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여러 금속을 섞으면 어떤 일이 일어날까?
액체 폭탄을 규조토에 부으면 어떻게 될까?
“화학에 상상력을 더하면
세상을 바꾸는 힘이 된다!”

모두가 아는 위대한 과학자 아인슈타인은 말을 배우는 속도가 느리고 학교생활에도 적응하지 못하는 학생이었다. 그러나 아인슈타인은 상상력과 호기심이 뛰어났다. 아버지에게 선물받은 나침반의 바늘이 항상 같은 방향에서 멈추는 것을 보고 “바늘을 항상 같은 방향에 멈추게 하는 힘은 어떤 힘일까?” 하고 상상했던 것이다. 이 힘의 정체에 대한 상상력이 점차 발전해 그 유명한 ‘상대성 이론’을 정립하기에 이른다.
화학에서도 마찬가지다. “잘 폭발하는 액체 폭탄을 규조토에 부으면 어떻게 될까?”라는 상상을 실천으로 옮긴 노벨은 인류사에서 큰 역할을 한 ‘다이너마이트’를 발명한다. 그는 이 다이너마이트를 통해 벌어들인 돈으로 ‘노벨상’을 만들었다. 마찬가지로 “서로 다른 특징을 가진 금속을 뒤섞으면 어떤 일이 생길까?”라는 상상을 실천으로 옮긴 끝에 인간의 생활을 한층 더 편안하게 만들어 준 ‘합금’이 탄생하게 된다.

보통 ‘화학’이라고 하면 지루하고, 계산이 어려우며, 외울 것도 많은 분야라고 생각한다. 하지만 이것은 암기식 공부 때문에 생긴 편견일 뿐, 화학의 본질은 그렇지 않다. 본래 화학이란 물질을 연구하는 분야이다. 예를 들어, 컵은 유리, 종이, 금속 등등 다양한 재료로 만들어진다. 이 컵을 이루는 재료가 바로 물질이다.
또한, 보통 ‘화학 물질’이라고 하면 폭발물이나 독극물 같은 무서운 이미지를 떠올린다. 그러나 인간을 포함해 공기, 물, 음식, 의복, 건축물, 흙, 암석 등 주위의 온갖 사물을 이루는 물질 모두를 가리켜 화학 물질이라고 부른다.
‘화학 변화’도 마찬가지이다. 물질을 이루는 원자나 분자가 어떻게 결합하여 그 물질을 이루는지 연구하는 것도 화학이다. 이 결합 방식이 변화하여 지금까지 없던 새로운 물질이 만들어지는 변화를 가리켜 화학 변화라고 부르는 것이다.

이 책은 여러 화학 물질과 이 물질들의 변화, 그리고 다양한 화학 반응이 과거부터 현재까지 우리 생활을 어떻게 바꾸어 왔는지 알려준다. 여기에서 소개된 화학 이야기들을 따라 읽다 보면 화학이 우리 삶과 얼마나 긴밀하게 연결되어 있는지, 또 화학과 역사가 어떠한 관계인지 자연스럽게 깨닫게 될 것이다. 어렵게만 보였던 화학을 벗어나 암기할 필요도 없고 계산할 필요도 없는, 알면 알수록 놀랍고 흥미로운 화학의 세계로 초대한다.

