두 얼굴의 원소라고?(질문하는 과학 13)

▶ 화학이 레고 블록? 원소의 개념을 친숙하고 이해하기 쉽게 알려 주다
주기율표와 화학식으로 시작되는 원소는 이해하기가 쉽지 않다. 주기율표를 외우는 데에서부터 화학을 포기했다고 말하는 청소년들도 꽤 있다. 저자는 청소년들이 화학 개념을 쉽게 이해할 수 있도록 친숙한 레고 블록 장난감으로 원소의 세계를 설명한다. 레고 조각을 연결해서 자동차를 만들고, 거대한 배를 만들고, 이를 다시 해체해서 영화 속 멋진 캐릭터로 만들듯이, 탄소 블록 조각 1개와 산소 블록 1개를 연결해서 일산화탄소(CO)라는 기체가 만들어지고, 탄소 블록 1개와 산소 블록 2개를 연결해 이산화탄소(CO2)라는 전혀 다른 기체가 된다. 이처럼 화학의 원소 하나하나가 레고 블록의 한 조각이라고 생각하면, 어렵기만 한 화학식도 레고 블록을 쌓듯이 흥미롭게 이해할 수 있고, 이렇게 연결하고 또 연결해서 고분자가 되는 과정을 통해 새로운 물질의 생성 과정을 배울 수 있다.
화학의 원소들을 조립해서 만들 수 있는 물질의 개수는 무한대에 가깝기 때문에 화학을 무한한 가능성을 탐구하는 학문이라고 부른다. 현재까지 발견된 원소는 118가지인데, 이미 발견된 원소라도 어떤 방식으로 조합하느냐에 따라 무궁무진한 가능성이 펼쳐지기에 화학이 엄청 매력적으로 느껴진다.

▶ 원소가 두 얼굴을 가졌다고? 원소에 대한 편견과 오해를 풀다
인간에게 이롭다고 알려지거나 해롭다고 알려진 원소들이 있다. 잘 사용하면 생명 유지는 물론 우리 삶을 더욱 윤택하고 편리하게 만들어 주지만, 잘못 활용하거나 남용할 경우에는 우리 몸은 병들게 되고 환경은 파괴될 수 있다. 발견되고도 공장 노동자에게 큰 독성을 일으켜 100년 가까이 사용되지 못했던 셀레늄, 대표적인 발암 물질로 알려진 카드뮴, 중세 시대 독살 용도로 사용된 비소, 방사능 공포를 느끼게 하는 세슘 등 듣기만 해도 무시무시한 원소들이다. 그러나 이들 원소가 해롭기만 한 것은 아니다. 셀레늄은 신체 노화를 더디게 하는 데 매우 중요한 역할을 하며, 카드뮴은 QLED TV의 선명한 화질을 볼 수 있게 한다. 비소 화합물인 갈륨비소 덕분에 우리나라는 반도체 강국이 될 수 있었고, 적정량의 세슘은 방사선 치료에 사용된다. 이 책을 통해 원소가 가진 양면성을 이해하면, 막연히 두려워하지 않고, 안전하게 사용할 수 있는 방법을 배울 수 있다.

▶ 새로운 미래를 만드는 화학의 역할
화학을 이해하는 게 왜 중요할까? 새로운 문명이 개척되는 데에는 원소의 발견과 조합이 큰 역할을 했기 때문이다. 청동기 시대를 연 '청동'은 주석과 구리의 합금이고, 전쟁의 역사를 바꾼 '화약'은 황이라는 원소로 만들어졌다. 굶주린 인류에게 대량 식량 생산이라는 혁명적인 변화를 가져오는 데에는 비료 속 질소의 역할이 컸다. 이제 화학자들은 화석 연료를 대체할 친환경 배터리를 만들기 위해 리튬이나 소듐, 수소, 아연 등을 연구하고, 실제 이들 배터리를 장착한 전기차가 휘발유차나 경유차와 함께 고속도로를 달리고 있다. 빛의 속도로 영화를 다운로드하여 우리의 눈과 귀를 즐겁게 해 주는 데는 광섬유 속에 포함된 저마늄의 역할이 있다. 인류에게 닥친 심각한 환경 문제들을 해결하고, 난치성 질병을 치료할 치료제 개발 등 원소가 가진 무궁무진한 잠재력을 이해할 수 있다.

