세상을 이해하기 위한 최소한의 화학(최소한의 지식 2)

돌멩이와 바닷물, 대기를 이루는 것은 무엇일까?
생명체는 어떤 구조로 움직이고 유지하고 살아갈까?
인류는 화학에서 어떤 기회와 즐거움을 찾아냈을까?


어떠한 학문 분야와도 연계하고 소통할 수 있는
화학이야말로 진정한 '중심 과학'

《세상을 이해하기 위한 최소한의 화학》은 "화학은 별에서 시작된다"는 명제(《화학이란 무엇인가?》를 쓴 피터 앳킨스의 말)로 시작한다. 음식·약품·신소재 등 일상에 관한 궁금증에서 출발하는 생활 밀착형 화학책들과 사뭇 다르며, 교과서식으로 무기화학·유기화학·분석화학 같은 전문 하위분야를 나열하지도 않는다. 최초의 원자에서 출발해 100가지 화학물질을 간결한 연대기식 구성으로 다루지만, 자연사적·과학사적 맥락 속에서 인간 사회와의 연결 고리를 중심으로 이야기를 풀어내 우주-지구-생명-문명-산업-미래를 잇는 서사를 완성한다.

연쇄적인 핵합성과 초신성, 우주 공간 전체에서 벌어지는 역동적인 물질 간 화합의 결과는 문자 그대로 극적이었다. 그 결과 무한한 공간의 일부에서 새로운 별이 만들어졌고 … 그 별이 내뿜는 빛에 기대어 사는 식물이 지구상에 나타났으며, 그 식물이 만들어 내는 물질을 먹고사는 동물도 세상에 모습을 드러냈다. 그리고 우주를 구성하는 모든 존재는 화학물질을 매개로 서로 소통해 왔다.

물리학이 다루는 우주의 기원은 원자와 분자의 탄생으로 연결되고, 지구과학이 설명하는 환경은 광물과 대기와 해수의 성분으로 구체화된다. 생물학의 생명 현상은 고분자와 효소의 대사로 환원되고, 역사학과 사회학과 경제학이 다루는 문명과 전쟁과 산업은 천연자원과 합성물 등의 에너지와 기술로 재해석된다. 화학이 모든 자연과학을 연결하는 중심 과학이라는 저자의 말이 허언이 아님을 증명하듯 탄탄하고 설득력 있다.
많은 사람이 암호처럼 난해한 주기율표로 화학을 기억한다. 혹은 호기심을 자극하는 우연한 발견이나 실패담의 역사로 접근하는 데 그치곤 한다. 이 책은 분절적으로 보이는 물질의 원리를 통합적 세계관으로 추적하며 현상을 이해해 보는, 색다른 화학 독법을 제공한다. 독자는 화학을 '외워야 할 지식'이 아니라 '이해의 틀'로 다시 보게 된다.


물질의 원리와 현상을 분석하는 화학적 사고법은
현실 문제를 해결하는 가장 강력한 도구

각 장에서 물질을 들여다보는 방식은 다음과 같다. 핵융합/전자껍질/공유결합/산화와 환원/평형 등 화학적 원리를 바탕으로 → 수소/철/엽록소/포도당/암모니아/실리콘 등 각각의 물질을 살펴본 후 → 별의 진화/생명 유지/환경 문제/기술 혁신 등의 현상을 설명하는 식이다.
예를 들어 3부(모든 생명체는 별의 자손이다)에서는 셀룰로스/엽록소/포도당/ATP/신경전달물질 등 생명 유지에 핵심적인 분자들을 소개하며, "생물이란 결국 탄생하여 소멸할 때까지 능동적인 화학반응을 통해 끊임없이 외부와 화학물질을 주고받는 거대하고 정교한 분자 조립체"라는 화학적 관점으로 생명 현상을 이해하도록 돕는다. 4부와 5부에서는 청동/강철/수크로스/시멘트 같은 물질문명부터 의약품/염료/플라스틱 같은 합성물의 빛과 그늘까지, 화학의 성취와 위험을 균형 있게 다루며 현대를 비판적으로 검토할 학문으로 주목하기도 한다.

인류는 축적한 지식을 바탕으로 지구상 어떠한 생명체도 시도하지 않았던 새로운 모험을 벌인다. 바로 존재한 적 없던 새로운 물질을 화학 법칙을 기반으로 새로이 합성하는 일이었다. … 덕분에 인류 사회는 삶의 질을 높여주는 갖가지 화학물질의 축복으로 전례 없이 팽창했다. 하지만 이는 인류 사회를 파멸로 이끄는 전쟁과 환경 오염 같은 문제를 야기하기도 했다.

이렇듯 자연이 따르는 보편적 규칙이 있고, 그 원리가 구현된 형태가 물질이며, 그 토대 위에 우리가 관찰하고 경험하는 세계가 존재한다. 이를 거꾸로 보면, "왜 어떠한 현상이 벌어지는가?"라는 질문에 관해 보이지 않는 원리와 눈에 보이는 물질을 종합해 해답을 구하는 학문이 바로 화학인 셈이다.

