화학혁명

화학혁명이란? 왜 ‘혁명 Revolution’인가? 화학혁명의 의미 화학혁명의 배경: 18세기 화학의 선진 지역은? ‘산소 연소 이론’이 기존의 ‘플로지스톤 이론’을 대체한 사건 내용적으로 두 이론은 서로 정반대였기 때문에, 혁명적 변화라 평가됨 화학혁명의 의미 화학 원소의 세가지 물리적 상태를 명확히 규정할 수 있게 됨. 화학변화의 물리적 조건: 온도(온도계), 무게(화학저울), 압력(압력계) 산소 발견을 중심으로 화학 이론 체계의 전반적 변화가 진행됨 합리적이고 체계적인 원소 명명법의 도입 화학혁명의 배경: 18세기 화학의 선진 지역은? 독일: 광업의 발달로 인해, 금속학을 비롯한 ‘분석화학’ 발전 영국: 여러 기체들을 분리하고 그 성질에 관해 연구하는 ‘기체화학’ 발전 화학혁명: 두 전통이 프랑스의 라부아지에에 의해서 통합됨 17세기 반 헬몬트에 의해 가스(gas )라는 용어가 도입된 이래 기체의 물리적 성질에 대해서 보일과 후크 등의 연구가 있었음. 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(species )의 호흡에는 사용될 수 없다는 것이었다. 1674년 메이요(John Mayow, 1645- 1679)는 연소와 호흡 모두 공기 중에 있는 어떤 성분(nitro aerial particle)을 필요로 한다는 사실을 실험적으로 증명하였다. 물 속에 거꾸로 세워 놓은 유리 용기 안에 두었을 때 촛불은 곧 꺼졌고 쥐도 곧 죽었다. 촛불과 쥐를 같이 넣자 쥐는 훨씬 더 빨리 죽었다. 메이요는 쥐가 촛불에서 나온 연기에 의해 질식하는 것이 아님을 분명히 하였다.

화학혁명의 배경(1): 독일의 분석화학 슈탈(1660-1734)의 플로지스톤 이론 물질이 ‘연소’하거나 ‘하소’할 때, 질량과 부피가 감소하는 듯한 현상 모든 가연성 물질에는 ‘플로지스톤’이라는 물질이 포함 연소는 물질에서 플로지스톤이 빠져나가면서 일어나는 현상 연소현상: 나무  (플로지스톤 방출)  숯 하소현상: 쇠  (플로지스톤 방출)  녹슨 쇠 불타는 초를 유리병으로 덮으면 불이 꺼지는 이유는? 유리병 속의 공기에 플로지스톤이 포화 상태로 축적되어 더 이상 물질 속의 플로지스톤이 방출될 수 없기 때문  오늘날의 산소 연소 이론과는 정반대 설명 플로지스톤 이론은 다양한 현상(연소, 식물의 성장, 소화, 호흡, 금속의 융해)에 관한 일관적 설명을 제공함으로써 18세기 화학의 튼튼한 이론적 틀을 제공