우리가 지금까지 만나지 못했던
진짜 화학을 만나는 첫걸음!
DHMO(디하이드로젠 모노옥사이드)라는 아주 위험한 화학 물질이 있다. 이 물질은 ① 무색, 무취, 무미이고, ② 우연히 과량 흡입하면 사망에 이를 수 있으며, ③ 고체 상태 DHMO는 극심한 피부 장애를 일으킬 수도 있고, ④ 오늘날 거의 모든 하천과 호수에서 발견되는데 산성비의 주성분이자 온실효과의 주원인이기도 하다. 이 물질의 정체가 과연 무엇인지 알 수 있는가?
실제로 미국에서는 한 학생이 이 화학 물질의 위험성을 주장하며 사용 금지를 주장하는 서명 활동을 벌였다. DHMO의 특징을 본 많은 사람이 이 위험한 물질의 사용 금지를 찬성하는 데 선뜻 서명을 하는 해프닝도 벌어졌다. 사실 DHMO는 Dihydrogen Monoxide의 약어이며, 화학식으로 나타내면 H2O이다. 즉, 엄청나게 위험한 화학 물질 DHMO의 정체는 ‘물’인 것이다.
이런 서명 활동을 벌인 이유는 다름 아닌 ‘과학 교육의 필요성’을 호소하기 위해서였다. ‘디하이드로젠 모노옥사이드’라는 무시무시한 이름에 속아 넘어가는 사람이 많다는 사실을 알리고 경종을 울리기 위함이었다고 한다. 이처럼 화학에는 언뜻 보기에 무섭고, 어렵게 느껴지도록 하는 요소들이 많을 수 있다. 하지만 화학을 포함하여 다양한 과학 지식의 기본을 갖춘다면 더 이상 이런 허상에 속지 않고 물질의 실체를 파악할 수 있다.
저자 사마키 다케오는 “화학은 물질을 연구하는 학문”이라고 말한다. 화학이라는 분야 역시 고대 그리스 철학자들의 “세상의 모든 것은 무엇으로 이루어져 있는가?”라는 물음에서 시작했다. 다시 말해, 화학은 우리를 둘러싼 세상 모든 것의 ‘진짜 모습’에 대한 이야기다.

주기율표를 몰라도 재미있다!
계산하지 않아도 이해된다!
이 책은 화학자의 상상력, 그리고 화학의 발견이 우리 생활을 어떻게 바꾸어 왔는지에 대한 이야기이기도 하다.
1장은 인류가 최초로 만난 화학 물질인 물과 불에 관한 이야기이다. 자연에서 만나는 화학 물질과 화학 변화를 통해 인류가 어떻게 진화했는지 알게 될 것이다.
2장은 인류 사회를 획기적으로 발전시킨 금속에 관한 화학 이야기이다. 철의 탄생으로 다양한 건축물이 탄생하고 일상생활이 편리하게 바뀐 이야기들을 만날 수 있다.
3장은 인류사에서 결정적 역할을 한 화학 물질들을 이야기한다. 지금은 없어서는 안 될 유리, 나라의 흥망성쇠를 좌우한 전쟁에서 커다란 역할을 한 폭약 이야기 등을 모았다.
4장은 나날이 발전하는 생활과 더불어, 인간의 건강과 수명을 좌우한 의약품과 위생에 관한 화학을 모았다.
5장은 인간의 삶에 편리함을 더한 화학제품에 관한 이야기이다. 농약, 염료, 합성섬유, 플라스틱 등의 탄생과 이 화학제품들이 준 득과 실을 함께 살펴볼 수 있다.
6장은 현대 사회를 지탱하는 가장 대표적인 에너지인 석유에 관해 이야기한다. 지금까지 에너지원이 어떻게 변화해 왔는지, 화학과 에너지원의 관계는 어떻게 되는지 폭넓게 알 수 있다.
이야기책처럼, 또는 역사책처럼, 또는 소설처럼 재미있게 쭉 따라 읽다 보면 주기율표를 암기하지 않아도 이해하는 화학, 계산하지 않아도 알게되는 화학을 만나게 될 것이다.

들어가는 글

CHAPTER 1 인류가 만난 최초의 화학
물 ㆍ 불
물은 무슨 색일까? ㆍ 물 분자와 가시광선
지구에는 담수가 얼마나 있을까? ㆍ 물의 순환
얼음은 진짜 0℃일까? ㆍ 물 분자의 결합
끓는 물에서 나오는 김의 정체는? ㆍ 물의 분자운동
수증기로 종이도 태울 수 있다고? ㆍ 과열 수증기
얼음이 가라앉지 않는 과학적인 이유 ㆍ 물 분자의 결합
물은 무엇이든 녹일 수 있다고? ㆍ 용매로써의 물
남자와 여자 중 누가 체내 수분량이 더 많을까? ㆍ 체내 수분량
세상에서 가장 위험한 화학 물질, DHMO ㆍ 화학 물질의 이름
‘대기’와 ‘공기’는 같을까 다를까? ㆍ 대기권의 구성
지표 부근과 산 정상의 공기는 무엇이 다를까? ㆍ 공기의 성분
공기를 확대하면 무엇이 보일까? ㆍ 공기의 분자운동
왜 인류만이 불을 다루는 기술을 가졌을까? ㆍ 인류의 진화
인류가 가장 처음 알게 된 화학 변화는? ㆍ 화학 변화
불에 타는 것은 재와 ‘이것’으로 되어 있다? ㆍ 플로지스톤설
최초로 산소를 발견한 사람은 누구일까? ㆍ 산소의 발견
산소 때문에 불이 타는 것은 누가 발견했을까? ㆍ 화학 변화
물질이 연소하려면 꼭 필요한 것들 ㆍ 연소의 3조건

