화학, 인문과 첨단을 품다

화학, 인문과 첨단을 품다

전창림 지음

한국문학사 / 2019년 12월 / 407쪽 / 16,800원



화학(化學), 모든 것을 만드는 신비한 마법



화학은 변화에 대한 학문이다. 크게 보면 변화에는 물리적 변화가 있고, 화학적 변화가 있다. 그런데 물리적 변화는 눈에 보이나, 물질의 변화는 눈에 보이지 않는다. 그래서 일반인은 화학을 어려워한다. 물질의 화학적 변화는 물질을 완전히 변형시켜 전혀 다른 물질을 만든다. 예로 시큼한 염산과 역겨운 냄새의 양잿물을 섞으면 짠맛의 소금물이 된다. 염산도 먹으면 큰일 나는 물질이고, 양잿물도 절대 먹을 수 없는 물질인데, 이 둘을 섞으면 먹을 수 있는 소금물이 된다니! 이거야말로 마법이 아닌가? 그렇다. 화학은 마법이다. 눈에 보이지 않아서 마법이고, 예기치 않게 전혀 다른 물질이 탄생하니 마법이다. 실제 화학이 발전하기 전에는 많은 화학적 변화가 마법의 영역에 자리 잡고 있었다.

화학은 마법에서 태어났다? - 연금술

마법에서 화학으로: 우리 주위에서 일어나는 일들 중에 눈에 쉽게 잘 보이지 않는 부분은 거의 화학적 변화를 포함한다. 그래서 옛날에는 화학자가 마법사와 동의어였던 시기가 있었다. 예를 들어 고대 수메르나 이집트인들은 원인을 알 수 없는 열병에 걸렸을 때 제사장이나 마법사가 주는 이상한 약물을 마셨다. 2천 년 넘게 신비하게만 생각했던 이 약물의 정체는 버드나무 껍질을 달인 것이었다. 화학이 발달한 후에 이 물질은 아스피린이라는 뛰어난 효능을 지닌 약으로 재탄생했다. 고대의 마법사들이나 제사장들이 부리는 마법의 상당수는 현대 기술로 보면 화학인 경우가 많다. 그런데 다른 마법보다 화학 마법은 판별하기가 어려웠다. 그래서 사람들은 그 마법에 주목하기 시작했고, 전문적으로 연구하는 사람들도 나타났으니, 그들이 바로 연금술사들이다.

연금술은 화학의 뿌리: 일반적으로 연금술은 1142년경에 시작되었다고 하지만, 사실 이런 유의 비술은 기원전 4500년까지 거슬러 올라가서 고대 중국, 인도, 이집트, 메소포타미아에서 시작되었다고 한다. 엠페도클레스와 아리스토텔레스는 우주 만물은 모두 흙, 물, 공기, 불의 4원소로 이루어져 있는데, 이 물질들이 반응을 일으키려면 ‘철학자의 돌’이라는 제5원소가 필요하다고 했다. 이 이론을 현대에 대입해보면 흙, 물, 공기, 불은 각각 고체, 액체, 기체, 에너지를 말하며, 제5원소는 촉매에 해당한다고 할 수 있다. 제5원소를 찾기만 하면 납을 금으로 만들 수 있을 것이라 믿었던 것이다.

이 연금술이 이슬람에 전해졌는데, 특히 왕의 아들인 칼리드가 왕위 계승도 포기하고 연금술에 전념하여 많은 성취를 이루어냈고, 이후 연금술이 중세 유럽에 전해지게 되었다. 중세 신비주의 수도사들의 장미십자가회도 연금술의 비밀 보존에 관련되어 있으며, 아이작 뉴턴은 연금술의 마지막 현자로 인정받았다. 그리고 라부아지에의 등장 이래 비술로의 연금술은 정통 과학에 밀려 급속하게 쇠퇴했다.

화학의 시작, 문명의 출발 - 불

우리가 일상생활에서 하는 모든 행위, 즉 세탁하고 화장품 쓰고 요리하고 음식을 소화시키는 것도 다 화학이며, 우리가 먹고 입고 신고 쓰는 모든 물건들도 거의 다 화학의 산물이다. 그래서 생물학도, 물리학도, 수학도, 심지어는 음악, 미술, 체육까지도 화학이 없이는 실체가 없는 경우가 많다. 산소는 발화시에 꼭 필요한 원소다. 수소는 불을 만나면 폭발하듯이 잘 탄다. 그런데 이 둘이 결합하면 불을 끄는 물이 된다. 이것이 화학의 마법이다. 우리 주위에는 이와 같은, 이보다 더 신기하고 복잡한 화학 마법이 가득하다. 마법사가 마법을 부리거나 마법의 묘약을 만들 때는 항상 불길이 등장하는데, 이때의 불이야말로 화학반응을 유발하는 중요한 요소 중의 하나이자 화학의 출발점이다.

