라부아지에와 화학 혁명 2013년 10월 10일 정동욱

보강 오늘 오후 5시 418호 “다윈의 진화론도 진화한다”

중간시험 10월 17일 11시 418호

아리스토텔레스의 4원소설 4원소와 4성질 탁월한 설명력 연금술에 이론적 기반 제공? 4성질: 온-냉, 건-습 대립쌍 원소의 성질: 4성질 중 2개의 조합으로 구성 성질이 바뀌면 원소도 바뀜 탁월한 설명력 * 물을 가열하면 증발하는 이유 연금술에 이론적 기반 제공?

이슬람 연금술의 발전 실험 도구와 방법, 용어 개발 & 다양한 물질 추출 물질 이론 개량: 황, 수은, 염 이론 연금술의 목적 화학 실험 도구(저울, 금속 녹이는 도가니, 플라스크, 증류기), 실험 방법(증류법) 개발, 여러 종류의 물질 추출, 새로운 물질 이론, 용어(연금술/화학(alchemy/chemistry), 알코올(alcohol), 알칼리(alkali), 증류기(alembic), 소다(soda) 등) 물질 이론 개량: 황, 수은, 염 이론 연금술의 목적 후원자의 의도: 영약 창조 & 금 변환 연금술사들의 목적: 영혼의 정화 이후 영향 실험장치와 증류법과 같은 실험기술 다양한 물질들 추출 목적하던 금은 만들지 못했지만, 뜻하지도 않게 근대 화학의 기반을 닦았던 것이다. 영국의 철학자 프랜시스 베이컨(Francis Bacon;1561-1626)은 연금술이 화학에 남긴 유산에 대하여 이솝의 우화를 예로 들어 설명했다. "연금술은 , 임종시에 아들들에게 포도밭에 금을 묻어 두었다고 유언을 남긴 어느 농부와 같다. 그 말을 들은 아들들은 포도밭을 정신없이 파헤쳤지만 금은 나오지 않았다. 대신 그해 가을의 포도 수확은 매우 풍성했다. 이와 마찬가지로, 금을 만들어 내려고 시도했던 많은 연금술사의 노력은 뜻하지 않은 새로운 발명과 화학의 진보를 가져왔다.  실험 도구와 방법, 용어 개발 & 다양한 물질 추출

공기(air)에서 기체(gas)로 반 헬몬트(1579-1644)의 “나무 기체” ≠ 공기 벨기에의 의사. ‘혼돈’, '공간'을 뜻하는 그리스어 카오스(chaos)에서 이름을 따 기체를 ‘가스’(gas) 명명

공기/진공을 이용한 실험들 보일(Robert Boyle, 1627- 1692)은 1660년에 실험을 통해 쥐의 생명을 유지하는 데 신선한 공기가 필수적임을 보여 주었다. 쥐를 넣은 용기를 밀폐시켰더니 쥐는 2시간 만에 죽었고 다시 그 용기에 다른 쥐를 넣었더니 3분만에 죽은 것이다. 그러나 보일은 호흡의 목적이, 바람이 체표면의 물을 말리는 것처럼 혈액 중에서 배설되는 휘발성 증기를 공기와 결합(association)시켜 외부로 가지고 나오는 것이라고 생각하였다. 그리고 이 휘발성 증기는 물질이 탈 때 나오는 검댕이나 연기와 마찬가지로 동물이 생명을 유지하지 못하도록 방해한다는 것이다. 보일의 결론은 한번 호흡에 사용된 공기는 적어도 같은 종

헤일즈의 개방형 압력계 & 기체수집기(1727) 이후 18세기 영국의 기체화학 헤일즈의 개방형 압력계 & 기체수집기(1727) 이후 다양한 기체의 분리 및 성질 연구 전통 확립

고정된 공기(조지프 블랙, 1756) 가연성 공기(헨리 캐븐디쉬, 1776) 나빠진 공기(조지프 프리스틀리, 1770s) 고정된 공기(이산화탄소): 호흡, 연소, 발효 시에 생성 가연성 공기(수소): 탈 수 있는 기체, 플로지스톤?? (1776) 나빠진 공기(질소) 초석의 공기(일산화 탄소) 불의 공기, 생명의 공기(산소) (쉘레, 프리스틀리)

18세기 독일의 분석화학 광업의 발달로 여러 물질의 구성물 분석 발전 슈탈(1660-1734) 이후 플로지스톤 이론 확립 보통 분석은 어떻게? 태워서!

플로지스톤? 연소를 가능케 해주는 원리 연소 및 하소 시 물질에서 빠져나감 처음엔 기름 성분의 흙에 명명. 불 자체? 원질? 물질? 원소? 연소를 가능케 해주는 원리 연소 및 하소 시 물질에서 빠져나감

하소현상 : 금속  (플로지스톤 방출)  금속재 연소현상 : 나무  (플로지스톤 방출)  재 하소현상 : 금속  (플로지스톤 방출)  금속재

불타는 초를 유리병으로 덮으면? 잠시 후 유리병 내부의 플로지스톤 포화 더 이상 연소 불가능  초가 꺼짐 플로지스톤 이론은 다양한 현상(연소, 식물의 성장, 소화, 호흡, 금속의 융해)에 관한 일관적 설명을 제공함으로써 18세기 화학의 튼튼한 이론적 틀을 제공

프리스틀리(1733-1804) 영국의 화학자, 목사 겸 대중 과학 강연자 정치적·종교적으로 급진적 성향 타당성이 점차 의심되고 있었던 플로지스톤 이론의 약한 고리를 땜질하고 개량해나갔던 인물  마지막까지 새로운 화학 이론을 받아들이지 않았음 프리스틀리는 요즈음 우리가 여름이면 즐겨 찾는 청량 음료를 처음 발명한 과학자이기도 하다. 탄산가스, 즉 그때는 '고정된 기체'로 알려졌던 기체에 압력을 가해 물에 녹여 넣으면 천연 광천수처럼 거품이 나는 물이 된다는 것을 처음 알아낸 것이다. 이 발명으로 그는 영국 왕립 학회의 가장 영광스런 명예라 할 수 있는 '코플리 메달'을 받기도 했다. 영국의 화학자, 목사 겸 대중 과학 강연자

쥐와 초는 “손상된” 공 기 생산. 식물은 “손상 된” 공기를 개선시켜줌.

