한스 라이헨바흐, [원자와 우주] 11: 화학적 변화의 기본 입자, 원자

 

11. 화학적 변화의 기본 입자: 원자

 

   이전 장에서 우리는 가장 작은 물질 입자들의 존재, 물질의 원자론적 구조가 직접적인 관측으로부터 연역될 수 없으며 추론되어야 함을 보았다. 우리가 관측하는 거시 규모의 연속적인 현상은, 오직 우리가 미시 규모에서 자연이 불연속적인 특성을 갖고 있으며 이 현상이 서로 분리되는 작은 입자들로 구성되어 있다고 가정해야만 이해할 수 있다. 지금껏 우리는 이러한 종류의 추론을 물리학에서 사용하여 열적 과정을 조심스럽게 검토해보았으며, 이제 화학으로 논의를 돌려 화학에서도 동일한 개념을 찾을 수 있음을 살펴보겠다. 화학에서 원자 이론의 연원이 되는 매우 중요한 사실이 있다. 이는 무게의 고정 및 정수 비율의 법칙이며, 이는 돌턴의 시대 이후 원자 이론의 기초를 형성했다.

  

   우선 이 법칙의 내용을 되새겨보도록 하자. 이 법칙은 혼합물과 화합물 사이의 차이와 관련된다. 혼합물은 두 물질을 섞어서 만든다. 예를 들어, 우리가 우유와 커피를 함께 섞으면 혼합물이 만들어지며, 두 액체의 비중이 얼마인지에 따라서 갈색의 정도가 달라진다. 다른 한편 화합물에서는 “더 많거나 더 적은”이라는 개념이 적용되지 않는다. 수소와 산소는 전기 불꽃 방전 아래에서 결합하여 물을 생성하는데, 2그램의 수소는 항상 16그램의 산소와 결합한다. 만약 우리가 수소를 좀 더 사용해서 3그램을 사용한다고 해도, 오직 2그램의 수소만이 16그램의 산소와 결합하고 나머지 1그램의 수소는 아무런 영향을 받지 않는다. 이렇게 무게의 고정 비율로 제약되는 것은 화학 결합의 특성이다. 따라서 화합물은 합금(alloy)과는 구별된다. 구리와 주석의 합금인 청동은 녹여진 금속의 혼합물이며, 우리가 원하는 대로 금속 간의 비율을 조정할 수 있다. 그와 같은 자율성은 화합물에서는 가능하지 않다.

  

   이러한 실험적 사실로부터 우리는 어떤 결론을 내릴 수 있을까? 우리는 이 물음을 다른 형식으로 표현해보자. 이러한 사실을 이해하려면 우리는 어떤 것을 가정해야 하는 것일까? 돌턴은 원자를 가정하면 이러한 사실을 이해할 수 있다는 것을 인지했다. 모든 물질은 원자들로 구성된다. 화학 결합은 다양한 물질들의 조합을 통해서 발생하며 그 결과 분자가 형성된다. 이 과정에서 작용하는 힘들은 원자들로부터 비롯된다. 한 물질의 원자 하나는 하나, 둘 또는 그 이상의 다른 물질 원자를 단단히 붙잡아 둘 수 있다. 예를 들어 물에 대해서 생각해보자. 물에서는 두 개의 수소 원자가 하나의 산소 원자와 결합되어 있다. 원자들 사이에서의 힘은 결합하는 원자의 숫자가 동일한 숫자가 되도록 작용한다. 다른 종류의 화합물에서는 힘의 관계가 달라지지만, 주어진 물질에서의 힘은 결코 변화하지 않는다.

  