화학식으로 물질의 정체를 드러내다 - 화학 반응식, 이성질체

한눈에 알기 쉬운 화학 반응식: 화학반응이 일어나면 물질의 변화가 일어난다. 그 변화를 한눈에 볼 수 있도록 화살표를 사용하여 화살표 왼쪽에 반응물을, 화살표 오른쪽에 생성물을 표시한 것이 화학 반응식이다. 한편 화학물질을 표기하는 것을 ‘화학식’이라고 하며, 여기에는 실험식, 분자식, 시성식, 구조식들이 있다. 실험식은 화합물에 포함된 원소의 종류와 원자의 수를 가장 간단한 정수의 비로 표시한 것이다. 그러나 아세틸렌(C2H2)과 벤젠(C6H6)은 실험식이 CH로 똑같다. 이런 문제를 해결한 것이 분자식이다. 분자 단위로 표기하므로 좀 더 알아보기 쉽다.

아세트산은 실험식으로 표시하면 CH2O이고, 분자식으로 표시해도 C2H4O2가 된다. 그런데 이런 분자식을 갖는 분자들은 매우 많다. 아세트산뿐만 아니라 메틸포르메이트, 글리코알데히드, 에틸렌디올 모두 분자식이 같다. 이럴 때는 시성식이 좋다. 시성식은 특정한 기능기나 원자단을 표기하여 물질의 물성을 나타내주는 표기법으로 유기화학에서 특히 유용하다. 유기화학자들이 더 선호하는 표현법은 구조식인데, 이는 간단하고 한눈에 알아볼 수 있기 때문이다.

화학은 모든 분야와 연관되어 있다 - 화학의 융합적 성격

뭐든지 만드는 건 다 화학: 화학은 거의 모든 분야에 연관되어 있다. 미래에 중요한 3가지 기술은 인터넷 전자 기술(IT), 생물-유전공학(BT), 환경기술(ET)인데, 어느 분야든 실제 제품을 생산하고 실제 재료를 준비하는 단계에서는 화학의 힘이 절대적이다. 예로 IT 기술의 핵심인 반도체 제조에는 웨이퍼 제작, 산화공정, 포토공정, 식각공정, 박막-증착 공정, 금속화공정, 전기특성검사, 패키징과 같은 여덟 단계의 공정이 필요한데, 그중 일곱 번째인 검사공정을 빼고는 모두 화학공정이다.

그리고 유전공학이나 분자생물학에서도 유전자를 조작하고 자르고 붙이는 공정이 모두 화학반응이다. 농산물을 개량하여 병충해에 강한 작물, 생산량이 많은 식물, 특별한 기능을 갖는 특수 작물을 만들어내는 유전자 재조합 기술은 DNA를 절단하고 다른 부분을 연결해 붙이는 기술들을 말한다. 그리고 또 환경오염의 원인과 특성을 분석하고 규명하는 일도 화학이다. 아울러 오염된 환경을 깨끗하게 되돌려놓는 일, 예를 들면 수질오염 처리나 대기오염 처리에도 모두 화학을 사용한다. 화학이 환경을 오염시켰다는 말은 맞는 말이지만, 그러나 지금 환경을 깨끗하게 되돌려놓을 기술도 역시 화학이다.

통합과학 안에서도 화학이 핵심이다: 현대사회를 융합의 시대, 통섭의 현장이라 부른다. 그리고 학교에서도 통합과학을 가르쳐야 한다는 말들을 한다. 그런데 고등학교 통합과학 교과과정을 보면 모든 과학에서 화학이 중요 핵심이 된 것처럼 보인다. 참고로 통합과학의 4개 단원은 ‘물질과 규칙성’, ‘시스템과 상호작용’, ‘변화와 다양성’, ‘환경과 에너지’인데, 4개 단원 중, ‘물질과 규칙성’과 ‘환경과 에너지’는 전부 화학이고, ‘변화와 다양성’의 반도 화학이다. 그리고 ‘시스템과 상호 작용’도 순수 물리 내용인 ‘역학적 시스템’을 제외하면 화학에 대한 이해 없이는 설명이 불가능한 내용들이다. 왜 이렇게 화학이 중요해졌는가? 왜 모든 교과에 화학이 연관되어 있는가? 현재 교육에서 중요시하는 지구 환경과 생태계의 문제점은 어떤 해결책을 제시한다 해도 궁극적으로 화학의 도움을 필요로 하기 때문이다. 그리고 미래의 주력 산업으로 성장할 각 분야의 핵심은 에너지와 신소재인데, 새로운 에너지와 소재를 만드는 일 역시 바로 화학의 전문 분야이기 때문이다.