1985년 남극에 심각한 오존층 소실이 확인되었다는 연구 결과가 나오면서 오존층 파괴 문제는 절체절명의 위기로 비화되었다. 전 지구적 협력이 필요하다는 의견에 따라 1987년, 몬트리올 의정서가 채택되었고 … 이는 가입국들이 프레온 가스를 비롯한 96종의 오존층 파괴 물질의 생산과 소비를 차츰 줄이다가 마침내 금지하도록 설계되었다. 다행히도 최근 보고에 따르면 2005년부터 오존층 파괴 물질 농도가 낮아지면서 … 2035년이면 남극에서 더 이상 오존 감소가 일어나지 않을 것으로 예상된다고 한다.


아이디어를 넘어 물질을 설계하는 능력이
AI 시대 화학의 경쟁력

마지막 6부는 반도체/2차전지/케블라/폴리아크릴로나이트릴 등 미래를 선도할 핵심 물질을 다루며 화학의 현주소를 보여준다. 같은 원리라도 어떤 물질을 사용하는가에 따라 형태가 어떻게 달리 구현되는지, 화학 기술이 왜 문명의 성패를 좌우하는 핵심 변수인지 알 수 있다.

오늘날 쓰이는 전지의 대부분은 화학 에너지를 전기 에너지로 전환하는 화학 전지다. 그러나 이때 산화-환원 반응은 거꾸로 돌릴 수 없는 비가역반응이라 한번 사용을 마치면 다시 사용할 수 없어서 버려야 했다. 이를 1차전지라고 부른다. … 반면 충전과 방전을 반복하여 거듭 사용할 수 있는 전지를 2차전지라 부르며, 이는 쓰레기 문제도 줄고 편리하게 재사용할 수 있어 관련 연구가 급속도로 진행되었다. … 2차전지 발전 역사에서 가장 중요한 발병은 가장 가벼운 금속인 리튬을 전하 운반체로 활용한 리튬 이온 전지다.

이처럼 미래 사회를 바꾸는 기술은 아이디어 이전에, 물질의 가능성에서 출발한다. 에너지 저장, 반도체 성능, 신약 개발, 친환경 공정 같은 미래의 수많은 문제에 관해, AI 알고리즘이 방대한 가능성을 제안할 수는 있겠지만 결국 현실의 물질로 구현하는 일은 화학의 역할일 터, 《세상을 이해하기 위한 최소한의 화학》이 '최소한의' 도움이 되기를 기대한다.

들어가며

1부. 가장 작은 우주로부터
001 수소 원자 : 가장 작은 원자
? 원자의 생김새
002 중수소 : 동위원소의 등장
003 헬륨 기체 : 최초의 비활성기체
004 알파입자 : 불안정한 핵의 붕괴
005 삼중수소 : 또 다른 붕괴
006 수소 분자 : 공유결합을 통한 이원자 분자의 등장
? 원자의 구성
007 일산화 탄소 : 다양한 성간 물질의 형성
008 풀러렌 : 우주에서 영감을 받아 만들어진 아름다운 분자
009 니켈 : 가장 안전한 원자핵
010 철 : 별의 죽음과 새로운 원소들의 탄생

2부. 창백한 푸른 점, 지구
011 외핵 : 지구 자기장 방어막의 원천
012 석영 : 지각에 제일 풍부한 광물
013 백운모 : 비늘처럼 벗겨지는 광물
014 현무암 : 구멍이 숭숭 뚫린 제주도의 상징
015 황동석 : 구리를 품은 광석
016 자철석 : 쇠붙이가 달라붙는 광석
017 석회암 : 바다 생물의 껍질이 만들어 낸 돌
018 다이아몬드 : 가장 단단한 탄소 동소체
019 라돈 : 지상의 자연 방사선020 물 : 바다를 이루는 액체
021 염화 소듐 : 바닷물이 짠 이유
022 염화 마그네슘 : 두부 제조에 꼭 쓰이는 간수
? 이온화합물
023 질소 기체 : 과자 봉지 속 기체
024 산소 기체 : 생명체 호흡의 필수 요소
025 이산화 탄소 : 지구 온난화의 원인
026 아르곤 : 비활성기체 발견 역사의 시작