   일정 성분비의 법칙(law of the fixed ratios of weights)은 본질적으로 독일의 화학자인 J. B. 리히터에 의해서 18세기 말에 발견되었지만, 이 법칙을 배수 비례의 법칙(law of multiple proportions)으로 확장시키는 중요한 역할(1807년)을 한 것은 영국의 화학자 돌턴이었다. 돌턴은 무게의 비율에 있어 화합물이 특정한 변동성을 허용한다는 것을 발견했는데, 이 때의 변동성은 아주 특수한 종류의 것이었다. 예를 들어, 12그램의 탄소는 16그램의 산소와 화합물을 형성할 수 있었지만, 32그램의 산소와도 화합물을 형성할 수 있었다. 물질의 양이 이미 형성된 화학물에서의 정수배, 즉 2배 또는 3배가 될 때 화학 결합은 또 다시 가능할 수 있었다. 그러나 그 결과로 생성되는 화합물은 이전의 화합물과는 아주 다른 속성들을 갖고 있었다. 일산화탄소라고 불리는 첫째 화합물은 매우 독성이 크고 폭발력이 강한 기체인 반면, 둘째 화합물인 이산화탄소는 상대적으로 무해하고 연소하지 않는다. 돌턴이 발견한 배수 비례의 법칙은 원자 가설을 지지하는 데 핵심적인 역할을 했다. 우리는 탄소 원자가 한 개의 산소 원자 혹은 두 개의 산소 원자 등과 결합하여 서로 다른 특성을 갖는 화합물을 생성해내는 것을 쉽게 상상할 수 있다. 원자의 조각들이 결합하는 조합만이 원자 가설에 의해서 배제된다. 돌턴이 제시한 비율은 최소량의 두 배, 세 배, 네 배 등과 같이 오로지 작은 수만을 포함하고 있었기 때문에, 배수 비례의 법칙에 쉽게 도달할 수 있었다는 점을 덧붙여야겠다. 만약 무게의 비율이 1에서 100 사이처럼 넓은 간격으로 흩어져 있었다면, 돌턴은 이러한 사실에서 원자 이론에 대한 입증을 찾을 수 있으리라는 생각을 하지 못했을 것이다. 대신 그는 무게의 다양한 등급(gradation)이 연속적으로 변하며, 이러한 변화는 높은 배수에서 두드러진다고 생각했을지도 모른다. 다행히도 그러한 높은 배수는 한참 뒤에 유기 화합물에서 발견되었으며, 이 시기에는 이미 원자 개념이 확립되어 추가적인 사실들을 탐구하기 위해서 사용되고 있었다.

  

   우리는 지금껏 사실들로부터 사실들을 설명하는 가정으로 나아가는 논리적인 과정을 살펴보았다. 그런데 실제로 돌턴은 이와는 전혀 다른 과정을 통해 자신의 발견을 이루었으며, 이는 역사적으로도 아주 흥미로운 점이다. 돌턴은 사실들로부터 가정으로 나아간 것이 아니라, 이와는 정 반대의 길을 택했다. 그는 원자론적 개념으로부터 화학에 접근했다. 따라서 현대 원자 이론은 고대 이론과는 아무런 관계가 없이 새롭게 발견된 사실들을 기반으로 성장한 것이 아니라, 그 반대로 고대의 원자론적 개념들을 기초로 당면 문제들을 날카롭게 공식화시켰다. 또한 이러한 공식화를 통해, 오직 원자론만을 증명할 수 있는 정확한 사실들을 발견하게끔 이끌었다. 물론 돌턴의 원자 이론이 현재와 같은 형식을 가정한 것은 아니었다. 돌턴은 원자가 열 물질에 포함되어 있다고 생각했으며, 광선 형태로 표현된 “탄성적 기체”가 원자들 근처를 둘러싸고 있는 환상적인 삽화도 그렸다. 산소 및 수소 화합물과 관련된 돌턴 자신의 실험 이외에도, 다른 과학자들이 얻은 수치 결과들은 돌턴이 자신의 이론을 수립하는 데 기여했다.

  

   돌턴의 발견이 이루어진 시기(1805년)와 거의 동시에 게이 뤼삭과 알렉산더 폰 훔볼트가 기체와 관련된 법칙을 발견했다. 기체의 경우, 무게 비율뿐만 아니라 부피의 비율에서도 단순한 수치적 규칙성이 있었던 것이다. 돌턴이 강하게 반대했던 이 발견은, 동일한 부피를 가진 기체에는 동일한 수의 분자들이 있다는 개념으로 이끌었다(아보가드로). 따라서 원자 무게의 참된 비율을 결정하는 것이 가능해졌다. 예를 들어, 이전까지는 물 분자가 하나의 수소 원자와 하나의 산소 원자로 구성되었는지, 두 개의 수소 원자와 하나의 산소 원자로 구성되었는지 등이 확실하지 않았다. 다시 말해, 하나의 수소 원자와 하나의 산소 원자의 무게 비율이 2:16인지 1:16인지가 확실하지 않았다. 아보가드로의 개념이 일관되게 발전해서 이에 대한 결정이 가능하게 되었고, 두 개의 수소 원자가 한 개의 산소 원자와 관련된다는 잘 알려진 결과가 도출되었다. 조금씩 모든 물질의 원자 무게를 확인할 수 있었다. 수소 원자의 무게를 1로 설정하면 다른 무게들은 수소 원자의 무게로 나타낼 수 있게 되었다.