화학혁명의 배경(2): 영국의 기체화학 스코틀랜드의 기체화학 연구 전통 공기를 분리하고 그 성질을 측정하는 실험 기술 발달 헤일즈의 개방형 압력계 & 기체수집기 (1727) 조지프 블랙: 1756년 ‘고정된 공기(fixed air, 이산화탄소)’ 발견  공기가 단일한 물질이라는 전통적인 관념이 무너지는 계기 마련 18세기 발견된 새로운 공기들 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) 헤일즈(Stephen Hales , 1677- 1761)에 의해 기체를 분리해서 분석하는 것이 가능하게 되었다. 헤일즈는 개방형 압력계와 기체수집기(pneumatic trough)를 화학에 도입. (1727) 영국의 의사로 나중에 에딘버러 대학의 화학 교수가 된 조셉 블랙은 석회석을 가열하면 기체가 많이 생긴다는 것을 알고 그것에 '고정된 기체'라는 이름을 붙였다. 석회석이라는 돌덩어리에서 나오는 기체니까, 그것은 고체 속에 '고정되었다가 나온 기체'라는 뜻으로 그런 이름을 붙인 것이다. 또한 그는 그것이 호흡, 연소, 발효 시에 생성된다는 사실을 발견하였다. 블랙은 따라서 호흡과 연소가 동일한 현상이며 폐에서 일어나는 연소 작용이 동물열의 원천이라 추측. 1670년대 보일(1627-1691)을 비롯한 몇몇 영국 화학자들은 물질이 썩을 때나 철과 산을 반응시킬 때 기포를 내며 나오는, 불에 잘 타는 공기에 관한 기록을 남기고 있음. 1776년 영국의 귀족 헨리 캐번디시(1731-1810)는 처음으로 '가연성 공기‘를 모음. 아연, 주석, 철 등에 묽은 황산, 염산 등을 반응시켜 이 가연성 공기를 얻었다. 그는 서로 다른 금속과 산들의 반응에서 발생하는 가연성 공기가 모두 동일하다는 점과 이 공기의 밀도가 보통 공기(대기)보다 매우 작다는 점을 발견했다. 캐번디시는 이 결과를 왕립학회에서 '인공의 공기들'이라는 제목으로 발표했다. 그는 처음에 수소를 가연성과 관계있는 '플로지스톤'이라고 생각했다.

프리스틀리(1733-1804) 영국의 화학자, 목사 겸 대중 과학 강연자 프리스톨리의 수은재 실험 정치적·종교적으로 급진적 성향 타당성이 점차 의심되고 있었던 플로지스톤 이론의 약한 고리를 땜질하고 개량해나갔던 인물  마지막까지 새로운 화학 이론을 받아들이지 않았음 프리스톨리의 수은재 실험 수은재를 고온 가열하여 수은과 ‘새로운 공기’를 얻어낸 실험 프리스틀리의 플로지스톤 이론에 입각한 해석 수은재  (공기 중의 플로지스톤 결합)  수은 + 플로지스톤 없는 공기 ‘플로지스톤 없는 공기’의 성질 이 공기 속에서는 연소가 훨씬 활발하게 일어남 이 공기가 든 유리종 속에 쥐를 가두면 훨씬 오래 살 수 있음 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.

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) 18세기 프랑스의 신흥 부르주아 징세청부업자 겸 권위있는 과학자 자칭 물리학자: 물리학의 방법을 화학에 적용 <프린키피아>의 확실성과 예측력 본받기 “정량화 정신”: 정밀 측정 & 수학적 형식화 무게 분석(Gravimetric Analysis) 방법 반응 전후 반응물과 생성물의 무게 측정 & 비교 물 합성/분해 실험에서 기체의 무게까지 측정! 고가의 실험장비 필요 1789년 <화학원론>: 화학 지식 체계화 프랑스 혁명기 단두대에서 처형

라부아지에의 화학연구(1): 연구과정 1760년대 말부터 화학연구에 몰두 1772년: 물질 연소 시 무게 증가 현상 발견 1773-74년: 수은재 실험 수은 가열하면 수은재 생성: 수은의 무게 증가 “수은에 있던 플로지스톤을 잃는 것이 아닐 것임!” 공기 중의 특정 성분이 수은과 결합하여 수은재가 형성된다고 확신 그렇다면, 도대체 이 공기 중의 이 특정 기체는 무엇? 1774년 프리스틀리의 파리 방문 프리스틀리의 ‘플로지스톤 없는 공기’가 바로 그 기체임을 확신 이 공기의 존재를 자신의 무게 측정 방법을 통해 재차 확인

He heated mercury and air using a bell-jar for 12 days 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.  The red [HgO] was heated in a retort producing 8 in3 of dephlogisticated air [O2]. 