수은재 고온 가열하여 수은과 함께 얻은 새로운 공기 ‘플로지스톤 없는 공기’ (1774) 수은재 고온 가열하여 수은과 함께 얻은 새로운 공기

수은재 + 플로지스톤 함유된 공기  수은 + 플로지 스톤 없는 공기 수은 + 공기  수은재 + 플로지스톤 많은 공기 수은재 + 플로지스톤 함유된 공기  수은 + 플로지 스톤 없는 공기

플로지스톤 없는 공기 = 생명의 공기 프리스틀리는 이 공기 안에서 불꽃이 더 밝고 뜨겁게 타오르며 생쥐가 일반 공기에서보다 두 배 이상 오래 살 수 있음을 발견하였다. 이 공기는 플로기스톤이 없으므로 가연성 물질에 포함된 플로기스톤과 쉽게 결합하여 연소 현상을 일으킨다는 것이다.

라부아지에(1743-1794) 프랑스의 징세청부업자 겸 권위있는 과학자

무게측정법(gravimetric method) 자칭 물리학자: 물리학의 방법을 화학에 적용 <프린키피아>의 확실성과 예측력 본받기 “정량화 정신”: 정밀 측정 & 수학적 형식화 왜 고가? 기체 한 방울도 빠져나가지 못하게. 또 아주 작은 무게도 정확하게 측정해야 반응 전후 반응물과 생성물의 무게 측정 & 비교 기체의 무게까지 측정! (고가의 정밀 장치 필요)

금속 하소 전후 무게 분석 금속의 무게 < 금속재의 무게 수은의 무게 < 수은재의 무게 . 금속 + 공기중의 무언가 = 금속재? 질량보존의 법칙을 전제로 하고 있음.

프리스틀리의 파리 방문(1774) . 라부아지에의 아이디어 수은재 가열하여 ‘플로지스톤 없는 공기’ 얻는 실험 목격 앞서의 무언가 = 프리스틀리의 ‘플로지스톤 없는 공기’

수은 하소에 대한 새로운 이론 수은 + 공기 중의 무언가 (가열) 수은재 수은재 (가열) 수은 + 공기 중의 무언가 어떻게 입증? 반응 전후 고체 무게 측정 & 기체 부피 변화 측정

수은을 A에 넣고 가열하면 오른쪽 유리병의 기체 부피 감소(8 in3) He heated mercury and air using a bell-jar for 12 days.  Red mercury calx (HgO) formed and the volume of air decreased from 50 to 42 in3. 

수은재를 N에 넣고 가열하면 유리병의 기체 부피 증가 (8 in3) The red [HgO] was heated in a retort producing 8 in3 of dephlogisticated air [O2].

질량 증가, 기체부피 감소 질량 감소, 기체부피 증가 질량 증가, 기체부피 감소 질량 감소, 기체부피 증가 고체 질량 증가분 = 고체 질량 감소분 기체 부피 감소분 = 기체 부피 증가분

무언가 – ‘산소’ 명명 수은 + 산소 (가열) 수은재 수은재 (가열) 수은 + 산소 ‘새로운 공기’가 비금속물질들과 반응해 산(acid)를 만든다는 데서 착안해서 ‘산소(oxigen)’라 명명

연소(하소)란? 물질에서 무언가가 방출되는 것이 아님 물질이 공기 중의 산소와 결합하는 것! 산소와의 결합/분해라는 틀을 이용해 연소, 호흡, 산화, 환원, 산-염기 이론 통일

거부 반응 화학반응 과정에서 성질, 모양, 색깔 등등이 다 바뀌는 데, 무게라고 바뀌지 못한다는 법이 어디 있는가? 용기를 통과할 수 있는 다른 존재자들이 무게에 영향 을 줄 수도 있지 않겠는가?

물은 원소가 아니라 화합물! “가연성 공기 15그레인과 생명의 공기 85그레인을 함께 태워 정확히 100그레인의 물을 얻고, 분해의 방 법으로 동일한 원소들을 똑같은 비율로 되찾을 수 있 다는 것을 보고 나서, 어떻게 그 이론을 의심할 수 있 겠는가?” (라부아지에, 1787) 수소 : 산소 : 물 = 15 : 85 : 100

《화학원론》(1789) 산소 연소 이론 주장 체계적인 원소 및 화합물 명명법, 화학반응식 도입

원소 33종에 대해 새롭게 명명 빛, 열소, 산소, 질소, 수소 …

아연꽃  산화아연 / 고정된 공기  산화탄소 / 비트리올  황산 화합물: 관용명 대신 구성 원소에 따라 명명 아연꽃  산화아연 / 고정된 공기  산화탄소 / 비트리올  황산

화학반응식 반응물과 생성물 사이의 정량적인 등식 성립

화학혁명의 빛과 그림자 4원소설의 대체와 산소 연소 이론의 확립 질량 보존의 법칙 확립과 무게측정을 이용한 물질 분석 방식 확립 원소들이 일정한 비율로 결합한 결과물로서의 화합물 개념 확립과 이를 반영한 체계적인 명명법과 화학반응식 확립 물질의 성질을 연구하는 화학의 목적은 버려짐