 초기 화학이 발전하기 시작했다. 영국의 화학자 로버트 보일 (Robert Boyle, 1627-1691)은 연금술에 대한 현대의 과학적 방법을 정제하고 화학을 연금술과 분리한 것으로 평가받는다.[29] 그는 1662년에 보일의 법칙(온도만 일정하게 유지된다면 기체의 절대 압력과 부피가 반비례함)을 제시했다. 또한 1661년에는 화학 분야의 초석으로 간주되는 《회의적인 화학자》를 저술했다.[29] 이 책에서 보일은 모든 현상이 움직이는 입자의 충돌 결과라는 가설을 제시하고, 화학자들에게 실험을 통해 지구, 화염, 공기, 물 같은 고전적인 4가지 원소만으로 화학 원소를 제한하는 것을 거부하도록 촉구했다. 그는 화학이 의학이나 연금술에 종속되지 않고 과학의 지위로 부상해야 한다고 주장하며, 과학 실험에 대한 엄격한 접근 방식을 강조했다. 보일은 모든 이론이 사실로 간주되기 전에 실험적으로 입증되어야 한다고 믿었으며, 이는 원자, 분자 및 화학 반응의 가장 초기 현대적인 아이디어를 포함하여 현대 화학 역사의 시작을 알리는 계기가 되었다.

2. 3. 근대 화학의 성립



근대 화학은 17세기 이후 실험을 통한 정량적 연구로 발전하기 시작했다.[82] 18세기 말 앙투안 라부아지에는 질량 보존의 법칙을 명확히 하고 새로운 화학 명명법 체계를 개발하여 화학을 이론적 토대 위에 확립했다.[59] 19세기에 들어서면 존 돌턴의 현대 원자 이론을 통해 원자, 분자의 재배열이 화학 반응의 본질임이 이해되기 시작했다.[82]

17세기 로버트 보일은 연금술에서 벗어나 화학을 과학의 지위로 격상시키려 노력했다. 그는 보일의 법칙을 공식화하고, 회의적인 화학자에서 엄격한 실험을 통해 사실로 입증된 이론만을 받아들여야 한다고 주장했다.[29]

18세기에는 조지프 프리스틀리와 칼 빌헬름 셸레가 산소를 분리하고, 헨리 캐번디시가 수소를 발견하는 등 중요한 발견들이 이어졌다. 게오르크 에른스트 슈탈의 플로지스톤 이론은 앙투안 라부아지에에 의해 뒤집혔다.[59]

19세기 초 험프리 데이비는 볼타 전지를 이용하여 알칼리 금속을 포함한 새로운 원소들을 발견했다.[60] 윌리엄 프라우트는 원자량으로 원소를 정렬하는 것을 제안했고, J.A.R. 뉴랜즈의 초기 원소 주기율표는 드미트리 멘델레예프 등에 의해 현대 주기율표로 발전되었다.[63][64][65] 윌리엄 램지는 비활성 기체를 발견하여 주기율표의 기본 구조를 완성했다.

유기 화학은 프리드리히 뵐러의 요소 합성을 시작으로 유스투스 폰 리비히 등에 의해 발전되었다.[66] 에드워드 프랭클랜드는 원자가 결합에 대한 이해(1852년)를, J. W. 기브스와 스반테 아레니우스는 화학에 대한 열역학의 적용(1870년대)을 통해 화학 발전에 기여했다.

[[File:https://cdn.onul.works/wiki/source/194dc6658e9_576f1062.svg|right|upright|thumb|''위:'' 예상 결과: 원자의 건포도 푸딩 모형을 통과하는 알파 입자는 방해받지 않고 통과한다.


''아래:'' 관측 결과: 입자의 일부는 휘어졌는데, 이는 작고 집중된 전하를 나타낸다.]]

20세기 초, J.J. 톰슨의 전자 발견(1897년)과 어니스트 러더퍼드의 원자핵 발견 등 원자 구조에 대한 이해가 깊어지면서 화학의 이론적 기초가 확립되었다. 닐스 보어, 헨리 모즐리, 오토 한 등은 원자 구조 연구를 통해 핵화학의 발전을 이끌었다. 라이너스 폴링과 길버트 N. 루이스는 화학 결합과 분자 궤도 이론을 개발했다.

20세기에 들어서면서 화학 결합의 성질이 양자역학으로 설명되었고,[151] 이는 오늘날 화학의 중심 원리가 되었다.[82] 유기 화학과 고분자 화학의 발전은 생물학과의 경계를 허물고, 새로운 물질 합성을 통해 산업 발전에 기여했지만, 동시에 공해 문제와 같은 새로운 과제를 안겨주었다.[93]

2. 4. 20세기 이후의 발전

20세기 초, 어니스트 러더퍼드의 원자핵 모델은 화학 반응이 원자와 전자의 상호 작용에 기초한다는 것을 밝혔고,[151] 이는 화학 반응의 중심 원리에 대한 이해를 돕는 데 크게 기여했다. 캠브리지 대학교의 J.J. 톰슨이 전자를 발견하고, 앙리 베크렐, 피에르 퀴리와 마리 퀴리 부부가 방사능 현상을 조사하면서 원자의 내부 구조에 대한 이해가 깊어졌다.[67] 러더퍼드는 맨체스터 대학교에서 일련의 산란 실험을 통해 원자 내부 구조와 양성자의 존재를 발견하고, 다양한 유형의 방사능을 분류, 설명했으며, 질소에 알파 입자를 충돌시켜 최초로 원소를 변환하는 데 성공했다.[67]

''위:'' 예상 결과: 원자의 건포도 푸딩 모형을 통과하는 알파 입자는 방해받지 않고 통과한다.
''아래:'' 관측 결과: 입자의 일부는 휘어졌는데, 이는 작고 집중된 전하를 나타낸다.


이러한 발견은 닐스 보어, 헨리 모즐리, 오토 한과 같은 과학자들에 의해 더욱 발전되었으며, 특히 오토 한은 핵분열을 발견하여 핵화학의 아버지로 불리게 되었다. 화학 결합과 분자 궤도의 전자 이론은 라이너스 폴링과 길버트 N. 루이스에 의해 개발되어,[67] 화학 결합의 성질이 양자역학으로 지배되는 전자의 거동(분자 궤도 및 에너지 준위)에 기인한다는 것이 밝혀졌다.[151]

유기 화학과 고분자 화학도 20세기에 큰 발전을 이루어, 생물학과의 경계 영역에서 많은 발전을 가져왔고, 산업 사회 발전의 기반이 되는 다양한 물질 합성에 기여했다.[82] 이는 프리드리히 뵐러의 요소 합성에 이어 유스투스 폰 리비히 등에 의해 발전되었다.[66]

2011년은 유엔에 의해 국제 화학의 해로 선포되었다.[67]

2. 5. 한국 화학의 역사

금(金)은 인간이 발견한 최초의 기록된 금속으로 보이며, 스페인 동굴에서 구석기(舊石器) 후기(BC 40,000)에 소량의 천연 금이 발견되었다. 은(銀), 구리(銅), 주석(朱錫) 및 유성 철(鐵) 또한 고대 문화에서 발견되었으며, 일부 제한된 양의 금속 가공을 허용하였다. 기원전 3000년경 유성 철제로 만든 이집트 무기는 "천국의 단검(天國短劍)"으로 높이 평가받았다.

막말부터 메이지 초기까지 일본에서는 화학을 세이미(舎密)라고 불렀다. 세이미는 화학을 의미하는 라틴어계 네덜란드어 케미/Chemienl(이 단어 자체의 의미는 “과학”)의 음역이다.[152]

일본에서 최초로 근대 화학을 소개하는 책이 된 것은 에도 시대의 우다가와 요안(宇田川榕菴)의 『세이미카이소』(舎密開宗)이다. 원저는 영국의 화학자 윌리엄 헨리(William Henry)가 1801년에 출판한 ''An Epitome of Chemistry''이다. 우다가와 요안은 이러한 출판에 임하여, 당시 일본어로 존재하지 않았던 학술 용어에 새로운 조어를 만들어 번역했다. 산소, 수소, 질소, 탄소와 같은 원소 이름이나 산화, 환원, 용해, 분석과 같은 화학 용어는 우다가와 요안에 의해 고안된 조어이다.[153]

“화학”이라는 단어는 가와모토 코우민(川本幸民)이 저서 『화학신서』(化学新書)(1861년)에서 처음으로 사용했고, 후에 메이지 정부가 공식적으로 채택했다. 이는 다른 학문 용어와 마찬가지로 일본에서 중국 등으로 전해진 일본식 한자어 중 하나로 여겨져 왔지만,[154] 최근에는 중국어에서 차용한 단어라고 여겨지고 있다.[155] 중국에서는 “화학”이라는 단어가 묵해서관(墨海書館)이 발행한 월간지 『』의 1857년 호가 처음 등장했다.[156]

3. 주요 개념

현재 원자 구조의 모델은 양자역학적 모델이다.[13] 전통적인 화학은 소립자, 원자, 분자,[14] 물질, 금속, 결정 및 기타 물질의 응집체 연구로 시작된다. 물질은 고체, 액체, 기체 및 플라스마 상태로 단독 또는 조합하여 연구될 수 있다. 화학에서 연구되는 상호 작용, 반응 및 변환은 일반적으로 원자 간의 상호 작용의 결과이며, 이는 원자들을 함께 유지하는 화학 결합의 재배열로 이어진다. 이러한 행동은 화학 실험실에서 연구된다.

