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우주를 지배하는 질서는
연속적 거시세계인 만유인력과
불연속적 미시세계인 양자역학으로 이루어진다.

화학 박사 김정균 저자가
자연현상을 일상의 언어로 설명한다!

과학은 수 세기를 지나도 가설에 불과한 것들이 많고, 쉽게 증명되지 않는 분야이며, 아직 밝혀지지 않은 미스테리한 이야기가 많다. 그래서인지 ‘과학’이라고 하면 조금은 거리를 두려는 이들이 많다. 과학을 어려운 것, 알기 힘든 것, 재미없는 것으로 단정을 짓다 보니, 우리 주변에서 흔히 일어나는 자연현상에 대해서도 속 시원히 설명할 수 있는 이들을 찾기 힘들다. 저자는 이러한 갈증을 풀어보고자 이 책을 펴냈다.
과학은 정의하기 어려운 학문인 만큼 접근하는 방법이 여러 가지다. 그중 수식과 방정식과 같은 것을 이용한 교과서적 접근법이 있고, 자연현상을 말로 풀어서 설명하는 방법이 있는데, 이 책은 후자를 통해 대화로 자연현상을 이해하고 설명한다. 자연현상을 이해하는 데 약간의 과학적 지식만 있으면 쉽게 이해할 수 있도록 하였다. 또한 자연에 존재하는 물질 중 가장 흔하고 간단하면서도 여러 가지 과학적 지식을 담을 수 있는 물을 주제로 선택했다. 모든 인간이 다 아는 주제라고 할 수 있지만, 과학적 의미를 담아서 접근하면 그리 쉬운 주제만은 아니다. 물에서 파생되는 산과 염기 그리고 자연이 조화롭게 움직여가는 과정까지 우리 생활과 연관 지어 풀이해 본다.
물의 형성과 작용, 자연의 연계성을 살펴보는 것에서 시작해서 물과 과학의 관계 풀이까지, 신비한 과학의 세계로 한 걸음 들어가 보자!

PROLOGUE

PART 1. 창조
1.1 독창성과 정신적 유산
1.2 대폭발과 원자의 탄생
1.3 수소가 왜 분자로 존재했을까?
1.4 우주배경복사
1.5. 수소의 진화
1.6 정상상태이론
1.7 분자의 탄생
1.8 팔우설
1.9 불타는 공기

PART 2. 수소의 구조
2.1 미시세계에 들어서다
2.2 전자가 존재하는 곳
2.3 진동과 에너지
2.4 보어와 슈뢰딩거의 원자

PART 3. 물의 구성
3.1 유별난 물
3.2 양다리 작전
3.3 쌓임의 힘-격자에너지
3.4 공유결합-섞임
3.5 만남과 헤어짐
3.6 정사면체 구조
3.7 전기 음성도
3.8 화학적 힘(force)과 화학적 결합(bonding)
3.9 바람난 수소(hydrogen)
3.10 혼성 궤도
3.11 쌍극자 모멘트
3.12 물의 열용량
3.13 모든 것을 안아주는 어머니

PART 4. 산과 염기
4.1 진주의 눈물
4.2 양쪽성과 일방성(一方性)
4.3 착물(complex)
4.4 산성비
4.5 양잿물
4.6 강산과 강염기
4.7 유유상종-HSAB 개념

PART 5. 물과 탄산가스
5.1 타고 남은 재
5.2 순환주기에 놓인 탄소
5.3 온난화의 주범
5.4 프네우마
5.5 탄소순환과 생명의 탄생

PART 6. 원시지구에서 물
6.1 탄생
6.2 수소의 꿈은 방랑자
6.3 물의 기원에 대한 가설
6.4. 생명이 탄생한 곳
6.5 작은 연못 속의 따뜻한 죽
6.6 해저열수공
6.7 판스페르미아(panspermia)
6.8 최초의 생명현상
6.9 기체와 고체
6.10 산소의 등장
6.11 용매로서 물
6.12 표면장력(surface tension)
6.13 물이 품은 탄소
6.14 생명체의 고향

PART 7. 생명은 물의 흐름이다
7.1 순환하는 물
7.2 에너지의 교환
7.3 지구의 온도조절 장치
7.4 해류

PART 8. 물의 본성을 다시 보다
8.1 결여의 바닥에서
8.2 양수결합으로
8.3 포괄적 어머니
8.4 순환과 배향
8.5 루이스의 전자
8.6 생명현상에 참여한 탄소
8.7 블루머니