  

   이 시기 이후로 원자 이론은 과학적 화학의 확고한 기초로 자리매김했다. 이제 우리는 화학 원소와 화합물만을 인지한다. 원소 또는 기본 물질은 순수한 원자들로 구성되어 있으며, 화합물 중에서 가장 작은 입자는 분자인데 분자는 서로 다른 원자들이 고정된 비율로 결합하여 구성되어 있다. 화학은 실험적 기예로부터 우리가 오늘날 볼 수 있는 정밀과학으로서 엄청난 성장을 해왔고, 이러한 과학적 발전은 원자 이론이 없었다면 불가능했을 것이다. 원자 이론은 무기 물질 뿐만 아니라 아주 복잡한 구조를 갖고 있는 유기 물질을 설명하는 데 있어 주도적인 개념이었다. 원자 이론이 없었다면 유기 물질의 구성을 전혀 알 수 없었을 것이다. 화학적 연구는 화합물에 있는 원자들의 수를 결정했을 뿐만 아니라, 원자 배열의 본성 역시도 드러내주었다. 화학자들은 원자들의 특정 집단이 여러 화학적 변환에서 하나의 단위처럼 상대적으로 서로 견고하게 결합하고 반응한다는 것을 발견했고, 여러 유기 화합물에서 원자들의 고리 형태 배열을 발견하였으며, 그들은 분자에 있는 원자들의 공간 배열을 모형에서 재생산하기도 했다. 이러한 모든 것들은 분자 내부를 단 한 번도 들여다보지 않고 이해할 수 있었다. 단순히 화학 반응에서의 물질들의 행동을 보고도 이해할 수 있었던 것이다. 하나의 예를 들어보자. 황산이 아연과 결합하여 결정을 형성할 때, 결정에서는 황산에서의 황과 산소는 발견되지만 수소는 발견되지 않는다. 따라서 황과 산소는 황산 분자에서 밀접한 집단을 형성하는 반면, 수소는 좀 더 쉽게 분리되는 원소임을 알 수 있다. 특별히 놀라운 것은 특정한 물질들의 광학적 행동으로부터 얻은 결론들인데, 이는 이 물질들의 편광 투명도와 관계된다. 간략히 말해, 물질 내에서 원자들이 각자의 오른쪽에 위치해 있는지 왼쪽에 위치해 있는지에 따라서 편광 투명도가 달라졌으며, 이는 우리에게 단일 분자의 공간 구조에 대한 통찰을 제공해주었다.

  

   우리가 이전 장에서 다루었던 운동학 이론과 관련하여, 실제로 원자에 대한 정확한 수치적 자료를 얻을 수 있었다. 원자는 극도로 작은 것으로 드러났다. 원자의 지름은 대략 천만 분의 1밀리미터(1밀리미터는 약 25분의 1인치)이다. 원자의 무게는 지름에 대응해서 매우 작다. 수소 원자의 무게는 1000조분의 1그램이고, 1파운드에는 453그램이 포함된다. 원자의 수는 아주 많다. 표준적인 상태에서 1세제곱센티미터의 공기에는 27조 개의 분자들이 있다. 게다가 이 분자들이 서로 가까이 밀집되어 있는 것도 아니다. 이와 반대로, 분자들 사이의 공간은 분자들 그 자체에 의해서 점유된 공간에 비해 훨씬 더 크고, 두 분자 사이의 거리는 평균적으로 분자 하나의 지름의 100배 정도 된다. 따라서 입자들은 아주 빠른 속도로 서로를 스쳐 지나갈 수 있다. 수소 원자들은 초속 1.6킬로미터보다 더 빠른 속도를 가지며, 이는 가장 빠른 비행기가 갖는 속도의 20배 정도 된다. 이러한 자료들은 환상에 근거한 것이 아니다. 이와 반대로, 우리는 아주 다양한 계산 방법을 사용했음에도 불구하고 일관된 결과값을 얻었다. 관찰된 현상의 내적 연관성을 이용한 현상의 이해가능성으로부터 내적 정당화 논증이 비롯되었는데, 일관된 결과값은 이 논증에 대한 증명으로 볼 수 있다. 원자 이론의 이 시기는 커다란 십자말풀이 퍼즐의 해답과 비교될 수 있다. 우리는 이 자리에는 이 단어가 위치해야 하고, 저 자리에는 저 단어가 위치해야 한다는 것을 안다. 이 퍼즐의 공백을 완전히 메우기 위해서 우리는 무엇을 “추측할 수” 있을까? 물질의 원자 구조 이론은 과학의 공백을 메우기 위해서 추측되었으며, 관측된 자료를 함께 모아 더 심오한 통일성 아래로 결합시켰다.

