원자와 원소 1강. 원자론의 역사: 연금술에서 화학으로
원자는 실험실에서 발견된 것이 아닙니다. 2천 년 동안 사변으로 떠돌다가, 저울 위에서 비로소 과학이 됐죠.
풀고 시작
데모크리토스: 증거 없는 정답
정답을 말했는데 2천 년 동안 무시당한 사람이 있습니다. 기원전 5세기 그리스의 데모크리토스(Democritus)는 물질을 계속 쪼개면 더는 쪼갤 수 없는 알갱이, 즉 원자(atomos, "쪼갤 수 없는 것")에 도달한다고 주장했습니다. 세계는 원자와 빈 공간뿐이며, 만물의 차이는 원자의 모양·배열·크기의 차이라는 것이었죠. 놀랍도록 현대적으로 들리지만, 이것은 실험이 아니라 순수한 사변이었습니다. 검증할 방법이 없었고, 아리스토텔레스가 4원소설(흙·물·공기·불)로 반박하자 원자론은 2천 년 가까이 변방으로 밀려났습니다. 여기서 교훈이 하나 나옵니다. 맞는 주장이라도 검증 수단이 없으면 과학이 아닙니다. 원자론이 과학이 되려면 사변이 아니라 측정이 필요했던 겁니다.
연금술: 틀린 목표, 옳은 손
중세와 근세의 연금술사들은 납을 금으로 바꾸려 했고, 당연히 실패했습니다. 그런데 그 실패가 헛수고였을까요? 그렇지 않습니다. 실패의 과정에서 화학의 손기술이 태어났거든요. 증류, 승화, 결정화, 여과 같은 분리 기법과 플라스크·증류기 같은 실험 기구가 연금술 작업장에서 다듬어졌습니다. 황산·질산·염산 같은 강산을 처음 만들어 쓴 것도 연금술사들이었죠. 뉴턴조차 방대한 연금술 연구를 남겼을 만큼 당대 최고 지성들이 매달린 분야였습니다. 목표는 틀렸지만, 물질을 다루고 변화를 기록하는 실험 전통이라는 유산을 남긴 겁니다. 화학은 연금술을 부정하며 태어난 것이 아니라, 연금술의 기법 위에서 질문만 바꿔 태어났습니다.
라부아지에: 저울이 이론을 심판하다
18세기 화학의 최대 논쟁은 연소였습니다. 통설은 플로지스톤설, 즉 물질이 탈 때 "플로지스톤"이라는 불의 원소가 빠져나간다는 이론이었죠. 그런데 이상한 일이 있었습니다. 금속을 태우면 재(금속회)가 오히려 무거워지는 겁니다. 빠져나갔는데 무거워진다니요. 옹호자들은 플로지스톤이 음의 무게를 가진다는 궁여지책까지 내놨습니다.
라부아지에(Lavoisier, 1743~1794)는 밀폐 용기와 정밀 저울로 이 문제를 끝냈습니다. 밀폐된 계에서 연소 전후의 질량을 재면 전체 질량은 변하지 않았고, 금속이 무거워진 만큼 정확히 공기가 가벼워졌거든요. 연소는 무언가가 빠져나가는 과정이 아니라 공기 중 산소와 결합하는 과정이며, 반응 전후 전체 질량은 변하지 않는다는 질량 보존 법칙이 여기서 확립됐습니다. 그는 1789년 『화학 원론』에서 더 쪼갤 수 없는 물질로서의 원소 33종 목록을 제시하고 화합물 명명법을 정비해 화학의 언어를 다시 썼습니다. 핵심은 방법론의 전환입니다. 이론의 심판관을 사변이 아니라 저울에 맡긴 것이죠. 비극적이게도 그는 프랑스 혁명기에 세금 징수 청부업자 경력 때문에 1794년 단두대에서 처형됐습니다. 수학자 라그랑주는 "그의 머리를 자르는 데는 한순간이면 족했지만, 같은 머리가 다시 나오려면 100년도 부족할 것이다"라고 탄식했죠.
돌턴: 알갱이로 설명되는 저울의 규칙
질량 보존에 이어 프루스트(Proust)가 일정 성분비 법칙(한 화합물의 성분 질량비는 항상 일정하다)을 확립하자, 영국의 교사 돌턴(Dalton)이 1803년 결정적 질문을 던집니다. 왜 성분비가 항상 정수비로 떨어지는 걸까요? 그의 답이 바로 근대 원자론입니다. 각 원소는 고유한 질량의 원자로 이루어져 있고, 화합물은 원자들이 작은 정수비로 결합한 것이며, 화학 반응은 원자의 재배열일 뿐 생성도 소멸도 아니라는 것이죠. 이 가정에서 질량 보존과 일정 성분비가 자동으로 따라 나오고, 돌턴 자신이 발견한 배수 비례 법칙(같은 두 원소가 여러 화합물을 만들 때, 예를 들어 CO와 CO₂처럼 결합비가 정수비를 이룬다)까지 예측됩니다. 데모크리토스의 사변이 2천 년 만에 측정으로 뒷받침된 순간입니다. 이때부터 화학은 원자 단위로 계산하는 정량과학이 됐죠. 다만 돌턴의 원자는 여전히 "쪼개지지 않는" 알갱이였습니다. 그 가정이 무너지는 이야기가 다음 강입니다.
인출 문제
생각해볼 질문 (정답 없음)
- 플로지스톤설은 한 세기 가까이 많은 현상을 그럭저럭 설명했습니다. "쓸모 있게 틀린 이론"은 과학에서 어떤 역할을 할까요?
- 데모크리토스가 옳았다고 말해도 될까요, 아니면 우연히 비슷한 결론에 도달했을 뿐일까요?