참고문헌

과학은 사물에 대한 사고(思考)로부터 시작된다. 그 가운데 질적 수준이 가장 높은 것이 독창성(獨創性, originality)이다. 독창성이란 모방이나 어떤 관계에서 파생된 것이 아니라 식물이 새로운 세포를 만드는 것처럼 유기적인 관계로 발생하는 자발적인 것을 말하고 있다. 특히 과학 분야의 독창적 사고는 그것을 키우고 다듬는 과정이 과학발전의 표석이 될 수도 있다. 그 과정은 또 다른 진리를 만나 다듬어지고 가꾸어져 새로운 결과를 생산해 내는 끝없는 되먹임(feedback)의 과학정신이 살아 숨 쉬는 하나의 통로가 되기 때문이다. 원자력 시대의 선구자로 노벨상을 두 번씩이나 수상했던 퀴리는 이러한 과학정신을 ‘인간의 가장 가치 있는 정신적 유산’이라고 했다.
- 13쪽

수소는 지금까지 알려진 118개의 원자 중 가장 작고 단순하고 보잘것없는 원소지만, 우주의 진화에 대한 과학자들의 생각이 정립되는 과정에서 중요한 역할을 해왔다. 한 개의 핵과 한 개의 전자 이것이 수소가 가진 모든 것이다. 그렇지만 이 포장되지 않은 단순함에는 모든 원자가 가져야 할 기본적 요소와 모든 조건이 내포되어 있다. 과학자들이 수소를 이용하여 창조주께서 그 속에 감추어 둔 비밀들을 하나씩 밝힐 수 있었던 것도 바로 그가 가지고 있는 단순함에 근거하고 있다.
수소의 포장되지 않은 이 단순함이 미시(micro)세계의 시작이고 이들이 모여 거시(macro)세상을 이루었으며 물질이 되고 별이 되어 우주를 형성하였다.
- 50쪽

탄소가 모든 생명체의 기본 골격을 제공하는 물질이라면 쉽게 이해하는 사람이 몇이나 될까? 대기 중에 존재하는 탄산가스는 고작 0.038%로 질소와 산소에 비해 상대적으로는 턱없이 적은 양이지만 모든 생명체는 바로 대기 중에서 이 기체로부터 얻은 탄소로 생명을 유지하고 살아가고 있다. 살아 움직이는 생명 과정이 끝나면 다시 기체가 되어 생명체를 떠나 대기 중으로 사라져 버리는 기체, 이것이 탄산가스다. 탄산가스는 모든 생명 현상에 없어서는 안 될 소중한 자산으로 관심을 가지고 지켜주어야 할 대상이다.
- 156쪽

물은 단순한 물질이다. 구조상으로 보여주고 있는 이 단순함에는 하나의 분자로서 역할을 수행하기 위해 많은 것을 감추고 있다. 그렇기에 물은 일반적이지 않다고 하지 않는가. 물이 감추고 있던 이 비밀들은 하나의 일관되고 합리성으로 연결된 과학이 풀어가야 할 숙제다. 수소는 우주에 맨 먼저 그것도 한꺼번에 우주 전체에 나타난 원소로 그 구성이 단순하며 반응성이 높아 다른 원소와 결합하여 수소가 포함된 화합물인 수화물을 쉽게 만드는 경향성을 가지고 있다.
- 182쪽

물에 녹아 있는 탄산은 약산이며, 생명을 포함해서 자연의 질서를 유지하기 위해 대단히 중요한 역할을 하고 있다. 이 약산의 성질은 수용액 중에서 금속 이온과 반응하여 염을 만들고 이 염은 대부분이 중성을 나타낸다. 이 탄산과 탄산염 이온들이 녹아 있는 바다는 중성이므로 바다에서 태어난 생명체들의 혈액을 중성으로 유지시키는 데 탄산이 그 역할을 하고 있다. 원시시대 해양을 생명이 탄생하고 성장할 수 있는 묘판으로 사용되었던 것도 물의 온도 변화가 완만하고 탄산과 탄산염의 완충 용액의 형성에 의해 물이 산도가 쉽게 변하지 않고 있기 때문이다.
- 211쪽