CHAPTER 2 사회를 획기적으로 발전시킨 화학
금속
금속은 무엇일까? ㆍ 금속의 특징
칼슘은 무슨 색일까? ㆍ 원소의 색깔
작은 물고기에는 사실 칼슘이 없다고? ㆍ 원소명의 여러 쓰임
금속은 왜 중요한 재료일까? ㆍ 금속의 활용
철의 생산으로 숲이 사라진 이유 ㆍ 코크스의 탄생
철을 대량 생산할 수 있게 된 비결은? ㆍ 강철의 탄생
고대에는 어떻게 철을 제작했을까? ㆍ 고대의 제철법
‘녹슬지 않는 철’은 무슨 원리일까? ㆍ 철의 산화
점토를 구우면 왜 단단한 토기가 될까? ㆍ 공유결합
현대사회를 지탱하는 가장 탁월한 재료 ㆍ 파인 세라믹스의 탄생
도자기와 사기는 무슨 차이가 있을까? ㆍ 광물의 녹음
인더스문명의 붕괴는 ‘이것’이 원인이었다? ㆍ 소성 벽돌
콘크리트가 굳는 건 수분 증발 때문이 아니라고? ㆍ 화학 변화

CHAPTER 3 인류사에 결정적인 역할을 한 화학
유리 ㆍ 폭약
유리는 왜 투명할까? ㆍ 유리의 성질
고대 이집트 시대에 ‘유리구슬’이 있었다고? ㆍ 유리의 구조
풍선을 불듯이 ‘이것’을 불 수 있다? ㆍ 유리의 가공
빨간 유리를 만들기 어려웠던 이유 ㆍ 유리의 가공
유리로 지은 가장 유명한 건축물은? ㆍ 플로트 공법
보이지 않고 맡아지지 않지만, 치명적인 기체의 정체 ㆍ 일산화탄소
가정용 가스레인지에서 냄새가 나는 이유 ㆍ 폭발의 활용
왜 불꽃마다 터질 때의 모양과 색이 다른 걸까? ㆍ 금속의 연소
폭탄도 되고 심장약도 되는 ‘이것’의 정체는? ㆍ 니트로글리세린
세계 역사를 바꾼 화학 물질의 탄생 ㆍ 다이너마이트

CHAPTER 4 인간의 건강을 지키고 수명을 늘린 화학
위생 ㆍ 의약품
지금 봐도 놀라운 로마의 공중 보건 수준 ㆍ 공중 보건
인류는 언제부터 목욕을 했을까? ㆍ 물과 위생
콜레라를 물리친 천재 의사의 엄청난 가설은? ㆍ 위생화학
전염병이 상하수도를 발달시켰다고? ㆍ 여과와 정화
세계 최초의 화학 요법제는 무엇일까? ㆍ 그람 염색
매독을 낫게 한다는 착각 ㆍ 연금술
고대 사람들은 어떻게 약을 구했을까? ㆍ 고대의 의약품
페니실린의 놀라운 성분 ㆍ 페니실린
항생제에 내성이 생기는 이유는? ㆍ 항생 물질과 내성균