3부. 모든 생명체는 별의 자손이다
027 셀룰로스 : 식물 세포벽을 구성하는 주요 고분자
028 리그닌 : 식물을 지탱하는 단단한 고분자
029 알진산 : 해조류를 구성하는 주요 고분자
030 엽록소 : 광합성의 필수 색소
031 베타카로틴 : 당근의 색깔을 내는 카로틴
032 사이아니딘 : 포도와 베리의 색깔을 내는 화청소
033 포도당 : 광합성의 제일 목적
034 녹말 : 식물이 생산한 에너지 저장고
035 아데닌 : 유전 정보를 품은 염기 분자
036 포스파티딜콜린 : 동물 세포막을 구성하는 이중층
037 글라이신 : 가장 간단한 아미노산
? 유기화합물의 기능기
038 수산화 인회석 : 뼈와 치아를 구성하는 무기물
039 알파 아밀레이스 : 음식이 처음 만나는 소화 효소
040 인슐린 : 혈당을 제어하는 호르몬
041 글리코젠 : 동물이 생성한 에너지 저장고
042 트라이글리세라이드 : 지방의 다른 이름
043 티아민 : 생리 작용을 조절하는 비타민
044 아데노신 삼인산(ATP) : 에너지 대사의 핵심
045 탄산 : 혈액의 항상성을 유지하는 화학
? 산과 염기
046 헤모글로빈 : 산소와 이산화 탄소의 운반
047 아세틸콜린 : 시냅스 사이 신호를 전달하는 전령
048 도파민 : 뇌의 신경 전달 물질
049 세로토닌 : 우울한 이들에게 행복감을
050 베타엔도르핀 : 인체가 생산하는 궁극의 진통제

4부. 인류의 발견에서 문명의 발전으로
051 청동 : 금속 도구의 등장
? 고대 사회 교역과 청동
052 강철 : 현대 산업의 쌀
053 고령토 : 도자기의 핵심 성분
054 시멘트 : 인류가 애용한 건축 재료
055 석탄 : 고대 식물이 남긴 선물
056 메테인 : 액화천연가스의 주성분
057 헨트라이아콘테인 : 파라핀 왁스의 정체
058 아세틸렌 : 고온 용접 불꽃의 원료
059 벤젠 : 케쿨레의 꿈
060 질산 포타슘 : 전쟁의 필수품
061 수크로스 : 달콤한 유혹
062 아세트산 : 입안에 침이 고이게 하는 맛
063 캡사이신 : 혀가 얼얼해지는 화끈한 맛
064 글루탐산 소듐(MSG) : 해조류에서 얻어낸 감칠맛의 정체
065 아세트산 아이소아밀 : 과일의 향기
066 푸트레신 : 부패의 악취
067 에탄올 : 술의 주원료
068 자일리톨 : 충치 잡는 분자
069 아세트알데하이드 : 숙취의 원인
070 카페인 : 교황의 축복을 받게 된 악마의 음료
071 니코틴 : 애연가를 정복한 담배 연기 속 정체
072 모르핀 : 역사를 바꾼 마약
073 인디고 : 청출어람

5부. 화학 합성의 양날
074 요소 : 무기물이 유기물로 전환되는 화학
075 암모니아 : 공기에서 빵을 만드는 화학
? 르 사틀리에의 원리
076 아스파탐 : 합성 인공감미료의 시작
077 아질산 소듐 : 더 맛있게 보이는 고기와 생선
078 아세틸살리실산 : 만인의 해열진통제
079 벤질페니실린 : 수많은 사람을 살리게 된 우연
080 모베인 B : 유럽을 매료시킨 자주색 합성 염료
081 프러시안 블루 : 유럽을 매료시킨 푸른빛의 합성 안료
082 베이클라이트 : 최초의 플라스틱
083 메틸 고무 : 최초의 합성 고무
084 나일론 : 최초의 합성 섬유
? 고분자 합성
085 폴리에틸렌(PE) : 플라스틱 전성시대
086 사이안화 수소 : 홀로코스트의 비극
087 우라늄-235 : 제2차 세계대전의 끝과 새로운 공포의 시작
088 이산화 황 : 대기 속 황산
089 이산화 질소 : 각종 대기 오염의 원흉
090 오존 : 지구를 살릴 수 있다는 희망

6부. 다시 끝없는 우주를 향해
091 규소 : 현대 반도체 문명의 기반
092 질화 갈륨 : 찬란한 푸른빛을 내는 반도체
093 루비 : 초장거리 레이저 광통신의 가능성
094 리튬 : 전기 문명의 도약을 이끌 2차전지의 핵심 소재
? 리튬 이온 전지의 구조
095 할로젠화 메틸암모늄 납 : 페로브스카이트 태양전지
096 백금 : 연료전지의 촉매
097 질화 붕소 : 우주방사선을 막는 2차원 소재
098 케블라 : 질기고 강한 섬유
099 폴리아크릴로나이트릴(PAN) : 고성능 탄소섬유의 출발
100 탄소나노튜브(CNT) : 우주로 떠나는 엘리베이터

나가며
미주

김성수 서울대학교에서 화학과 물리학을 전공하고 최우수 졸업(숨마쿰라우데)을 했다. 고분자화학 연구로 동 대학원 화학부에서 박사 학위를 취득했고, 박사후연구원으로 미국 미네소타대학 화학공학과에서 연구를 수행했다. 〈카번(Carbon)〉 등 국내외 저널에 40여 편의 논문을 게재하며 학계에서 활발히 활동하고 있다. 현재 한국과학기술연구원(KIST) 전북 복합소재기술연구소 선임연구원으로 재직하며, 다양한 고분자 물질이 탄소 소재로 전환되는 과정과 결과를 연구하는 데 힘쓰고 있다. 지은 책으로 《읽자마자 과학의 역사가 보이는 원소 어원 사전》이 있다.