라부아지에의 화학연구(2): 산소 연소 이론 무게 분석을 통한 수은 연소 실험 이해 라부아지에의 산소 연소 이론 반응에 관여한 물질들의 총 양은 항상 보존된다는 신조: 저울(balance) & 대차대조표(balance sheet)로 구현 & 입증 수은 가열: 통 안의 공기 감소 & 수은재 생성(무게 증가) ⇒ 수은 + ‘공기 중의 무언가’  수은재 수은재 가열: 통 안에 공기 생성 & 수은 생성(무게 감소) ⇒ 수은재  수은 + ‘새로운 공기’ ‘새로운 공기’가 비금속물질들과 반응해 산(acid)를 만든다는 데서 착안해서 ‘산소(oxigen)’라 명명 라부아지에의 산소 연소 이론 연소할 때 무언가가 대기 속으로 방출되는 것이 아니라, 오히려 대기에서 흡수된다는 발상의 전환 연소(하소): 물질 + ‘산소’ [즉, 연소는 산소와의 화학결합] 연소, 호흡, 산화, 환원, 산-염기 등의 이론 통일

라부아지에의 화학연구(3): 화학의 체계화 <화학원론> 1789 플로지스톤 이론 폐기  산소 연소 이론 체계적인 원소 및 화합물 명명법의 도입 원소(element): “지금까지 알려진 방식으로 분리되지 않은 기본 물질” 33종에 대해 새롭게 명명하고 재분류: 수소(가연성 공기), 질소(나빠진 공기), 산소(플로지스톤 없는 공기, 불의 공기), 빛, 칼로릭 등 ※ “물은 산소와 수소의 화합물” 주장! 화합물: 관용명 대신 구성 원소에 따라 명명: 아연 꽃  산화아연 화학반응은 곧 (구성 원소 사이의) 방정식: 무게에서 대수적 등식 관계가 성립하듯 반응물과 생성물의 구성 원소 사이에도 등식이 성립! 무게, 온도, 압력 변화를 측정하는 정량적인 실험 방법 정립 독일의 분석화학 + 영국의 기체화학 + 프랑스의 조직적 연구 전통

물 합성/분해 실험 논쟁 (1): 배경 라부아지에에 대한 화학자들의 일반적인 반응 무게 변화 문제를 해결하는 한가지 대안 화학반응 과정에서 성질, 모양, 색깔 등등이 다 바뀌는데, 무게라고 바뀌지 못한다는 법이 어디 있는가? 용기를 통과할 수 있는 다른 존재자들이 무게에 영향을 줄 수도 있지 않겠는가? 무게 변화 문제를 해결하는 한가지 대안 타고 있는 물체에서 빠져 나온 플로지스톤은 대기 중의 플로지스톤 없는 공기와 결합하여 고정된 공기를 형성하고, 고정된 공기가 고체 잔여물과 화학적으로 결합해서 금속회나 산 형성 (Kirwan, 1784) → 플로지스톤의 존재를 유지하면서도, 무게 증가 문제 해결 가능 독일의 슈탈을 비롯한 당시 화학자들은 모든 물질은 플로지스톤이라는 '비물질적이며 무게를 잴 수 없는 불의 원리'를 내부에 포함하고 있다고 생각했다. 착한 마음의 정도, 아름다움의 정도를 무게로 잴 수 없는 것처럼 플로지스톤 역시 잴 수 없는 원리였다.

물 합성/분해 실험 논쟁 (2): 발단 캐븐디쉬의 물 합성 실험 (1781년) 라부아지에의 정밀 측정 실험과 재해석 가연성 공기(수소)와 플로지스톤 없는 공기(산소)의 혼합물에 전기 불꽃을 일으켜 물을 만들어 냄. 물은 가연성 공기와 플로지스톤 없는 공기의 혼합물 중 ‘일부’로, 일종의 응축 반응을 통해 혼합물에서 분리된 것. 라부아지에의 정밀 측정 실험과 재해석 물은 두 기체가 결합했을 때 나오는 유일한 산물 증명: 소비된 두 기체의 무게 = 생성된 물의 무게 따라서 물은 원소가 아니라 화합물(compound)