화학 반응은 일부 물질이 하나 이상의 다른 물질로 변환되는 것이다.[15] 이러한 화학적 변환의 기초는 원자 사이의 화학 결합에서 전자의 재배열이다. 이것은 일반적으로 원자를 주어로 하는 화학 반응식을 통해 상징적으로 묘사될 수 있다. 화학적 변환에 대한 방정식에서 왼쪽과 오른쪽의 원자 수는 같다. (양쪽의 원자 수가 같지 않으면 변환은 핵반응 또는 방사성 붕괴로 지칭된다.) 물질이 겪을 수 있는 화학 반응의 유형과 이와 함께할 수 있는 에너지 변화는 화학 법칙으로 알려진 특정 기본 규칙에 의해 제약을 받는다.

에너지와 엔트로피 고려 사항은 거의 모든 화학 연구에서 항상 중요하다. 화학 물질은 그들의 구조, 상, 그리고 화학 조성으로 분류된다. 예를 들어 분광법과 크로마토그래피와 같은 화학 분석 도구를 사용하여 분석할 수 있다. 화학 연구에 종사하는 과학자는 화학자로 알려져 있다.[16] 대부분의 화학자는 하나 이상의 하위 분야를 전문으로 한다. 화학 연구에 필수적인 몇 가지 개념이 있으며, 그중 일부는 다음과 같다.[17]

'''물질'''

화학에서 물질은 정지 질량과 부피(공간을 차지함)를 가지고 있으며 입자로 구성된 어떤 것이든 정의된다.[18] 물질을 구성하는 입자들 또한 정지 질량을 가지고 있다. 모든 입자가 정지 질량을 가지는 것은 아니다. 광자와 같은 경우가 그렇다. 물질은 순수한 화합물 또는 여러 물질의 혼합물일 수 있다.[18]

'''원자와 원소'''

과거 화학에서는 더 이상 나뉘지 않는 기초적인 요소가 존재한다고 믿었는데, 이 기초적인 요소를 원자라 한다. 원자는 물질을 구성하는 기본적인 입자로, 고대 그리스의 데모크리토스가 처음 그 존재를 주장하였고, 1803년 존 돌턴이 원자론으로 정립하였다. 20세기 초, 화학자들은 원자를 구성하는 더 작은 입자인 전자, 양성자, 중성자를 발견하였다. 전자는 음전하, 양성자는 양전하를 띠며, 중성자는 전하를 띠지 않는다. 원자는 양성자와 중성자로 구성된 원자핵을 중심으로 전자가 원자 궤도를 이루며 분포한다.[160]

원소는 일반적인 화학적, 물리학적 방법으로 분해되지 않는 물질을 의미한다.[161] 원소는 원자핵 속 양성자 수로 정의되는 원자 번호로 구별된다. 산소, 황, 주석, 철 등은 원소의 예시이다. 19세기 중엽까지 약 80가지의 원소가 발견되었으며, 이들은 주기율에 따라 배열될 수 있다.[160]

화학 원소들의 주기율표 표준 형태. 색상은 원소의 서로 다른 구역을 나타냅니다.


화학에서 물질의 기본 단위는 원자이며,원자가 지닌 다양한 성질을 추상적인 개념인 「원소」[98]로 파악한다. 원자론이 확립된 현대에는, 원자핵( 양성자·중성자) 및 전자까지의 원자 구조에서 원자 번호, 질량수, 기본 전하, 이온, 동위 원소 등을 결정하여 각 원소의 성질을 이해한다.[99]

원자의 주기적 성질(주기율)은 초기 화학의 중요한 발견 중 하나이다.[100] 전자 배치로부터 각 원소의 이온화 에너지, 전기 음성도, 산화수, 원자 반지름, 이온 반지름 등의 특징이 이론적으로 설명된다.[101] 이 주기율을 정리한 주기율표는 화학의 바이블이라고도 불린다.[100]

원소의 성질은 화학에서 양자역학과 통계역학이 다룬다. 주기율은 양자역학의 성립과 함께 그 본질이 명확해졌다.[88] 원자 내 전자 배치는 보어의 원자 모형으로는 한계가 있어,[102] 파동역학의 파울리의 배타 원리와 파동 함수[103], 그리고 전자의 에너지 준위로 설명된다.[101]

'''화합물'''

''화합물''은 두 가지 이상의 원소로 구성된 순수한 화학 물질이다. 화합물의 성질은 그 원소들의 성질과 거의 유사하지 않다. 화합물의 표준 명명법은 국제순수 및 응용화학연합(IUPAC)에서 설정한다. 유기 화합물은 유기 화합물 명명법 시스템에 따라 명명된다.[19] 무기 화합물의 이름은 무기 화합물 명명법 시스템에 따라 만들어진다. 화합물에 두 가지 이상의 성분이 있는 경우, 양이온과 음이온 성분의 두 가지 종류로 나뉜다.[20] 또한 화학추상서비스(CAS)는 화학 물질을 색인하는 방법을 고안했다. 이 체계에서 각 화학 물질은 CAS 등록번호라고 알려진 번호로 식별할 수 있다.

'''분자와 화학 반응'''

물 분자


분자(分子)는 원자의 결합체 중 독립 입자로 작용하는 단위체이다. 원자가 원소의 최소 단위이듯, 분자는 화합물의 최소 단위가 된다. 원자가 결합될 때 전자의 재배치가 일어나는데, 이는 화학의 중요한 관심사 중 하나이다.[160]

화학 반응은 원자 혹은 분자가 화학적 변화를 겪는 일로, 원자 간의 결합이 끊어지고 다시 이어지는 것을 포함한다. 결합이 끊어질 때는 에너지가 흡수되고, 결합이 이어질 때는 에너지가 방출된다. 수소와 산소가 반응하여 물이 되는 반응은 발열반응의 예시이며, 반응식은 다음과 같다.

::2 H2 + 2 O → 2 H2O

::ΔH = - 572kJ

반응식에서 ΔH는 엔탈피 변화를 뜻하며, 음수 값은 발열반응을 나타낸다.[160]

화학 결합(化學結合)은 이온 결합, 공유 결합, 금속 결합으로 나눌 수 있다. 이온 결합은 양전하와 음전하의 전기적 인력으로 생성되는 결합이다. 예를 들어 염화 나트륨은 나트륨 이온(Na+)과 염화 이온(Cl-) 사이의 전기적 결합으로 이루어진다. 공유 결합은 원자들이 전자쌍을 공유하여 생성되는 결합이다.[160] 결합 에너지만큼의 에너지를 가하면 공유 결합은 끊어질 수 있다.[162] 금속 결합은 금속 원자에서 전자가 떨어져 나와 자유 전자를 생성하여 이루어진다.

화합물(化合物)은 구성 원자의 종류, 수, 배치에 따라 특성이 결정된다. 자연에 존재하거나 인공적으로 합성할 수 있는 화합물의 수는 방대하며, 대부분은 유기 화합물이다. 탄소는 긴 사슬 형태로 정렬될 수 있고, 수많은 이성질체를 형성할 수 있다.[160]

이산화탄소
(CO2)

카페인(C8H10N4O2) 분자의 구슬막대기 모형


벤젠(C6H6) 분자의 2차원 구조식


나트륨(Na)과 염소(Cl)가 이온 결합을 통해 염화나트륨(소금)을 형성하는 과정


메탄(CH4) 분자에서 탄소 원자는 네 개의 수소 원자 각각과 원자가 전자쌍을 공유한다.


화학 반응 동안 원자 사이의 결합이 끊어지고 형성되어 서로 다른 성질을 가진 다른 물질이 생성된다.


염화칼륨(KCl)의 결정 격자 구조


브롬화수소는 기체 상태에서 이원자 분자로 존재한다.


'''몰'''

몰은 물질량(화학적 양)을 나타내는 단위이다. 1몰은 정확히 6.02214076 ×1023개의 입자(원자, 분자, 이온 또는 전자)를 포함하도록 정의되며, 몰당 입자 수는 아보가드로 상수로 알려져 있다. 몰농도는 용액의 부피당 특정 물질의 양이며, 일반적으로 mol/dm3로 표시된다.