  

   그렇다면 분자와 대비되는 화학적 원자의 특성은 어디에 있을까? 이러한 특성은, 분자는 원자들로 쪼갤 수 있지만, 화학 과정의 결과를 추가로 분리시키는 데 성공하지 못했다는 데 있다. 그렇다면 원자는 화학적 과정에 관련해서는 더 이상 환원불가능한 단위이다. 우리는 그 이상에 대해서는 이야기할 수 없고 이는 자연스러운 일이다. 왜냐하면, 아주 다른 본성을 가진 과정이 있어서 이 과정에 의해 원자가 분리될 수 있을지 그렇지 않을지에 대해서는, 화학의 관점에서는 결정할 수 없기 때문이다. 이것이 바로 “화학적 원소” 개념의 의미이다. 원소란 화학적 방법에 의해서는 더 이상 분해될 수 없는 기본 물질이다.

  

   좀 더 통계적인 관점에서 우리가 얻은 결과들을 요약해보자. 우리는 우리가 자연에서 발견하는 물질들 중 대부분의 것들이 화합물이고, 진정으로 기본적인 물질들을 얻기 위해서는 특별한 과정을 이용해서 이 화합물을 분석해야만 함을 발견했다. 따라서 자연에서 가장 널리 퍼져 있는 물질 중 하나인 물은 고대인들이 생각했던 것과는 달리 기본적 물질이 아니며 화합물이다. 다른 한편, 공기는 화합물이 아니며 두 원소인 질소와 산소의 혼합물이며, 혼합 비율은 4대 1이다. 공기에는 질소와 산소 이외에 다른 기체들의 흔적도 있다. 지구의 지각을 이루고 있는 물질인 모래와 암석 역시 화합물이다. 모래와 암석 모두 원소인 실리콘을 포함하고 있는데, 실리콘은 규산의 구성 성분이기도 하다. 생명체를 구성하고 있는 유기 물질은 탄소가 중심적인 역할을 하는 화합물이다. 이 화합물은 특정한 환경에서 백 개가 넘는 원자들이 결합해서 아주 큰 분자로 성장한다. 기본 물질인 화학 원소들은 80개가 넘는다. 이들 중에서 금속은 일상생활에서 중요한 역할을 담당한다. 왜냐하면 우리의 도구에서 볼 수 있는 빛나는 금속은 화합물이 아니라 원소이기 때문이다. 더 나아가 원자들은 기본 물질 내에서 서로 결합해서 분자를 형성한다. 따라서 수소는 두 개의 수소 원자들이 결합되어 있는 분자를 포함하고 있다. 화학적 인력은 물질 사이의 화학적 차이에 의해서만 발생한다는 것을 생각해보면 이와 같은 사실이 당혹스럽게 여겨질 수 있다. 그러나 이러한 인력의 본성은 화학적 관점에서 보았을 때 완벽히 모호하게 남아 있다. 특정한 사실들의 압력은 그 어떤 설명적 상을 제시하지 않은 채로, 비슷한 원자들로 구성된 이러한 분자들의 존재를 가정하기를 강요하고 있다. 이와 같은 인력은 아주 뒤에서 설명된다. 이러한 설명을 우리는 16장에서 찾아볼 수 있을 것이다.