물 합성/분해 실험 논쟁 (3): 전개 라부아지에에 대한 비판자들 물 합성 실험에 대한 제임스 와트의 대안적 해석 현상적 사실 / 이론적 해석 구분 & 해석 부분 기각 물 합성 실험에 대한 제임스 와트의 대안적 해석 플로지스톤 없는 공기: 플로지스톤이 제거된 물 + 잠열 가연성 공기: 플로지스톤 + 약간의 물 + 잠열 두 기체의 혼합 → (플로지스톤이 포함된) 물 + 열 무게 관계식은 반응에 참여한 요소들을 모두 포함하지 않을 수 있음. 다시 말해, 무게 관계식에서는 반응에 참여한 플로지스톤이나 열과 같은 구성요소가 빠지게 됨 따라서, 무게 관계식으로는 “물이 화합물이다”라고 증명할 수 없음!

물 합성/분해 실험 논쟁 (4): 절정 라부아지에의 물 분해 실험 (1784년) 프리스틀리의 비판 수증기를 새빨갛게 달아오른 철제 포신에 통과시킴 수증기 + 철 → 산화철 + 가연성 공기(수소) 수증기 무게 = 포신의 무게 증가량 + 채집된 공기 무게 (수소의 무게는 부피/비중으로 계산) 결과: 물 1.0000000 = 생명의 공기 0.86866273 + 가연성 공기 0.13133727 (단위는 파운드) 프리스틀리의 비판 물과 금속의 결합에 의해 플로지스톤(가연성 공기)이 철에서 치환된 것이라 주장. 즉, 가연성 공기(수소)의 출처는 물이 아니라 철!

물 합성/분해 실험 논쟁 (5): 대규모 시연 1785년 대규모 정밀 시연 많은 수의 프랑스 화학자들이 라부아지에의 주장에 설득 물의 구성성분=산소:수소=85:15 널리 퍼짐 정확한 측정을 통해 정확한 논증에 성공했다고 자평 “가연성 공기 15그레인과 생명의 공기 85그레인을 함께 태워 정확히 100그레인의 물을 얻고, 분해의 방법으로 동일한 원소들을 똑같은 비율로 되찾을 수 있다는 것을 보고 나서, 어떻게 그 이론을 의심할 수 있겠는가?” (라부아지에, 1787) 그러나, 여전히 남아있는 비판자들…

물 합성/분해 실험 논쟁 (6): 비판자들 현상적 사실과 해석은 별개의 문제 줄어든 재연가능성의 문제: 과학의 민주성 저해 여전히 라부아지에의 이론에 대한 (정밀한) 대안적 가설 가능 ‘가설’을 ‘사실’이라 주장하는 것은 ‘독단주의’와 다르지 않음 “정밀 측정”은 사실과 해석 사이에 다리를 놓아줄 수 없음 줄어든 재연가능성의 문제: 과학의 민주성 저해 다루기 어렵고 값비싼 실험기구가 실험의 반복 재연 방해 ‘재연’의 가치: 민주적이고 평등한 과학 문화의 전형 (프리스틀리) 허용 한계를 벗어난 과장된 정밀성의 문제 E.g. 수소의 비중 = 35그레인/810인치3 = 0.0432098765 ?? 유효숫자의 문제 지적 → “충분히 정확한” 정도에서 소수점 잘라야!

물 합성/분해 실험 논쟁 (7): 결말 1790년대 많은 수의 영국 화학자들 전향. 그러나 ... “올바른 논증의 직접적인 힘이 사람들을 전향하게 만드는 경우는 거의 없다. 하지만 자신들의 적들을 논박하려고 그들의 주장을 되풀이하면서 간접적인 방식으로 변화한다.” (니콜슨, 1788) 라부아지에식의 정확성을 그대로 수용한 것은 아님. 오히려, 정확성의 한계에 대한 인식 생겨남.