▶ 원소 이름에 얽힌 흥미로운 에피소드와 위험을 무릅쓴 화학자들의 도전
프랑슘은 발견한 과학자의 모국인 프랑스의 이름을 따서 프랑슘이라고 명명했고, 아인슈타이늄이나 퀴륨 원소는 과학자의 이름에서, 타이타늄은 그리스 신화 타이탄의 이름에서 나왔다. 우리나라 과학자가 새로운 원소를 발견하게 되면 어떤 이름이 지어질까, 상상하는 것만으로도 가슴이 뛴다. 첫 발견자로서 원소의 이름을 지을 수 있는 권한이 있기 때문이다.
현재까지 알려진 118개의 원소는 그냥 알려진 것이 아니라 과학자들의 끊임없는 도전 정신 덕분이다. 이 책에는 폭발이나 독성과 같은 위험에도 불구하고 쉽게 포기하지 않았던 과학자들의 이야기가 다양하게 소개되어 있다. 연금술사 브란트는 금을 얻기 위해 소변을 가열하고 증류하다 인을 발견했고, 프레데릭 맥케이라는 치과 의사는 30년을 연구에 매달려 플루오린이라고도 불리는 불소라는 원소 때문에 충치가 생기지 않았다는 사실을 발견했다. 주변에서 일어나는 일들에 대해 깊은 관심을 갖고 왜 그럴까 하는 질문을 끊임없이 던지는 자세가 과학의 발전을 이끈다는 것을 알 수 있다.

프롤로그
주기율표

1장 화학을 통해 세상을 더 깊이 바라보기
1 화학은 레고 블록?
2 인간은 원소로 이루어져 있다고?
3 원소는 두 얼굴을 갖고 있다고?
4 화학이 환경 문제를 해결할 수 있을까?
5 산소는 누가 발견했을까? 산소(O)
6 소변에서 처음 발견된 원소는? 인(P)
7 식물에 마그네슘이 부족하면 어떤 일이 일어날까? 마그네슘(Mg)
생활 속 화학 상식 ① 소시지가 담배 연기만큼 해롭다고?

2장 화학은 에너지 기술의 핵심
8 배터리 기술의 핵심 원소는? 리튬(Li)
9 도전의 상징인 원소가 있다고? 소듐(Na)
10 가장 가벼운 원소는? 수소(H)
11 '악마의 구리'라고 불렸던 원소는? 니켈(Ni)
12 영양제인 아연이 전기를 만들어 낸다고? 아연(Zn)
13 붕소는 핵융합에서 어떤 역할을 할까? 붕소(B)
14 황이 전쟁의 역사를 바꿨다고? 황(S)

3장 시대에 따라 가치가 달라진 원소들
15 노화 속도를 늦춘다고? 셀레늄(Se)
16 은은 늘 2등일까? 은(Ag)
17 청동기 시대를 연 원소는? 구리(Cu)
18 '가짜 은'으로 취급된 원소는? 백금(Pt)
19 수돗물에 있는 염소가 화학 무기로 쓰였다고? 염소(Cl)
20 알루미늄이 고급 식기로 사용되었다고? 알루미늄(AI)
21 나폴레옹이 러시아 원정에서 진 이유는? 주석(Sn)
생활 속 화학 상식 ② 욕실 청소하다 골로 간다!!

4장 중금속이라고 무섭기만 할까?
22 선명한 색 속에 비수를 숨기고 있다고? 카드뮴(Cd)
23 스테인리스강은 영국과 프랑스의 콜라보? 크로뮴(Cr)
24 납이 로마의 몰락과 관련 있다고? 납(Pb)
25 중세 유럽에서 독약으로 사용됐던 원소는? 비소(As)
26 연금술의 핵심이 수은이었다고? 수은(Hg)
생활 속 화학 상식 ③ 뜨거운 짬뽕을 주의하세요!

5장 생명과 관련된 원소들
27 식량 부족의 해결사가 된 원소는? 질소(N)
28 세슘 하면 방사능 공포가 느껴진다고? 세슘(Cs)
29 칼륨과 포타슘은 같은 원소일까? 포타슘(K)
30 프랑슘은 어느 나라와 관련이 있을까? 프랑슘(Fr)
31 칼슘은 뼈에만 중요할까? 칼슘(Ca)
32 충치 예방에 기여한 원소는? 불소(F)
33 갑상샘암 진단에 사용되는 원소는? 아이오딘(I)
34 금이 암 치료에 사용된다고? 금(Au)
생활 속 화학 상식 ④ 숯불구이의 위험성!!

6장 기술 혁신을 이끄는 원소들
35 탄소는 변신의 귀재? 탄소(C)
36 실리콘이 모래와 관련 있다고? 실리콘(Si)
37 광부를 괴롭히는 요정 이름에서 유래된 원소는? 코발트(Co)
38 저마늄은 광섬유에서 어떤 역할을 할까? 저마늄(Ge)
39 고성능 스피커와 관련 있는 원소는? 베릴륨(Be)
40 타이타늄이 외유내강의 상징이라고? 타이타늄(Ti)

강상욱 현재 상명대학교 화학에너지공학과 교수로 재직 중이다. 서울대학교 대학원 화학생물공학부에서 박사학위를 받은 뒤, 미국 MIT에서 박사후과정을 보냈다. 2010년 임용 당시 대한민국 최연소 남자 대학교수였으며, 2020년 부총리 겸 교육부장관상, 2021년 LG젊은공업화학인상, 2022년 화학공학회 심강논문상을 수상하였다.
저서로는 건강하고 안전하게 살기 위한 생활 속 화학 이야기를 다룬 《케미컬 라이프》, 《케미스토리》 등이 있으며, 여러 매체나 강연 등을 통해 과학 지식을 쉽게 전달하고 있다.