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삶 속의 화학을 만나다!

『일상적이지만 절대적인 화학지식 50』은 화학에서 현실과 관련 있으면서 흥미로운 부분에 초점을 맞추어 쓴 책이다. 이 세상 거의 모든 것의 핵심에는 화학이 있음을 밝힌다. 원자, 분자, 화합물과 혼합물 같은 화학의 구성요소들은 한편으로 지구 상 모든 물질의 구성요소이다. 우리가 매일 차에 넣는 석유, 나의 유전정보가 들어 있는 DNA, 미래를 이끌 3D프린팅, 인공 근육 등이 모두 화학지식에서 비롯되었다는 사실을 알 수 있다. 지금까지 지루하고, 재미없는 '과학'이라고 생각해왔던 독자들도 이 책을 통해 화학의 새로운 면모를 발견하게 될 것이다.

화학은 가만히 앉아서 플라스크만 뚫어져라 쳐다보는 그런 것은 아니다.
우리가 매일 차에 넣는 석유, 나의 유전정보가 들어 있는 DNA,
미래를 이끌 3D프린팅, 인공 근육 등이 모두 화학지식에서 비롯되었다.
화학을 몰라도 살 수는 있지만 화학 없이는 살 수 없다.

▼ 맥주에서 핫팬츠까지, 우리 삶을 이루는 화학
오늘날 화학은 과학의 여러 분야 가운데서도 그다지 인기 있는 종목은 아니다. 웬일인지 사람들에게 화학이라고 하면 생물학보다 현실과 거리가 멀고, 물리학보다 덜 흥미로운 분야처럼 생각하는 선입견이 존재한다. 하지만 화학에 대한 이런 생각은 그야말로 선입견이다. 이 세상 거의 모든 것의 핵심에는 화학이 있다. 원자, 분자, 화합물과 혼합물 같은 화학의 구성요소들은 한편으로 지구 상 모든 물질의 구성요소이다. 화학 반응은 생명을 유지하고 생명체가 의존하는 모든 물질을 만들어내는 역할을 한다. 화학의 생산물은 맥주에서 핫팬츠에 이르기까지 현대인의 삶을 발전시켜 왔다.

화학이 지금까지 간직하고 있는 중요성에 비해 부당한 이미지를 얻은 이유는 화학자들에게 있다고 해도 과언이 아니다. 사실 현실과 관련된 흥미로운 주제에 초점을 맞추기보다 화학 작용의 근본에 있는 일련의 규칙이나 분자구조의 형식, 화학 반응의 양적 관계 등에 화학자들이 집중해왔기 때문이다. 화학자들에게는 무엇보다 중요한 규칙과 반응이지만 일반인들에게 흥미가 없는 것은 물론이고, 화학자 자신들도 특별히 흥미롭지는 않다는 사실은 인정할 것이다. 그 점을 안타깝게 여기던 필자는 화학에서 현실과 관련 있으면서 흥미로운 부분에 초점을 맞추어 이 책을 썼다.

▼ 세상을 만든 가장 기본 단위
세상은 무엇으로 만들어졌을까? 그 답을 찾기 위해 인류가 끊임없이 연구해오고 있는 질문이다. 그 시대로 되돌아갈 수는 없지만 지금 우리를 구성하고 있는 것이 무엇인가를 살펴보는 것을 시작으로 우리의 기원을 유추해 볼 수는 있지 않을까?
우리가 흔히 듣는 원자는 화학의 구성단위이자 우주 만물의 구성단위이다. 그래서 이 원자를 이해하면 실험실의 화학 반응에서 일어나는 일이나 자연에서 일어나는 일의 대부분을 이해할 수 있다. 원자는 크기가 매우 작기 때문에 최근까지도 그 모습을 눈으로 볼 수 없었다. 그러다 고해상도 현미경이 개발되면서 과학자들은 원자를 볼 수 있게 되었다. 지구상에 존재하는 다양한 생물들은 모두 특별한 원자 하나를 가졌다. 그것이 바로 탄소다. 깊은 바다 밑바닥에 사는 박테리아에서 저 하늘 높이 날아다니는 새에 이르기까지 지구에 사는 생물이라면 이 탄소라는 원자를 공유하지 않는 존재는 없다. 물론 우리가 지구 외의 다른 곳에 사는 생물을 아직 만나본 적이 없으니 100%라고 단정 지을 수는 없어도, 우리가 아는 생물은 탄소를 기반으로 번성했다.