'''상'''

서로 다른 화학적 분류를 구분하는 특정 화학적 특성 외에도, 화학 물질은 여러 상으로 존재할 수 있다. 대부분의 경우 화학적 분류는 이러한 벌크 상 분류와 독립적이지만, 일부 더 특이한 상은 특정 화학적 특성과 양립할 수 없다. ''상''은 압력이나 온도와 같은 조건의 범위에 걸쳐 유사한 벌크 구조적 특성을 갖는 화학 시스템의 상태 집합이다.

밀도와 굴절률과 같은 물리적 특성은 상의 특징적인 값 내에 속하는 경향이 있다. 물질의 상은 ''상전이''에 의해 정의되며, 이는 시스템에 투입되거나 시스템에서 제거되는 에너지가 벌크 조건을 변경하는 대신 시스템의 구조를 재배열하는 데 사용되는 경우이다.

때때로 상 사이의 구분은 불연속 경계를 갖는 대신 연속적일 수 있다. 이 경우 물질은 초임계 상태에 있는 것으로 간주된다. 조건에 따라 세 가지 상태가 만나는 경우 삼중점으로 알려져 있으며, 이는 불변이기 때문에 조건 집합을 정의하는 편리한 방법이다.

가장 친숙한 상의 예는 고체, 액체 및 기체이다. 많은 물질은 여러 고체 상을 나타낸다. 예를 들어, 온도와 압력에 따라 다양한 세 가지 고체 철 상(알파, 감마 및 델타)이 있다. 고체 상의 주요 차이점은 원자의 결정 구조 또는 배열이다. 화학 연구에서 일반적으로 접하는 또 다른 상은 수용액(즉, 물 속)에 용해된 물질의 상태인 ''수용액'' 상이다.

덜 친숙한 상에는 플라스마, 보스-아인슈타인 응축물 및 페르미온 응축물과 상자성 및 강자성 자석 재료의 상이 포함된다. 가장 친숙한 상은 3차원 시스템을 다루지만, 생물학 시스템과의 관련성으로 주목을 받은 2차원 시스템의 유사체를 정의하는 것도 가능하다.

'''화학 결합'''

분자 또는 결정 내에서 원자들이 서로 결합되어 있는 것을 말한다. 화학 결합은 원자핵 내의 양전하와 그 주위를 진동하는 음전하 사이의 다극 균형으로 시각화할 수 있다.[23] 단순한 인력과 척력 이상으로, 에너지와 분포는 다른 원자와 결합할 수 있는 전자의 가용성을 특징짓는다.

화학 결합은 공유 결합, 이온 결합, 수소 결합 또는 단순히 반데르발스 힘 때문일 수 있다. 이러한 각 결합 유형은 특정 퍼텐셜에 기인한다. 이러한 퍼텐셜은 분자 또는 결정에서 원자들을 함께 유지하는 상호 작용을 만든다. 많은 간단한 화합물에서 원자가 결합 이론, 원자가 껍질 전자쌍 반발 모형(VSEPR), 및 산화수의 개념을 사용하여 분자 구조와 조성을 설명할 수 있다.

이온 결합은 금속이 하나 이상의 전자를 잃어 양전하를 띤 양이온이 되고, 이 전자들이 비금속 원자에 의해 얻어져 음전하를 띤 음이온이 될 때 형성된다. 두 개의 반대 전하를 띤 이온은 서로 끌어당기며, 이온 결합은 그들 사이의 정전기적 인력이다. 예를 들어, 금속인 나트륨(Na)은 한 개의 전자를 잃어 Na+ 양이온이 되는 반면, 비금속인 염소(Cl)는 이 전자를 얻어 Cl−이 된다. 이온들은 정전기적 인력으로 인해 결합되어 염화나트륨(NaCl) 또는 일반적인 소금이 형성된다.

'''에너지'''

화학적 맥락에서 에너지는 물질의 원자, 분자, 또는 응집된 구조의 결과로서 물질의 속성이다. 화학적 변환은 이러한 구조 중 하나 이상의 변화를 수반하므로, 관련 물질의 증가 또는 감소를 항상 수반한다. 어떤 에너지는 열 또는 빛의 형태로 반응의 주변 환경과 반응물 사이에서 전달된다. 따라서 반응의 생성물은 반응물보다 에너지가 더 많거나 적을 수 있다.

반응은 최종 상태가 초기 상태보다 에너지 척도에서 낮으면 발열 반응이라고 한다. 흡열 반응의 경우는 그 반대이다. 반응이 주변 환경으로 열을 방출하면 발열 반응이라고 하고, 흡열 반응의 경우에는 반응이 주변 환경에서 열을 흡수한다.

화학 반응은 반응물이 활성화 에너지라고 알려진 에너지 장벽을 극복하지 않는 한 불가능하다. 주어진 온도 T에서 화학 반응의 '속도'는 볼츠만 분포 인자 e^{-E/kT} 에 의해 활성화 에너지 E와 관련된다. 즉, 주어진 온도 T에서 분자가 E 이상의 에너지를 가질 확률이다. 반응 속도의 온도에 대한 이러한 지수 함수적 의존성은 아레니우스 방정식으로 알려져 있다.

화학 반응이 일어나는 데 필요한 활성화 에너지는 열, 빛, 전기 또는 초음파 형태의 기계적 힘의 형태일 수 있다.[24]

엔트로피 고려 사항도 포함하는 관련 개념인 자유 에너지는 화학 열역학에서 반응의 실현 가능성을 예측하고 화학 반응의 평형 상태를 결정하는 매우 유용한 수단이다. 반응은 깁스 자유 에너지의 총 변화가 음수일 때만 실현 가능하다. \Delta G \le 0 \,; 0과 같으면 화학 반응은 평형 상태에 있다고 한다.

전자, 원자 및 분자에는 제한된 에너지 상태만 존재한다. 이들은 양자 역학의 규칙에 의해 결정되며, 이는 결합 시스템의 에너지의 양자화를 요구한다. 더 높은 에너지 상태에 있는 원자/분자는 들뜬 상태라고 한다. 들뜬 에너지 상태에 있는 물질의 분자/원자는 종종 훨씬 더 반응성이 높다. 즉, 화학 반응에 더 잘 반응한다.

물질의 상은 항상 그 에너지와 주변 환경의 에너지에 의해 결정된다. 물질의 분자간 힘이 주변 환경의 에너지가 이를 극복하기에 충분하지 않을 때, 물(H2O)의 경우와 같이 액체 또는 고체와 같은 더 정돈된 상으로 존재한다. 분자가 수소 결합으로 결합되어 있기 때문에 상온에서 액체이다.[25] 반면 황화수소(H2S)는 분자가 더 약한 쌍극자-쌍극자 상호 작용으로 결합되어 있기 때문에 상온 및 표준 압력에서 기체이다.

한 화학 물질에서 다른 화학 물질로의 에너지 전달은 한 물질에서 방출되는 에너지 양자의 '크기'에 따라 달라진다. 그러나 열 에너지는 거의 모든 물질에서 다른 물질로 더 쉽게 전달되는 경우가 많다. 물질의 진동 및 회전 에너지 준위를 담당하는 포논이 전자 에너지 전달에 사용되는 광자보다 에너지가 훨씬 적기 때문이다. 따라서 진동 및 회전 에너지 준위가 전자 에너지 준위보다 더 밀집되어 있기 때문에 열은 빛이나 다른 형태의 전자 에너지보다 물질 사이에서 더 쉽게 전달된다. 예를 들어, 자외선 전자기 방사선은 열 에너지나 전기 에너지처럼 한 물질에서 다른 물질로 효율적으로 전달되지 않는다.

'''화학 반응'''

한 화학 물질이 다른 물질 또는 에너지와의 상호 작용으로 인해 변형될 때, 화학 반응이 일어났다고 합니다. 따라서 ''화학 반응''은 혼합물이나 용액으로서 다른 물질과 밀접하게 접촉할 때, 또는 어떤 형태의 에너지에 노출될 때, 또는 둘 다일 때 물질의 "반응"과 관련된 개념입니다. 이는 반응 구성 요소 간뿐 아니라 시스템 환경과도 일부 에너지 교환을 초래하며, 이 환경은 종종 실험실 유리 기구와 같은 설계된 용기일 수 있습니다.

화학 반응은 분자의 형성 또는 해리를 초래할 수 있습니다. 즉, 분자가 둘 이상의 분자를 형성하도록 분해되거나 분자 내 또는 분자 간에 원자가 재배열될 수 있습니다. 화학 반응에는 일반적으로 화학 결합의 생성 또는 파괴가 수반됩니다. 산화, 환원, 해리, 산-염기 중화 및 분자 전위는 일반적인 화학 반응의 몇 가지 예입니다.