CHAPTER 5 편리함과 안락함을 선물한 화학
농약 ㆍ 염료 ㆍ 합성섬유 ㆍ 플라스틱
전 세계 80억 명의 생명을 지탱하는 화학 ㆍ 화학비료
농약은 포도 도둑을 쫓아내려다 탄생했다고? ㆍ 농약의 개발
닿으면 죽는 기적의 살충제의 정체는? ㆍ DDT의 탄생
DDT가 전쟁을 유리하게 이끈 이유 ㆍ DDT의 활용
DDT가 불러 온 ‘침묵의 봄’ ㆍ DDT의 해악
독이 되어 버린 화학 물질들 ㆍ 온실가스
다양한 색은 어떻게 만들까? ㆍ 천연염료
부자들의 특권, ‘로열 퍼플’이 조개에서 탄생했다? ㆍ 천연염료
찌꺼기에서 탄생한 ‘신 로열 퍼플’의 정체는? ㆍ 합성염료
꿈 하나가 발전시킨 염료 화학의 세계 ㆍ 벤젠의 고리 구조
화장품은 어디서 탄생했을까? ㆍ 안료
거대한 분자 ‘고분자’란? ㆍ 고분자
일상생활에 쓰이는 천은 어떻게 만들었을까? ㆍ 천연섬유
합성고무는 어떻게 만들었을까? ㆍ 고분자 화학공업
스타킹의 실이 가는데도 강한 이유 ㆍ 나일론의 합성 원리
나일론 손수건으로 땀이 잘 닦이지 않는 이유 ㆍ 고분자 화학공업
‘플라스틱’은 무엇일까? ㆍ 합성수지
열로 딱딱해지는 플라스틱과 부드러워지는 플라스틱 ㆍ 플라스틱의 특징
플라스틱이 당구공 때문에 탄생했다고? ㆍ 셀룰로이드의 구조
원료에 따른 다양한 합성 플라스틱의 탄생 ㆍ 4대 플라스틱
비닐도 되고 용기도 되는 이 ‘원료’의 정체는? ㆍ 폴리에틸렌
일회용 기저귀의 흡수력이 엄청난 이유는? ㆍ 고성능 플라스틱
플라스틱도 흙으로 변하는 시대가 되었다? ㆍ 플라스틱의 분해

CHAPTER 6 이제는 없어서는 안 될 화학 에너지
석유
에너지원은 어떻게 변해왔을까? ㆍ 에너지원
석유를 끓여서 분별하는 이유 ㆍ 석유의 증류
에너지원은 왜 석탄에서 석유로 바뀌었을까? ㆍ 에너지혁명
석유는 진짜로 생물의 사체가 주원료일까? ㆍ 석유의 생성 과정
석유는 앞으로 몇 년 안에 고갈될까? ㆍ 석유 매장량
‘온실가스’는 무조건 나쁘다고? ㆍ 온실가스

물은 액체일 때보다 고체일 때 더 가볍습니다. 게다가 대부분 물질은 액체 상태일 때 온도가 올라가면 팽창하면서 가벼워지지만, 특이하게도 물은 4℃일 때 가장 무겁습니다. 만약 얼음이 0℃인 물보다 무겁다면, 수면에서 냉각된 얼음은 생성되자마자 바닥으로 가라앉을 것입니다. 강이든 바다든 바닥이 얼음으로 가득하겠지요. 그러나 누구나 아는 것처럼 얼음은 수면 위에 계속 머무릅니다. 0℃보다 기온이 더 내려가더라도 물속 생물이 생존을 유지할 수 있는 이유입니다.
물은 왜 고체가 액체보다 더 가벼울까요? 그 원인은 물 분자의 결합 방식에 있습니다. 물 분자는 한 개의 산소 원자에 두 개의 수소 원자가 결합해 만들어집니다. 여기서 두 수소 원자는 일정각도(104.5℃)를 이루는 꺾은선 모양을 하고 있습니다.
물 분자의 수소 원자와 주변의 다른 물 분자의 산소 원자는 양(+)전하와 음(-)전하로 서로를 끌어당깁니다. 이 결합을 수소 결합이라고 합니다. 수소 결합은 일반 분자 간의 끌어당김보다도 강력합니다. 이를 다르게 표현하면 ‘물 분자는 분자 내의 전기적 치우침이 큰 분자다’라고 표현할 수 있습니다.
〈얼음이 가라앉지 않는 과학적인 이유〉에서

“칼슘은 무슨 색일까요?” 하고 질문을 하면 “흰색이요”라고 대답하는 사람이 많습니다. 우리가 일상에서 흔히 접하는 칼슘은 칼슘의 화합물이며, 칼슘만 존재하는 칼슘의 홑원소 물질(금속 칼슘이라고도 함)은 화학자가 아니면 보기 힘들기 때문입니다.
칼슘의 홑원소 물질은 알칼리 토금속(alkaline earth metal)에 속하며, 은색을 띠고 있습니다. 반면 탄산칼슘(석회암, 달걀껍데기, 조개껍데기의 성분), 수산화칼슘(소석회), 산화칼슘(생석회) 등 칼슘의 화합물은 모두 흰색입니다. 나트륨과 칼륨의 홑원소 물질도 칼슘처럼 은색 빛이 나는 금속입니다. 참고로, 불꽃에 연소 시킬 때에도 원소마다 다른 색깔이 나타납니다.
〈칼슘은 무슨 색일까?〉에서