꿈틀꿈틀, 벌렁벌렁 기어 다니거나, 펄럭이며 날아다니거나, 헤엄치거나, 걸어 다니는 모든 지구에서 살아가는 생물의 근본이 탄소다. 또 DNA에서 단백질, 지방, 탄수화물, 우리 뇌의 신경 세포의 시냅스를 건너다니는 신경전달물질까지 모든 생물 분자의 화학적 골격을 형성한다. 우리 몸을 구성하는 원자를 하나하나 세어보면 6개 중 하나가 탄소다. 탄소보다 더 수가 많은 원자는 산소와 수소뿐인데, 왜냐하면 우리 몸의 대부분이 물로 이루어져 있기 때문이다. 그럼에도 탄소는 다른 원소들보다 유난히 사람들 입에 자주 오르내린다.

탄소는 대기를 오염시키고, 지구의 기후를 엉망으로 만드는 요주의 원소이기도 하기 때문이다. 인류는 탄소 배출량을 줄여야 한다고 목소리를 높이고 있다. 그렇게 탄소를 억제하고 길들여야 할 대상으로 생각한다. 하지만 탄소는 양성자와 중성자로 이루어진 작고 단단한 구를 6개의 전자구름이 둘러싼 평범한 원소일 뿐이다. 그런 단순한 원소를 요주의 원소로 만든 것은 다름 아닌 인류다.

자동차 산업은 20세기가 시작될 무렵만 해도 그리 크게 문제가 되지 않았지만, 자동차가 급속하게 증가하면서 대기 중 이산화탄소 농도가 치솟는 문제가 일어난 것이다. 여기에 더해 자동차 엔진이 발생시키는 에너지가 공기 중 다른 구성 성분들도 반응을 일으켜 다른 오염물질의 농도도 상승했다. 썩지 않는 플라스틱, 급속도로 늘어난 자동차에서 뿜어져 나오는 어마어마한 양의 이산화탄소, 오존층에 구멍을 뚫고 있는 프레온 가스 등 인류가 지구 환경에 미친 영향은 그대로 두면 존재를 위협할 정도가 되었다.

▼ 그럼에도 답은 ‘화학’이다
오늘날 세계는 지구라는 아직은 우주에 하나뿐인 환경을 유지하고 지켜내기 위해 기술적 도전에 직면해 있다. 그 가운데 가장 중요한 두 가지 문제는 모두 연료와 관련된다. 첫 번째는 화석 연료가 고갈되고 있다는 점이고, 두 번째는 화석 연료를 연소시키다 보니 대기가 점점 온실가스로 채워져 지구의 성질 자체가 인간의 삶에 불리한 쪽으로 변화하고 있다는 점이다. 사실 어떻게 보면 답은 정해져 있고, 너무 뻔하다. 화석 연료의 사용을 중단하면 된다.

하지만 인류는 지금 당장 화석 연료를 중단할 수는 없다. 그렇다면 지구의 삶에 에너지를 공급할 새로운 방법을 찾아야 함을 의미한다. 자연환경을 이용한 태양에너지와 풍력에너지를 개발해 사용하고 있지만 아직 연료를 개발하지는 못하고 있다. 지구를 위협하지 않고도 인류가 불편 없이 사용할 수 있는 청정연료를 개발하는 것이 지구 미래를 위해 화학이 안고 있는 숙제였다.

우리는 햇빛을 이용한 청정 연료를 만들고, 제트 연료를 만들 수 있기는 하다. 그렇다고 숙제를 다 한 것은 아니다. 앞으로 대부분의 연구 개발에서 그렇듯 진짜 어려운 부분이 남아 있다. 바로 이런 공정을 저렴하고 신뢰할 수 있게, 그리고 지구의 천연자원을 많이 소모하지 않는 방식으로 실용화하는 것이다.

오늘날 우리에게 필요한 것을 만들어내고, 지속 가능한 방법으로 이용할 수 있도록 해주는 것, 바로 그것을 해줄 수 있는 게 화학이기 때문이다

[ 책속으로 추가 ]

빛이 엽록소에 부딪히면서 에너지를 전달해준다. 이른바 ‘안테나’ 엽록소라는 수많은 분자가 이 빛에너지를 포획한 다음 엽록체 안에 있는 광합성 반응의 중심에 해당되는 좀 더 특화된 엽록소로 전달한다. 이 특화된 엽록체에서 떨어져 나온 전자가 일련의 전자 전달 반응을 촉발 한다. 이 반응에서 분자들은 마치 수건돌리기 놀이에서 수건을 전달하듯 전자를 연속적으로 주고받는다. 이 산화 환원 반응의 사슬은 궁극 적으로 NADPH나 ATP 같은 분자 형태로 화학에너지를 생산한다. 그 리고 이 분자들이 당을 합성하는 반응을 주도한다. 이 과정에서 물 분 자가 ‘쪼개져서’ 우리가 들이마시는 산소가 생성된다. -189쪽

화학의 발달은 더욱 효율적인 연료를 생산할 수 있게 해주었다. 그 결과 더 많은 사람이 더 많은 거리를 더 저렴하게 운전하며 이동할 수 있게 되었다. 이제 화학은 그 결과로 생긴 문제를 해결하는 데 역량을 집중해야 한다. 배기가스로 가득한 대기와 고갈되어가는 연료 자원이 그 문제이다. -201쪽