화학 반응은 화학 반응식을 통해 기호적으로 묘사될 수 있습니다. 비핵 화학 반응의 경우 방정식 양쪽의 원자의 수와 종류는 같지만, 핵 반응의 경우에는 양성자와 중성자와 같은 핵 입자에 대해서만 이것이 사실입니다.[26]

화학 반응 과정에서 화학 결합의 재배열이 일어날 수 있는 단계들의 순서는 메커니즘이라고 합니다. 화학 반응은 여러 단계로 일어나는 것으로 생각할 수 있으며, 각 단계는 서로 다른 속도를 가질 수 있습니다. 따라서 반응 과정에서 안정성이 다른 많은 반응 중간체가 예상될 수 있습니다. 반응 메커니즘은 반응의 속도론과 상대적인 생성물 혼합물을 설명하기 위해 제안됩니다. 많은 물리화학자들은 다양한 화학 반응의 메커니즘을 탐구하고 제안하는 것을 전문으로 합니다. 우드워드-호프만 규칙과 같은 여러 경험적 규칙은 화학 반응의 메커니즘을 제안할 때 종종 유용합니다.

IUPAC 골드북에 따르면, 화학 반응은 "화학 종의 상호 전환을 초래하는 과정"입니다.[27] 따라서 화학 반응은 기본 반응 또는 단계적 반응일 수 있습니다. 추가적으로, 이 정의에는 콘포머의 상호 전환이 실험적으로 관찰 가능한 경우가 포함됩니다. 이러한 감지 가능한 화학 반응은 일반적으로 이 정의에 따라 나타낸 분자 개체 집합을 포함하지만, 단일 분자 개체(즉, '미시적 화학 사건')를 포함하는 변화에도 종종 개념적으로 편리하게 용어를 사용합니다.

'''이온'''

''이온''은 전하를 띤 종으로, 하나 이상의 전자를 잃거나 얻은 원자 또는 분자이다. 원자가 전자를 잃어 양성자 수가 전자 수보다 많으면, 그 원자는 양전하를 띤 이온 또는 양이온이다. 원자가 전자를 얻어 전자 수가 양성자 수보다 많으면, 그 원자는 음전하를 띤 이온 또는 음이온이다. 양이온과 음이온은 NaCl과 같이 Na+와 Cl− 이온이 형성하는 중성 염의 결정 격자를 형성할 수 있다. 다원자 이온의 예로는 산-염기 반응에서 분리되지 않는 수산화물(OH−)과 인산염(PO43−)이 있다.

플라즈마는 일반적으로 고온을 통해 완전히 이온화된 기체 물질로 구성된다.

'''산-염기 반응'''

물질은 종종 산 또는 염기로 분류될 수 있다. 산-염기 거동을 설명하는 여러 가지 이론이 있다. 가장 간단한 것은 아레니우스 이론으로, 산은 물에 용해될 때 히드로늄 이온을 생성하는 물질이고, 염기는 물에 용해될 때 수산화 이온을 생성하는 물질이라고 명시한다. 브뢴스테드-로우리 산-염기 이론에 따르면, 산은 화학 반응에서 다른 물질에 양성자 수소 이온을 기증하는 물질이며, 따라서 염기는 그 수소 이온을 받는 물질이다.

세 번째 일반적인 이론은 새로운 화학 결합의 형성을 기반으로 하는 루이스 산-염기 이론이다. 루이스 이론은 산은 결합 형성 과정에서 다른 물질로부터 전자쌍을 받아들일 수 있는 물질이고, 염기는 새로운 결합을 형성하기 위해 전자쌍을 제공할 수 있는 물질이라고 설명한다. 이 개념의 역사에서 알 수 있듯이, 물질을 산 또는 염기로 분류할 수 있는 여러 가지 다른 방법이 있다.[28]

산의 세기는 일반적으로 두 가지 방법으로 측정된다. 산도에 대한 아레니우스 정의를 기반으로 한 하나의 측정은 음의 로그 눈금으로 표현된 용액의 히드로늄 이온 농도를 측정하는 pH이다. 따라서 pH가 낮은 용액은 히드로늄 이온 농도가 높으며 더 산성이라고 할 수 있다. 브뢴스테드-로우리 정의를 기반으로 한 다른 측정은 산 해리 상수(Ka)로, 브뢴스테드-로우리 정의에 따른 산으로 작용하는 물질의 상대적 능력을 측정한다. 즉, Ka가 더 높은 물질은 Ka 값이 더 낮은 물질보다 화학 반응에서 수소 이온을 기증할 가능성이 더 높다.

'''화학 평형'''

화학의 맥락에서 평형이라는 개념은 여러 가지 화학적 조성 상태가 가능할 때마다 나타납니다. 예를 들어, 서로 반응할 수 있는 여러 화합물의 혼합물이거나, 어떤 물질이 두 가지 이상의 상으로 존재할 수 있는 경우입니다.

화학 물질계의 평형 상태는 조성이 변하지 않더라도 대부분 정적이 아닙니다. 물질의 분자는 계속해서 서로 반응하여 동적 평형을 이룹니다. 따라서 이 개념은 화학 조성과 같은 매개변수가 시간이 지남에 따라 변하지 않는 상태를 설명합니다.

'''화학 법칙'''

화학 반응은 특정 법칙에 따라 지배되며, 이 법칙들은 화학의 기본 개념이 되었다. 그중 일부는 다음과 같다.

  • 아보가드로의 법칙
  • 비어-람베르트 법칙
  • 보일의 법칙 (1662년, 압력과 부피의 관계)
  • 샤를의 법칙 (1787년, 부피와 온도의 관계)
  • 픽의 확산 법칙
  • 게이-뤼삭의 법칙 (1809년, 압력과 온도의 관계)
  • 르 샤틀리에의 원리
  • 헨리의 법칙
  • 헤스의 법칙
  • 에너지 보존 법칙은 평형, 열역학, 그리고 반응 속도론의 중요한 개념으로 이어진다.
  • 질량 보존 법칙은 현대 물리학에서도 고립계에서는 계속 보존된다. 그러나 특수 상대성 이론은 질량-에너지 등가 원리에 따라 고립계가 아닌 계에서 비물질적인 "에너지"(열, 빛, 운동 에너지)가 제거될 때, 어떤 질량이 함께 손실된다는 것을 보여준다. 고에너지 손실은 측정 가능한 양의 질량 손실을 초래하며, 이는 핵화학에서 중요한 주제이다.
  • 일정 성분비의 법칙
  • 배수 비례의 법칙
  • 라울의 법칙


3. 1. 원자와 원소

과거 화학에서는 더 이상 나뉘지 않는 기초적인 요소가 존재한다고 믿었는데, 이 기초적인 요소를 원자라 한다. 원자는 물질을 구성하는 기본적인 입자로, 고대 그리스의 데모크리토스가 처음 그 존재를 주장하였고, 1803년 존 돌턴이 원자론으로 정립하였다. 20세기 초, 화학자들은 원자를 구성하는 더 작은 입자인 전자, 양성자, 중성자를 발견하였다. 전자는 음전하, 양성자는 양전하를 띠며, 중성자는 전하를 띠지 않는다. 원자는 양성자와 중성자로 구성된 원자핵을 중심으로 전자가 원자 궤도를 이루며 분포한다.[160]

원소는 일반적인 화학적, 물리학적 방법으로 분해되지 않는 물질을 의미한다.[161] 원소는 원자핵 속 양성자 수로 정의되는 원자 번호로 구별된다. 산소, 황, 주석, 철 등은 원소의 예시이다. 19세기 중엽까지 약 80가지의 원소가 발견되었으며, 이들은 주기율에 따라 배열될 수 있다.[160]

화학에서 물질의 기본 단위는 원자이며,원자가 지닌 다양한 성질을 추상적인 개념인 「원소」[98]로 파악한다. 원자론이 확립된 현대에는, 원자핵( 양성자·중성자) 및 전자까지의 원자 구조에서 원자 번호, 질량수, 기본 전하, 이온, 동위 원소 등을 결정하여 각 원소의 성질을 이해한다.[99]

원자의 주기적 성질(주기율)은 초기 화학의 중요한 발견 중 하나이다.[100] 전자 배치로부터 각 원소의 이온화 에너지, 전기 음성도, 산화수, 원자 반지름, 이온 반지름 등의 특징이 이론적으로 설명된다.[101] 이 주기율을 정리한 주기율표는 화학의 바이블이라고도 불린다.[100]

원소의 성질은 화학에서 양자역학과 통계역학이 다룬다. 주기율은 양자역학의 성립과 함께 그 본질이 명확해졌다.[88] 원자 내 전자 배치는 보어의 원자 모형으로는 한계가 있어,[102] 파동역학의 파울리의 배타 원리와 파동 함수[103], 그리고 전자의 에너지 준위로 설명된다.[101]

3. 2. 분자와 화학 반응



분자(分子)는 원자의 결합체 중 독립 입자로 작용하는 단위체이다. 원자가 원소의 최소 단위이듯, 분자는 화합물의 최소 단위가 된다. 원자가 결합될 때 전자의 재배치가 일어나는데, 이는 화학의 중요한 관심사 중 하나이다.[160]

화학 반응은 원자 혹은 분자가 화학적 변화를 겪는 일로, 원자 간의 결합이 끊어지고 다시 이어지는 것을 포함한다. 결합이 끊어질 때는 에너지가 흡수되고, 결합이 이어질 때는 에너지가 방출된다. 수소와 산소가 반응하여 물이 되는 반응은 발열반응의 예시이며, 반응식은 다음과 같다.