폭죽의 색상은 불꽃의 화학반응에 따라 달라집니다. 금속 원소화합물을 폭죽의 재료에 섞으면 금속의 종류에 따라 불꽃의 색이 결정됩니다. 빨간색은 스트론튬 화합물, 녹색은 바륨 화합물, 노란색은 나트륨 화합물, 파란색은 주로 구리 화합물로 만듭니다. 빨강, 초록, 노랑, 파랑 이외의 색은 여러 가지 화합물을 섞어 만듭니다.
반짝반짝 빛나는 하얀색은 알루미늄이나 마그네슘 등의 금속 분말이 연소할 때 나타납니다. 옥 속에는 금속 가루와 산화제(금속이 산소와 강하게 결합하도록 만드는 물질)가 섞여 있는데, 이 두 물질이 서로 반응하면 대량의 열이 발생하고 3,000℃ 정도의 고온이 되어 하얗게 빛납니다.
불꽃 반응이 일어나고 있을 때는 금속 중의 전자 에너지가 불꽃의 열로 인해 낮은 상태에서 높은 상태로 바뀝니다. 에너지가 높은 상태는 전자가 불안정한 상태이므로, 전자는 다시 에너지가 낮은 상태로 돌아갑니다. 이때 가시광선 파장의 빛이 방출되기 때문에 우리 눈으로 색을 볼 수 있는 것입니다.
〈왜 불꽃마다 터질 때의 모양과 색이 다른 걸까?〉에서

프레온은 활용도가 높기 때문에 꿈의 물질로 여겨졌습니다. 그러나 얼마 지나지 않아 오존층을 파괴하는 주범이 프레온이라는 사실이 밝혀집니다. 그래서 프레온 대신 대체 프레온 가스를 사용하기 시작했습니다. 그러자 이번에는 대체 프레온이 온실효과가 강하다는 것을 알게 됩니다. 즉, 지구 온난화를 초래하는 물질인 것입니다.
지금은 프레온류 물질 대신 이소부탄(C4H10)이라는 탄소(C)와 수소(H)가 결합한 물질을 사용합니다. 이소부탄은 불을 붙이면 연소합니다. 그래서 프레온과 비교하면 불편한 점이 있습니다. 에어컨과 냉장고에는 여전히 대체 프레온을 사용합니다. 앞으로는 냉매가 달라지겠지만, 현재로서는 대체 프레온을 사용하고 있습니다.
〈독이 되어 버린 화학 물질들〉에서

원유를 채굴하면 가장 먼저 분별 증류를 합니다. 분별 증류란 두 개 이상의 물질이 섞여 있는 용액에서 끓는 온도(끓는점)의 차이를 이용해 성분을 나누는 방법입니다. 이 분별 증류를 이용하면 휘발유, 가솔린 액화석유가스(LPG), 나프타, 등유, 경유 등을 얻을 수 있습니다.
액화석유가스는 프로판(끓는점 약 -42°C) 이나 부탄(끓는점 약 -1°C) 등 끓는점이 낮은 물질들로 구성되어 있어 쉽게 발화합니다. 자동차의 연료가 되는 휘발유는 대략 5~10개의 탄소원자로 구성되어 있으며 끓는점은 약 30~100℃입니다. 석유화학공업의 주원료인 나프타는 원유를 증류할 때 100~180℃ 끓는점 범위에서 생성되는 탄화수소 혼합체입니다. 나프타에서는 에틸렌, 프로펜, 벤젠 등의 원료를 얻을 수 있습니다.
이외에도 가정용 연료나 제트기의 연료로 사용되는 등유는 탄소수 약 11~15개로 끓는점은, 디젤엔진의 연료인 경유는 탄소수 약 15~20개인 탄화수소가 주성분으로 끓는점은 약 250~320℃입니다.
〈석유를 끓여서 분별하는 이유〉에서