처음에는 사람들이 점차로 증가하는 플라스틱의 생산이 환경에 미칠 영향에 대해서는 별 주의를 기울이지 않았다. 플라스틱은 화학적으로 불활성인 물질이다. 그러므로 오랫동안 변하지 않고 환경 속의 어떤 것과도 반응하지 않는 것처럼 보였다. 이런 안일한 태도 때문에 엄청난 양의 플라스틱이 땅에 매립되거나 바다로 흘러들어 갔다. 북태평양에는 회전하는 거대한 ‘쓰레기 소용돌이’가 존재한다. 이 쓰레기 중 대부분이 플라스틱이다. 이 지역의 바닷물 1km3에는 약 75만 조각의 미세플라스틱microplastic이 들어 있다고 한다. 이런 미세플라스틱은 매우 작은 플라스틱 입자로 물고기가 플랑크톤으로 착각하고 들이마실 수 있다. -204~205쪽

CFC는 20세기 전반에 냉장고에 사용되던 독성 기체를 대체하기 위해 개발된 냉각제이다. 염소 원소를 함유한 이 화합물은 햇빛을 받아 분해되면서 매우 활성이 강한 염소 라디칼을 대기에 방출한다. CFC가 개발되기 전에 냉장고 제조업체는 염화메틸methyl chloride, 암모니아, 이산화황을 냉각제로 사용했다. 이들은 모두 밀폐된 장소에서 사람이 흡입하면 매우 위험한 기체들이다. 그래서 냉장고에서 냉매가 새는 것은 치명적 위험을 초래했다. -208쪽

나노입자란 이름 그대로 매우 작은, 1~100nm 정도 크기의 입자를 말한다. 이것은 원자와 분자 수준의 크기로 화학자들에게는 전혀 생소 하지 않은 크기이다. 왜냐하면 화학자들은 평생을 원자와 분자에 대 해, 그리고 그것들이 화학 반응에서 어떻게 행동할지를 생각해온 사람들이기 때문이다. 대부분의 물질은 원자들이 한데 뭉쳐서 ‘덩어리’ 물질을 형성한다. 그런데 금 덩어리 안의 금 원자와 고작 원자 몇 개로 이루어진 금 나노입자는 전적으로 다른 성질을 보인다. 우리는 실험실 에서 금을 가지고 금 나노입자를 만들 수 있다. 그러나 한편으로 자연 에는 나노입자로 존재하는 물질도 많이 있다. -229쪽

종종 ‘슈퍼 물질’이라고 불리는 그래핀은 이른바 새로운 세대의 나노 물질 가운데 최초로 탄생한, 그리고 가장 흥미로운 물질이다. 그래핀은 지금까지 원자 한 층으로 이루어진 유일한 물질이다. 오직 탄소만으로 만들어진 그래핀은 지구 상에서 가장 가볍고 얇으면서 또한 가장 강한 물질이다. -233쪽

원소 주기율표 _ 6
들어가는 말 _ 8
01원자 _ 12
02원소 _ 16
03동위원소 _ 20
04화합물 _ 27
05결합력 _ 31
06상변화 _ 36
07에너지 _ 40
08화학 반응 _ 45
09평형 _ 49
10열역학 _ 56
11산 _ 60
12촉매 _ 65
13산화 환원 _ 71
14발효 _ 75
15크래킹 _ 79
16화학적 합성 _ 84
17하버 공정 _ 89
18분자비대칭성 _ 93
19녹색 화학 _ 100
20분리 _ 103
21스펙트럼 _ 107
22결정학 _ 112
23전기 분해 _ 117
24반도체의 미세 가공 _ 121
25자기 조립 _ 127
26랩온어칩 _ 132
27계산화학 _ 137
28탄소 _ 141
29물 _ 146
30생명의 기원 _ 150
31우주화학 _ 156
32단백질 _ 161
33효소의 작용 _ 167
34당 _ 171
35DNA _ 176
36생합성 _ 182
37광합성 _ 188
38화학적 메신저 _ 192
39석유 _ 197
40플라스틱 _ 203
41CFC _ 208
42복합물질 _ 212
43태양 전지 _ 217
44약물 _ 221
45나노 기술 _ 228
46그래핀 _ 232
473D 프린팅 _ 237
48인공 근육 _ 242
49합성생물학 _ 247
50미래의 연료 _ 254