::2 H2 + 2 O → 2 H2O

::ΔH = - 572kJ

반응식에서 ΔH는 엔탈피 변화를 뜻하며, 음수 값은 발열반응을 나타낸다.[160]

화학 결합(化學結合)은 이온 결합, 공유 결합, 금속 결합으로 나눌 수 있다. 이온 결합은 양전하와 음전하의 전기적 인력으로 생성되는 결합이다. 예를 들어 염화 나트륨은 나트륨 이온(Na+)과 염화 이온(Cl-) 사이의 전기적 결합으로 이루어진다. 공유 결합은 원자들이 전자쌍을 공유하여 생성되는 결합이다.[160] 결합 에너지만큼의 에너지를 가하면 공유 결합은 끊어질 수 있다.[162] 금속 결합은 금속 원자에서 전자가 떨어져 나와 자유 전자를 생성하여 이루어진다.

화합물(化合物)은 구성 원자의 종류, 수, 배치에 따라 특성이 결정된다. 자연에 존재하거나 인공적으로 합성할 수 있는 화합물의 수는 방대하며, 대부분은 유기 화합물이다. 탄소는 긴 사슬 형태로 정렬될 수 있고, 수많은 이성질체를 형성할 수 있다.[160]

(CO2)

4. 화학의 분야

화학은 취급 대상 및 대상의 취급 방법에 따라서 몇 가지 분과(分科)로 구분될 수 있다. 물질을 분석하는 분석화학(分析化學)은 크게 물질의 존재를 취급하는 정성 분석과 물질의 양을 결정하는 정량 분석으로 나눌 수 있다. 탄소를 포함한 유기 화합물(有機化合物)을 다루는 유기화학(有機化學)과 유기 화합물을 제외한 무기 화합물(無機化合物)을 다루는 무기화학(無機化學)도 있다. 물리학(物理學)과 화학의 경계에는 물리화학(物理化學)이 있고 생물학(生物學)과의 경계에는 생화학(生化學)이 있다. 물리화학에서 특히 분자의 구조와 성질과의 관계를 다루는 부분을 구조화학(構造化學)이라고 부르기도 한다. 제2차 세계 대전(第2次世界大戰) 이후에는 방사성 물질을 다루는 방사화학(放射化學)이 발전하였고 화학 공업을 다루는 공업화학(工業化學)도 있다.[163] 이 외에도 화학의 분과는 매우 다양하다.

화학의 분과는 전통적으로 다음과 같은 5가지로 나눌 수 있으며, 각각의 분과는 더욱 세분화될 수 있다.

화학의 실제 활용에서 '''순수 화학'''은 화학의 기본 원리를 연구하는 것이며, '''응용 화학'''은 그 지식을 활용하여 기술을 개발하고 현실 세계의 문제를 해결하는 것이다.

화학은 일반적으로 여러 주요 하위 분야로 나뉜다. 또한 여러 주요 학제 간 분야와 더욱 전문적인 화학 분야가 있다.[68]


  • 분석화학은 물질 샘플을 분석하여 그 화학적 조성과 구조를 이해하는 것이다. 분석화학은 화학에서 표준화된 실험 방법을 통합한다. 이러한 방법은 순수 이론 화학을 제외한 모든 화학 하위 분야에 사용될 수 있다.[69]


  • 생화학은 살아있는 생물체에서 분자 수준에서 일어나는 화학 물질, 화학 반응 및 상호 작용을 연구하는 것이다. 생화학은 의약 화학, 신경 화학, 분자 생물학, 법의학, 식물 과학 및 유전학을 다루는 매우 학제 간적인 분야이다.[71]
  • 무기화학은 금속과 광물과 같은 무기 화합물의 특성과 반응을 연구하는 것이다.[72] 유기 및 무기 분야 간의 구분은 절대적이지 않으며, 특히 유기금속화학 하위 분야에서 상당한 중복이 있다.


  • 재료 화학은 유용한 현재 또는 미래 기능을 가진 고체 상태 구성 요소 또는 장치의 제조, 특성 분석 및 이해이다.[75] 이 분야는 대학원 프로그램에서 새로운 연구 범위이며, 유기 화학, 무기 화학, 결정학과 같은 모든 고전적인 화학 분야의 요소를 통합하여 재료에 고유한 기본적인 문제에 중점을 둔다. 주요 연구 시스템에는 응축상(고체, 액체, 폴리머) 및 서로 다른 상 사이의 계면의 화학이 포함된다.
  • 신경화학은 신경 전달 물질, 펩타이드, 단백질, 지질, 당 및 핵산을 포함한 신경화학물질과 그 상호 작용, 그리고 신경계를 형성, 유지 및 수정하는 데 있어서의 역할을 연구하는 것이다.
  • 핵화학은 원자보다 작은 입자가 모여 핵을 만드는 과정을 연구하는 것이다. 현대 핵 변환은 핵화학의 큰 부분이며, 핵종 표는 이 분야의 중요한 결과이자 도구이다. 의학적 응용 외에도 핵화학은 원자력 공학을 포함하며, 이는 에너지 생산을 위한 원자력 원천의 사용에 대한 주제를 탐구한다.[76][77]


  • 유기화학은 유기 화합물의 구조, 특성, 조성, 메커니즘 및 반응을 연구하는 것이다. 유기 화합물은 탄소 골격을 기반으로 하는 모든 화합물로 정의된다. 유기 화합물은 그들의 작용기, 화합물에서 특징적인 화학적 특성을 나타내는 단위 원자 또는 분자에 따라 반응에서 분류, 구성 및 이해될 수 있다.[79]

4-히드록시부타날은 알데하이드(오른쪽) 작용기와 알코올(왼쪽) 작용기를 가지는 유기 화합물이다.

  • 물리화학은 화학 시스템과 프로세스의 물리적 및 기본적인 기초를 연구하는 것이다. 특히, 그러한 시스템과 프로세스의 에너지 및 역학은 물리 화학자에게 관심의 대상이다. 중요한 연구 분야에는 화학 열역학, 화학 반응 속도론, 전기화학, 통계 역학, 분광법, 그리고 최근에는 천체화학이 포함된다. 물리화학은 분자 물리학과 많은 부분이 중복된다. 물리화학은 방정식을 유도하는 데 미적분학을 사용한다. 일반적으로 양자 화학 및 이론 화학과 관련이 있다. 물리화학은 화학 물리학과는 별개의 학문이지만, 다시 말하지만 매우 강한 중복이 있다.
  • 이론화학은 (보통 수학 또는 물리학 내에서) 기본적인 이론적 추론을 통해 화학을 연구하는 것이다. 특히 양자 역학을 화학에 적용하는 것을 양자 화학이라고 한다. 제2차 세계 대전 이후 컴퓨터의 발전으로 계산 화학의 체계적인 발전이 가능해졌는데, 이는 화학 문제를 해결하기 위해 컴퓨터 프로그램을 개발하고 적용하는 기술이다. 이론 화학은 (이론적 및 실험적) 응축 물질 물리학 및 분자 물리학과 많은 부분이 중복된다.

1927년 솔베이 회의에는 이론 화학 및 물리학 분야의 기초 과학자들이 참석했다. 이 회의에서는 전자와 광자에 대해 논의했다.


다른 하위 분야로는 전기화학, 펨토화학, 향미 화학, 흐름 화학, 면역조직화학, 수소화 화학, 수리화학, 분자 역학, 천연물 화학, 유기금속화학, 석유화학, 광화학, 물리유기화학, 고분자 화학, 방사화학, 음향 화학, 초분자 화학, 합성 화학 등이 있다.