  

   화학 원소들 전체에 대해서 연구를 해 본 결과, 원소들은 비규칙적인 다양성을 보이는 것이 아니라 그 안에 숨겨진 질서를 갖고 있음을 확인할 수 있었다. 지난 1860년대에 러시아의 탐구자인 멘델레예프와 독일인 로타르 마이어가 서로 독립적으로 연구한 결과 원소들의 순서 안에서 특정한 규칙성을 발견했는데, 이를 원소들의 주기체계라고 부른다. 대략 말하자면, 원소들을 원자 무게 순서로 배열했을 때 원소들이 갖는 화학적 속성들이 일련의 주기적인 규칙성을 보여주었다. 가장 먼저 수소가 나타나는데 수소는 그 자체로 하나의 집합을 형성한다. 두 번째로 보이는 헬륨과 함께 첫 번째 주기가 시작된다. 첫째 주기는 리튬, 탄소, 질소, 산소, 플루오르로 이어진다. 이 주기를 시작하는 비활성 기체인 헬륨은 화학적으로 매우 반응성이 적은 물질이며, 이에 따라 화합물 속에 포함되지 못한다. 이에 반해 리튬은 알칼리성의 속성을 갖고 있으며 화학적으로 매우 반응성이 크다. 주기의 중앙으로 갈수록 점차적으로 원소들은 알칼리성에서 산성으로 변화하며, 마지막 원소인 플루오르는 산을 만들고자 하는 강한 경향성을 갖고 있다. 동일한 규칙성이 다음 주기에서도 반복된다. 두 번째 주기는 네온에서 시작하며, 이 주기에서 나트륨은 반응성이 큰 알칼리성 원소이다. 뒤이어 가벼운 금속인 마그네슘과 알루미늄, 실리콘, 황, 염소가 뒤를 이으며, 여기서도 마지막에는 강렬한 산성 원소로 끝난다. 동일한 과정이 좀 더 높은 집단에서 계속 반복된다. 원자 무게가 커질수록 좀 더 복잡해진다. 여러 곳에서 찾을 수 있는 아주 유사한 화학적 특성을 가진 다수의 물질들을 이용하여 보간법을 사용할 수 있을 정도로, 하나의 단일 집단은 충분히 길어진다. 그러나 항상 우리는 화학적으로 중성적인 물질에서 시작해서 알칼리 및 중간적인 속성들을 원소들을 거쳐 종국에는 산을 형성하는 원소들에 도달하는 동일한 규칙성을 찾게 된다.

  

   멘델레예프는 이 배열 속에서 아주 중요한 규칙성을 발견했고, 그는 주기율표에서 아직까지 채워지지 않은 공백에 지금까지 알려지지 않은 물질들이 채워져야 한다고 대담하게 판단할 수 있었다. 따라서 멘델레예프는 실리콘과 관계된 원소를 예측할 수 있었는데, 이 때 그는 이 원소의 화학적 속성들 및 원자 무게를 정확하게 기술하고, 이 원소를 에카-실리콘이라고 불렀다. 실제로 이 물질은 13년이 지난 뒤에 실제로 발견되었으며 게르마늄이라는 이름을 얻었다. 물론 그와 같은 예언의 검증은 추측된 법칙에 대한 가장 좋은 증거들 중 하나이다. 따라서 이제 주기율표가 우연적 규칙성이 아니라 자연의 내적 법칙을 표현한다는 것에 대해서는 그 누구도 논쟁하지 못했다. 그러나 이 법칙의 근원이 어디인지에 대해서는 더 탐구를 해야 하며, 우선 당분간 이에 대한 논의는 미뤄두겠다.

  

   그러나 1815년과 같은 이른 시기에 화학자 프라우트는 이후에 주기율 체계의 해석으로 적합해 보이는 의견을 표출한 바 있었다. 그는 화학 원소들이 문자 그대로의 의미에서 기본 물질은 아니며, 원소들의 원자는 하나의 근본적 유형의 원자들로 구성되어 있고 이러한 원자들이 다양한 조합을 가지고 있는 것으로 보았다. 그와 같은 근본적인 물질은 수소에 이해서 제공되는데, 그것은 수소가 가장 가벼운 원자이기 때문이다. 이에 따라, 무게가 큰 원자의 경우는 수소 원자들의 집합체가 되어야 한다. 주기율 체계에서 이 개념은, 원자 무게가 일반적으로 대략 수소 원자 무게의 정수배인 사실로부터 입증되었다. 프라우트의 가설이 그보다 훨씬 이후에 발견된 주기율 체계에 적용될 경우, 이는 매우 독창적이며 동시에 이 체계에 대한 매우 대담한 해석으로 보인다. 프라우트의 가설은 최근에 이르러 자연에 대한 다른 풍부한 증거들의 지지를 통해 결정적인 입증을 이루어냈다.