원자는 모든 것들의 구성요소다. 원자는 DNA나 엄청나게 복잡한 분자로 이루어진 단백질 등으로 생명체를 구성한다. 지구상에 존재하는 엄청나게 다양한 생물들 모두 예외 없이 한 가지 특별한 원자를 가졌다. 바로 탄소다. 깊은 바다 밑바닥에 사는 박테리아에서 저 하늘 높이 날아다니는 새에 이르기까지 지구에 사는 생물이라면 이 탄소라는 원자를 공유하지 않는 존재는 없다. 물론 우리가 지구 외의 다른 곳에 사는 생물을 아직 만나본 적이 없으니 생물이 탄소를 기반으로 하는 형태로 진화해온 것이 단순히 우연에 의한 것인지, 다른 종류의 원자를 기반으로 한 생명체가 번성할 수도 있는지에 대한 답은 구할 수가 없다. -14쪽

원소와 원자의 차이는 간단하다. 원소는 양과 상관없이 근본적인 물질을 가리키고, 원자는 그 물질의 근본 단위이다. -17쪽

모든 생물은 살아 있는 동안 공기 중에 일정 비율로 존재하는 탄소-14를 흡수한다. 이 과정은 생물이 죽으면서 멈추고, 그 순간부터 탄소-14는 붕괴하기 시작한다. 과학자들은 탄소-14의 반감기가 5,700년이라는 사실을 알고 있으므로 생물의 몸에 남아 있는 탄소 동위원소의 비율로 그 생물이 언제 죽었는지 알아내는 것이다 -23, 25쪽

주기율표를 들여다보면 각 원소의 위치에 따라 전자를 얼마나 쉽게 빼앗거나 잃어버릴 수 있는가 하는 경향이 나타난다. 결국 원자들이 어떻게 결합하느냐를 결정하는 것은 바로 이 음전하를 띤 전자의 분포이다. 각 원자가 전자를 얻거나 잃거나 공유하는 방식은 원자 사이의 결합 종류와 결합해서 이루는 화합물의 종류를 결정한다. -32쪽

우리의 세포는 사실상 화학물질이 가득 들어찬 주머니이자 미세한 화학 반응의 장이다. 우리 몸의 세포는 식물의 광합성에서 일어나는 반응을 거꾸로 수행한다. 에너지를 얻기 위해서 음식에서 얻은 당과 호흡으로 들이마신 산소를 반응시켜 원자들을 재배열해서 이산화탄소와 물을 생성한다. 광합성과 거울상을 이루는 ‘호흡 반응’은 지구의 생명을 유지하는 또 하나의 중요한 화학 반응이다. -47쪽

생물 분자의 분자비대칭성은 단순한 호기심의 대상만이 아니다. 분자비대칭성에 대한 이해는 합성 카이랄 화합물의 본질과 그것이 약물로서 약효를 발휘하는 기전에 대한 이해로 이어진다. 약물은 우리 몸속에서 생체 분자들과 상호작용함으로써 약효를 발휘한다. 약물이 약효를 내려면 일단 생체 분자와 ‘맞아 떨어져야’ 한다. 그것은 장갑에 손을 끼우는 것과 같다. 왼손용 장갑은 왼손이 딱 들어맞지 오른손은 들어가지 않는다. -98쪽

자기 조립 방법은 마술처럼 저절로 이루어지는 것 같지만 사실 매우 뛰어난 기술을 가진 과학자의 노고로 이루어지는 작업이다. 엄격히 말해서 ‘자기 조립’ 부분은 기술이나 방법이 아니다. 이것은 단지 모든 힘든 작업이 끝난 후에 일어나는 현상일 뿐이다. 진짜 기술은 자기 조 립을 하는 분자, 물질, 장치를 설계하는 부분이다. 과학자들은 단순히 숟가락을 만들지 않는다. 그들은 스스로 숟가락을 만드는 물질을 설계한다. -131쪽

탄소를 포함한 화합물의 종류가 엄청나게 다양한 이유는 탄소가 같은 탄소끼리 그리고 또 다른 종류의 원자들과도 결합해서 고리나 사슬, 그밖에 복잡한 구조를 잘 형성하기 때문이다. 자연은 스스로 수백만 가지의 서로 다른 복잡한 탄소화합물을 만들어낸다. 그중 상당수는 그 물질을 만들어내는 식물, 동물, 미생물이 멸종해버려서 우리가 발견하기도 전에 사라졌다. 거기에 인간의 창의력까지 더해져서 인공적으로 합성하는 새로운 탄소화합물의 수까지 헤아리면 가능한 탄소화합물의 수는 사실상 무한하다. -142쪽

지구에서 처음 생명이 시작되었을 때 환경과 시초가 된 분자가 무엇 이었는지에 관해 우리는 그저 추측할 수 있을 뿐이다. 그 추측 게임에 많은 화학자가 참여하고 있다. 그 이유는 최초의 생명을 이해하는 것 이 우리 자신의 기원을 알려줄 뿐만 아니라 화학자들이 실험실에서 새로운 형태의 생명을 창조하는 데에도 도움을 줄 수 있기 때문이다. -151쪽