학제 간 연구 분야에는 농화학, 우주화학(및 우주화학), 대기화학, 화학공학, 화학생물학, 화학정보학, 환경화학, 지구화학, 녹색화학, 면역화학, 해양화학, 재료과학, 기계화학, 의약화학, 분자생물학, 나노기술, 양조학, 약리학, 식물화학, 고체화학, 표면과학, 열화학 등이 포함된다.

화학은 연구 방법과 대상 물질의 차이에 따라 많은 분야가 존재한다.[82] 하지만 각 분야 간에는 관련 영역이 존재하기 때문에 명확하게 구분하기는 어렵다. 이하에 대표적인 예를 든다.

; 물리화학

: 물리화학은 물리학적 이론과 측정 방법, 예를 들어 열역학이나 양자역학적 방법과 관점에서 화학이 대상으로 하는 물질을 연구하고, 물질 및 그 성질과 반응을 분류하는 기준을 만들고 분류하는[88] 분야이다.[124] 발터 너른스트가 저술한 『이론화학』(독일어: Theoretische Chemie, 1893년)에서 주장한 이론화학도 거의 같은 개념이다.[125] 또한, 컴퓨터의 발전에 따라 이론식으로부터 계산을 통해 물질의 상태를 예측하는 양자화학과 계산화학도 급속히 발전하고 있다.[126] 물리화학의 방법론으로 생물을 대상으로 하는 연구는 생물물리화학이며,[127] 이것을 컴퓨터에 의한 가상적인 체계로 시뮬레이션하는 인공화학도 제안되고 있다.[128]

; 무기화학

: 무기화학은 유기화합물을 제외한 모든 물질, 즉 단체와 무기화합물을 대상으로 하는 넓은 분야이다.[129] 광의로는 착화합물을 다루는 착화합물화학, 생체 내 무기물을 다루는 생체무기화학(또는 무기생화학), 광물화학이나 지구화학, 방사화학, 유기금속화학 등과 경계 영역을 공유하는 경우가 있다.[129]

; 유기화학

: 유기화학은 유기화합물을 다루는 분야이다.[130] 원래는 동물이나 식물 등 생물체의 조직(유기체)을 구성하는 물질을 대상으로 시작하여, 나중에 유기체 이외에서 생성되는 유기화합물도 대상에 포함되어 체계화되었다.[130] 무기화학 분야와는 상호 보완적인 관계에 있다.[129] 다양한 반응을 하기 때문에, 전문적인 분야로 특화되어 있다. 유기합성화학은 목적하는 유기화합물을 얻기 위해 합성 계열과 반응 방법 등을 창안하는 분야이다.[131] 약학과도 밀접한 관계가 있다. 생물학과의 경계 분야는 생물유기화학이라고 불린다. 유기화합물의 구조와 성질의 관계를 연구하는 분야는 유기구조론, 특히 입체 구조에 주목하는 영역은 입체화학으로 나뉜다.[130] 천연에는 존재하지 않는 물질을 합성하여 섬유나 고분자 재료를 제조하기 위한 연구는 유기공업화학이라고 불린다.[130]

; 고분자화학

: 고분자화학은 분자량이 1만에서 수백만에 이르는 매우 큰 분자인 고분자를 다루는 분야이며, 그 화합물은 유기·무기 양쪽을 대상으로 한다.[132] 하지만 실제로는 유기화합물을 다루는 비율이 높다.[132] 합성 방법뿐만 아니라, 기계적 성질이나 열물성 등도 연구 대상으로 하고 있다. 고분자의 재료로서의 중요성 때문에, 공업과의 연관성이 매우 강하다.

; 생화학(생물화학)

: 생화학 또는 생물화학[133]은 생물이나 생명 현상을 화학적인 이론과 실험 방법을 도입하여 연구하는 분야이며,[134] 생물학과 화학 양쪽에 걸쳐 있는 영역이다. 효소의 연구를 중심으로[134] 호르몬 등의 단백질이나 당, 핵산, 지질 등 생체 내 물질군이나, 생체의 에너지 획득과 수송 및 대사 기능 등을 다루는 경우가 많다.[134] 생체고분자를 다루는 경우가 많기 때문에 고분자화학과도 관련된다. 생명 현상을 분자 단위로 연구하는 분자생물학이나 분자유전학을 포함하며, 유전자공학 등에 응용된다.[134] 또한, 조직화학은 세포 등 조직 중 특정 물질이 분포하는 상황을 화학 반응을 이용하여 염색시켜 판단하는 기술을 말하며, 면역조직화학도 그 하나에 포함된다.[135] 위생화학은 물질이 생체에 미치는 영향을 연구하는 예방 약학 분야의 응용에 해당하는 분야이다.[136][137]

; 분석화학·기기분석유기화학·유기합성화학

: 분석화학과 기기분석화학은 다양한 물질을 측정하거나 분리하는 것을 목적으로 하는 실험이나 이론을 연구하는 분야이다.[138] 특히 기기분석화학은 분석화학 중 분석 기기를 이용한 연구 분야이다. 응용성이 강하며, 실험실 수준의 기초 화학부터 공업 제품·임상 검사 등 폭넓은 범위를 대상으로 하며,[138] 식품이나 의약품, 농업, 공업 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 담당하고 있다. 합성화학은 존재할 수 있는 물질을 아는 분야이며,[88] 화학 반응을 이용하여 실제로 물질을 만들어내는 것을 연구·개발하는[139] 분야이며, 촉매화학과 재료화학을 포함한다.[88]

; 응용화학

: 응용화학은 생산과 관련된 다양한 기술이나 공정에 사용되는 물질이나 반응 등을 연구하는 분야이며, 생산하는 종류에 따라 공업화학, 농화학, 약학 등으로 세분화된다.[140] 협의로는 원료를 화학 제품으로 전환하고 목적하는 물질을 얻는 데 필요한 일련의 방법을 대상으로 하는 분야인 공업화학을 가리키며, 일본에서는 공학의 한 분야로서 응용화학과 공업화학은 동의어로 사용되는 경우가 많다.[140][141] 공업화학에서는 새로운 반응이나 촉매의 탐구부터 플랜트의 설계까지 실용상 필요한 폭넓은 사항을 다룬다. 한편, 일본의 대학에 설치되어 있는 화학과와 응용화학과(생명과학부생명과학과·응용생명과학부응용생명과학과)의 교육 내용에는 거의 차이가 없다.[142]

; 환경화학

: 환경화학은 환경(지구라면 수권, 대기권 등)에서 화학 물질의 생성, 반응, 이동, 영향, 경과 등을 연구하는 분야이며[143]}}, 이것들이 생물권에 미치는 영향(환경 문제)을 화학적으로 설명한다.[144] 지구환경화학은 이러한 연구를 지구 규모의 환경에 대해 수행하는 분야이다.[145]

위에 제시된 화학의 각 분야를 다루는 대상으로 분류하면 다음과 같다. 본 항목은 특히 각주가 있는 부분을 제외하고, 츠쿠바대학교 수리물질과학연구과 교수 사이토 카즈야(齋藤一弥)의 분류를 참고로 한다.[88]

원자핵을 중심으로 원자핵 반응과 그것에 의해 합성되는 새로운 원소 및 그 성질을 다루는 분야가 핵화학과 방사화학이며, 특히 후자에서는 방사능 측정에 분석화학적인 방법도 이용된다.

단일 분자를 다루는 분야에는, 양자역학과 계산과학의 이론 및 측정을 이용하는 양자화학과, 빛을 조사 수단으로 사용하는 물리화학의 영역에 포함되는 분자분광학이 있으며, 무기·유기 화합물 모두를 다루는 합성화학도 이 범주에 포함되는 부분이 많다.

화학 반응을 연구하는 분야에는, 반응 메커니즘을 다루는 화학반응론, 반응 속도를 제어하는 기법을 연구하는 것을 목적으로 하는 촉매화학 등이 있다. 합성화학에서는 반응 메커니즘을 연구하거나 새로운 화학 반응을 창출하는 분야가 여기에 포함된다. 열화학도 반응에서의 평형과 열을 다룬다.

분자의 집합체를 다루는 분야는, 그 전체 구조와 분자의 운동에 대해 연구하는 구조화학과, 눈에 보이는 물질로서의 분자 집합체에 대해 분자가 가진 성질로부터 물성을 설명하는 분야인 물성화학 등이 있다. 고분자화학은 특히 분자량이 큰 분자의 집합체에서 볼 수 있는 특수한 성질을 연구 대상으로 한다. 같은 고분자에 해당하지만 특수한 것으로 말할 수 있는 생물·생명을 화학적으로 다루는 분야가 생화학, 생물화학이다.

물질의 표면에 주목하여 그 구조와 현상 등을 연구하는 분야에는 표면과학과 계면화학이 있다. 이들은 고체 촉매를 사용하는 경우의 촉매화학과도 관련이 있다. 콜로이드가 가지는 특징적인 성질을 이해하는 분야는 콜로이드 화학이라고 불린다.

환경을 거시적인 관점에서 파악하고, 그것이 지구 규모의 큰 화학 시스템으로서 연구하는 분야가 환경화학이다. 그리고 자연 현상이나 인간 활동이 이 시스템에 어떤 영향을 주는지, 인공적인 물질이 환경에 확산되어 어떤 상황이 발생하는지 등을 다룬다.[146]

4. 1. 무기화학

무기화학(無機化學)은 유기화학에서 다루지 않는 물질을 다루며 주로 금속이나 준금속(準金屬)이 포함된 물질에 대해서 연구한다. 따라서 무기화학에서는 매우 넓은 범위의 화합물을 다루게 된다.[160] 초기에는 광물(鑛物)의 구성이나 새 원소의 발견이 주요 관심사였고 여기서부터 지구화학(地球化學)이 분기되었다. 주로 전이 금속(轉移金屬) 등을 이용한 촉매(觸媒)나 생물에서 산소 수송(酸素輸送), 광합성(光合成), 질소 고정(窒素固定) 등의 과정에서 중요한 역할을 하는 금속 원자들에 대해 연구하며 이 외에도 세라믹, 복합재료(複合材料), 초전도체(超傳導體)등에 대한 연구를 한다.[160] 유기 및 무기 분야 간의 구분은 절대적이지 않으며, 특히 유기금속화학 하위 분야에서 상당한 중복이 있다.[72]

무기 화합물의 예([Cu(NH3)4]2+


광의로는 착화합물을 다루는 착화합물화학, 생체 내 무기물을 다루는 생체무기화학(또는 무기생화학), 광물화학이나 지구화학, 방사화학, 유기금속화학 등과 경계 영역을 공유하는 경우가 있다.[129]

4. 2. 유기화학

유기화학(有機化學)은 탄소(炭素)로 이루어진 화합물(化合物)을 연구하는 분과이다.[160] 원래 유기 화합물은 식물이나 동물로부터 추출해낸 화합물을 뜻하였으나 지금은 유기 화합물의 범위가 크게 넓어져 탄소 사슬 또는 탄소 고리를 가진 모든 화합물을 뜻한다.[160] 유기화학의 오랜 관심사는 유기 화합물의 합성 메커니즘이다.[160] 현대에 들어서 핵자기 공명법(核磁氣共鳴法)과 X선 결정학(X線結晶學) 등이 개발되어 유기 화합물 분석에 있어서 매우 중요한 방법으로 자리잡았다.[160] 플라스틱, 합성섬유(合成纖維)등의 고분자물질(高分子物質) 등도 유기화학에서 다루어진다.[160]

유기화학은 유기 화합물의 구조, 특성, 조성, 메커니즘 및 반응을 연구하는 것이다.[79] 유기 화합물은 탄소 골격을 기반으로 하는 모든 화합물로 정의된다.[79] 유기 화합물은 그들의 작용기, 화합물에서 특징적인 화학적 특성을 나타내는 단위 원자 또는 분자에 따라 반응에서 분류, 구성 및 이해될 수 있다.[79]

유기화학은 원래 동물이나 식물 등 생물체의 조직(유기체)을 구성하는 물질을 대상으로 시작하여, 나중에 유기체 이외에서 생성되는 유기화합물도 대상에 포함되어 체계화되었다.[130] 무기화학 분야와는 상호 보완적인 관계에 있다.[129] 다양한 반응을 하기 때문에, 전문적인 분야로 특화되어 있다. 유기합성화학은 목적하는 유기화합물을 얻기 위해 합성 계열과 반응 방법 등을 창안하는 분야이다.[131] 약학과도 밀접한 관계가 있다. 생물학과의 경계 분야는 생물유기화학이라고 불린다. 유기화합물의 구조와 성질의 관계를 연구하는 분야는 유기구조론, 특히 입체 구조에 주목하는 영역은 입체화학으로 나뉜다.[130] 천연에는 존재하지 않는 물질을 합성하여 섬유나 고분자 재료를 제조하기 위한 연구는 유기공업화학이라고 불린다.[130]

4. 3. 물리화학

물리화학(物理化學)은 화학적 현상(化學的現象)에 대한 해석과 이를 설명하기 위한 물리적 원리들에 대해 다루는 분과이다.[124] 화학반응(化學反應)에 관련된 열역학적 원리와 물질의 물리학적 성질에 대한 설명은 물리화학이 다루는 고전적인 주제이다. 물리화학은 양자화학(量子化學)의 발전에도 큰 기여를 하였다. 분광계(分光計)나 자기 공명(磁氣共鳴), 회절(回折) 기기 등 물리화학에서 사용하는 실험 장비나 실험 방법(實驗裝備)들은 다른 화학의 분과에서도 매우 많이 사용된다. 물리화학이 다루는 대상은 유기 화합물, 무기 화합물, 혼합물(混合物)을 모두 포함한다.[68]

물리화학은 물리학적 이론과 측정 방법, 예를 들어 열역학이나 양자역학적 방법과 관점에서 화학이 대상으로 하는 물질을 연구하고, 물질 및 그 성질과 반응을 분류하는 기준을 만들고 분류한다.[88] 발터 너른스트가 저술한 『이론화학』(독일어: Theoretische Chemie, 1893년)에서 주장한 이론화학도 거의 같은 개념이다.[125] 또한, 컴퓨터의 발전에 따라 이론식으로부터 계산을 통해 물질의 상태를 예측하는 양자화학과 계산화학도 급속히 발전하고 있다.[126]

물리화학은 화학 시스템과 프로세스의 물리적 및 기본적인 기초를 연구한다. 특히, 그러한 시스템과 프로세스의 에너지 및 역학은 물리 화학자에게 관심의 대상이다. 중요한 연구 분야에는 화학 열역학, 화학 반응 속도론, 전기화학, 통계 역학, 분광법, 그리고 최근에는 천체화학이 포함된다. 물리화학은 분자 물리학과 많은 부분이 중복된다. 물리화학은 방정식을 유도하는 데 미적분학을 사용한다. 일반적으로 양자 화학 및 이론 화학과 관련이 있다. 물리화학은 화학 물리학과는 별개의 학문이지만, 다시 말하지만 매우 강한 중복이 있다.

물리화학의 방법론으로 생물을 대상으로 하는 연구는 생물물리화학이며,[127] 이것을 컴퓨터에 의한 가상적인 체계로 시뮬레이션하는 인공화학도 제안되고 있다.[128]

4. 4. 분석화학

분석화학(分析化學)은 물질의 조성이나 혼합물(混合物)의 구성요소(構成要素) 등을 결정하는 방법에 대해서 연구하는 화학의 분과이다.[160] 혼합물을 이루고 있는 성분의 탐색(探索), 분리(分離), 정량(定量)과 분자를 이루고 있는 원자의 비율을 측정하여 분자식을 결정하는 일 등이 분석화학에서 행해진다.[160] 1950년대의 분석화학의 발전은 많은 질량 분석기를 포함한 분석 기구의 등장을 불러일으켰다.[160] 이 외에도 고해상도(高解像度) 크로마토그래피, 전기화학(電氣化學)에서의 많은 실험방법(實驗方法) 등은 분석화학에 있어서 중요한 분석법이다.[160] 분석화학에 있어서 최종 목표는 더 정확한 측정법(測定法)이나 측정기기(測定機器) 등을 개발하는 것이다.[160] 분석화학의 발전으로 인해 환경오염 물질(環境汚染物質) 등을 피코그램의 수준에서도 감지하는 것이 가능해졌다.[160]

분석화학과 기기분석화학은 다양한 물질을 측정하거나 분리하는 것을 목적으로 하는 실험이나 이론을 연구하는 분야이다.[138] 특히 기기분석화학은 분석화학 중 분석 기기를 이용한 연구 분야이다. 응용성이 강하며, 실험실 수준의 기초 화학부터 공업 제품·임상 검사 등 폭넓은 범위를 대상으로 하며,[138] 식품이나 의약품, 농업, 공업 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 담당하고 있다.

4. 5. 생화학

생화학(生化學)에서는 생물체에서 기능하는 물질들을 다룬다. 화학의 관점(觀點)에서 식물(植物)이나 동물(動物)의 세포(細胞)에서 발견되는 물질이나 화학 반응들을 주로 다룬다.[160] 생명체(生命體)에서 발견되는 탄수화물(炭水化物), 지방(脂肪), 단백질(蛋白質), 핵산(核酸), 호르몬 등은 유기 화합물이라서 유기화학에서도 다루어지기도 하나, 이들 화합물에 관련된 물질대사(物質代謝) 과정이나 조절 과정에 대한 연구는 생화학의 고유 분야이다. 효소(酵素)와 조효소(助酵素), 그리고 이들의 작용 과정, 세포막(細胞膜)을 통과하는 이온과 분자, 신경전달물질(神經傳達物質)과 다른 조절 물질들의 작용에 대해서도 연구한다. 생화학은 내분비학(內分泌學), 유전학(遺傳學), 면역학(免疫學), 바이러스학의 발전에 큰 영향을 끼쳤다.[160]

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생화학은 살아있는 생물체에서 분자 수준에서 일어나는 화학 물질, 화학 반응 및 상호 작용을 연구하는 것이다. 생화학은 의약 화학, 신경 화학, 분자 생물학, 법의학, 식물 과학 및 유전학을 다루는 매우 학제 간적인 분야이다.[71]

생화학 또는 생물화학[133]은 생물이나 생명 현상을 화학적인 이론과 실험 방법을 도입하여 연구하는 분야이며,[134] 생물학과 화학 양쪽에 걸쳐 있는 영역이다. 효소의 연구를 중심으로[134] 호르몬 등의 단백질이나 당, 핵산, 지질 등 생체 내 물질군이나, 생체의 에너지 획득과 수송 및 대사 기능 등을 다루는 경우가 많다.[134] 생체고분자를 다루는 경우가 많기 때문에 고분자화학과도 관련된다. 생명 현상을 분자 단위로 연구하는 분자생물학이나 분자유전학을 포함하며, 유전자공학 등에 응용된다.[134] 또한, 조직화학은 세포 등 조직 중 특정 물질이 분포하는 상황을 화학 반응을 이용하여 염색시켜 판단하는 기술을 말하며, 면역조직화학도 그 하나에 포함된다.[135] 위생화학은 물질이 생체에 미치는 영향을 연구하는 예방 약학 분야의 응용에 해당하는 분야이다.[136][137]

4. 6. 기타 분야

화학은 일반적으로 여러 주요 하위 분야로 나뉘며, 학제 간 분야와 전문적인 화학 분야도 존재한다.[68]

  • 분석화학은 물질 샘플을 분석하여 화학적 조성과 구조를 파악하며, 표준화된 실험 방법을 사용한다.[69] 분광법은 분석화학에서 전자기 방사선(빛)과 물질 간의 상호 작용을 연구하는 방법으로,[70] 분광광도계는 빛이 물질에 미치는 영향을 측정하는 데 사용된다.
  • 생화학은 생물체 내에서 일어나는 화학 물질, 화학 반응 및 상호 작용을 연구하며, 의약 화학, 신경 화학, 분자 생물학, 법의학, 식물 과학, 유전학 등 다양한 분야와 관련된다.[71]
  • 무기화학은 금속, 광물 등 무기 화합물의 특성과 반응을 연구한다.[72] 유기금속화학과 같이 유기 및 무기 분야 간의 중복도 존재한다.
  • 재료 화학은 유용한 기능을 가진 고체 상태 구성 요소 또는 장치의 제조, 특성 분석 및 이해를 다루며, 유기 화학, 무기 화학, 결정학 등 다양한 분야를 통합한다.[75]
  • 신경화학은 신경화학물질의 상호 작용과 신경계에서의 역할을 연구한다.
  • 핵화학은 원자보다 작은 입자가 모여 핵을 만드는 과정을 연구하며, 핵 변환이 중요한 부분을 차지한다. 원자력 공학을 포함하여, 원자력 에너지 생산과 관련된 주제를 다룬다.[76][77]
  • 유기화학은 유기 화합물의 구조, 특성, 조성, 메커니즘, 반응을 연구하며, 작용기에 따라 화합물을 분류하고 이해한다.[79]
  • 물리화학은 화학 시스템과 프로세스의 물리적 및 기본적인 기초를 연구하며, 화학 열역학, 화학 반응 속도론, 전기화학, 통계 역학, 분광법, 천체화학 등 다양한 분야를 포함한다. 양자 화학 및 이론 화학과 관련이 깊다.
  • 이론화학은 이론적 추론을 통해 화학을 연구하며, 양자 역학을 화학에 적용하는 양자 화학과 계산 화학이 대표적이다.


이 외에도 전기화학, 펨토화학, 향미 화학, 흐름 화학, 면역조직화학, 수소화 화학, 수리화학, 분자 역학, 천연물 화학, 유기금속화학, 석유화학, 광화학, 물리유기화학, 고분자 화학, 방사화학, 음향 화학, 초분자 화학, 합성 화학 등 다양한 하위 분야가 있다.

학제 간 연구 분야로는 농화학, 우주화학(및 우주화학), 대기화학, 화학공학, 화학생물학, 화학정보학, 환경화학, 지구화학, 녹색화학, 면역화학, 해양화학, 재료과학, 기계화학, 의약화학, 분자생물학, 나노기술, 양조학, 약리학, 식물화학, 고체화학, 표면과학, 열화학 등이 있다.

발터 너른스트가 저술한 『이론화학』(독일어: Theoretische Chemie, 1893년)에서 주장한 이론화학[125]은 물리화학과 거의 같은 개념이다. 컴퓨터의 발전에 따라 양자화학과 계산화학도 급속히 발전하고 있다.[126] 생물물리화학은 물리화학의 방법론으로 생물을 대상으로 하는 연구이며,[127] 인공화학은 이를 컴퓨터 시뮬레이션하는 분야이다.[128]

유기합성화학은 목적하는 유기화합물을 얻기 위해 합성 계열과 반응 방법 등을 창안하는 분야이며,[131] 약학과도 밀접한 관계가 있다. 생물학과의 경계 분야는 생물유기화학이라고 불린다. 유기화합물의 구조와 성질의 관계를 연구하는 분야는 유기구조론, 입체 구조에 주목하는 영역은 입체화학으로 나뉜다.[130]

조직화학은 세포 등 조직 중 특정 물질이 분포하는 상황을 화학 반응을 이용하여 염색시켜 판단하는 기술을 말하며, 면역조직화학도 그 하나에 포함된다.[135] 위생화학은 물질이 생체에 미치는 영향을 연구하는 예방 약학 분야의 응용에 해당하는 분야이다.[136][137]

분석화학과 기기분석화학은 다양한 물질을 측정하거나 분리하는 것을 목적으로 하는 실험이나 이론을 연구하는 분야이다.[138] 특히 기기분석화학은 분석화학 중 분석 기기를 이용한 연구 분야이다. 식품이나 의약품, 농업, 공업 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 담당하고 있다. 합성화학은 존재할 수 있는 물질을 아는 분야이며,[88] 화학 반응을 이용하여 실제로 물질을 만들어내는 것을 연구·개발하는[139] 분야이며, 촉매화학과 재료화학을 포함한다.[88]

응용화학은 생산과 관련된 다양한 기술이나 공정에 사용되는 물질이나 반응 등을 연구하는 분야이며, 생산하는 종류에 따라 공업화학, 농화학, 약학 등으로 세분화된다.[140]

환경화학은 환경에서 화학 물질의 생성, 반응, 이동, 영향, 경과 등을 연구하는 분야이며, 생물권에 미치는 영향(환경 문제)을 화학적으로 설명한다.[144]

원자핵 반응과 새로운 원소 및 그 성질을 다루는 분야가 핵화학과 방사화학이며, 특히 후자에서는 방사능 측정에 분석화학적인 방법도 이용된다.

단일 분자를 다루는 분야에는, 양자화학과, 분자분광학이 있으며, 무기·유기 화합물 모두를 다루는 합성화학도 이 범주에 포함되는 부분이 많다.

화학 반응을 연구하는 분야에는, 반응 메커니즘을 다루는 화학반응론, 반응 속도를 제어하는 기법을 연구하는 것을 목적으로 하는 촉매화학 등이 있다. 열화학도 반응에서의 평형과 열을 다룬다.

분자의 집합체를 다루는 분야는, 구조화학과, 물성화학 등이 있다. 고분자화학은 특히 분자량이 큰 분자의 집합체에서 볼 수 있는 특수한 성질을 연구 대상으로 한다.

물질의 표면에 주목하여 그 구조와 현상 등을 연구하는 분야에는 표면과학과 계면화학이 있다. 콜로이드가 가지는 특징적인 성질을 이해하는 분야는 콜로이드 화학이라고 불린다.

환경을 거시적인 관점에서 파악하고, 그것이 지구 규모의 큰 화학 시스템으로서 연구하는 분야가 환경화학이다.

5. 한국 화학 산업과 미래

화학 산업은 전 세계적으로 중요한 경제 활동이다.[80] 2013년 세계 최대 화학 생산업체 50곳의 매출액은 미달러 9,805억 달러였으며, 이윤율은 10.3%였다.[80]

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