화학, 넓고도 깊은 통섭의 세계 - 화학의 분야

물리학이 ‘물체의 운동’을 탐구하는 데 비해, 화학은 ‘물질의 본질과 변화’를 탐구하는 학문이다. 그런데 ‘물체’는 형태를 가진 사물을 말하고, ‘물질’은 형태가 바뀌어도 변하지 않는 본질적 재료를 말한다. 예로 의자는 물체고, 의자의 재료인 나무는 물질이다. 그러한 이유 때문에 자연히 화학이 다루는 분야와 영역은 상당히 넓으며, 거의 모든 분야와 뿌리 깊게 연결되어 있다고 하겠다.

역사적 기적에는 언제나 화학이 함께한다



기원전 587년 역사에서 사라졌던 나라가 냉엄한 현재의 세계 질서 속에서 20세기에 새로이 건국된 것은 있을 수 없는 기적이다. 그런데 그렇게 건국된 이스라엘의 초대 대통령이 화학자 바이츠만이다. 그리고 이런 기적을 일으키는 데 바탕이 된 것이 바로 화학의 힘이다. 바이츠만은 1914년 박테리아에게 값싼 녹말을 먹이로 주어 아세톤이나 알코올, 에탄올을 대량으로 생산하는 ‘ABE 공정’을 개발했는데, 영국 외무장관 제임스 벨푸어는 바이츠만에게 아세톤을 대량으로 만들어 줄 것을 요청하고, 그 대가로 유대인의 국가 건설을 약속했다. 이스라엘은 화학의 힘으로 건국할 수 있었던 것이다.

또 나치가 일으킨 제2차 세계대전을 종식시킨 것도 화학의 힘 덕분이었다. 판세를 뒤집은 노르망디 상륙작전을 합성고무로 만든 가짜 탱크, 가짜 항공기 등을 활용해 연막 작전으로 성공시켰기 때문이다. 일본의 항복을 받아낸 원자폭탄 투하도 모두 화학의 힘에서 비롯되었다. 또 14세기에 유럽 인구 3분의 1의 생명을 앗아간 흑사병 같은 전염병의 재앙을 막게 된 것도 항생제 개발과 위생 기술의 발전을 가져온 화학의 힘 때문이다. 이와 같이 화학은 역사적인 순간마다 그 위력을 한껏 발휘했다.

그리고 세계 과학의 척도가 된 노벨상도 화학에 의해 탄생했다. 노벨은 다이너마이트라는 폭약을 발명하여 엄청난 부를 쌓았는데, 이것이 전쟁 도구로 악용되는 것을 매우 안타까워했다. 그는 거의 전 재산을 스웨덴 한림원에 기부함으로써 세계 평화에 공헌하고자 했고, 이로써 노벨상이 제정되었다.

우리 생활에서 화학 아닌 것은 없다



화학이 환경을 오염시켰다고 난리다. 화학제품을 쓰지 않고 천연으로 돌아가자는 분위기가 팽배하다. 그런데 정말 화학 없이 사는 것이 가능할까? 우리 생활은 화학 없이는 지속 불가능할 정도로 화학에 의존하고 있다. 우리가 살아가는 데 가장 기본이 되는 물(H2O)은 수소(H) 두 개와 산소(O) 하나가 결합한 화학물질이다. 화학의 힘을 빌리지 않는다면 우선 집에서 안전하게 마실 물부터 존재하지 않을 것이다. 바다에 있는 물이나 강이나 호수에 있는 물이나 하늘에서 내리는 빗물, 이 모두를 그냥 마실 수는 없다. 정제하고 여과하고 소독해야 한다. 이 과정에 고도의 화학 기술이 필요하다.

의식주의 모든 분야에는 화학이 깊게 스며들어가 있다. 부엌에서 화학이 사라진다면 냉장고의 냉매가 없기 때문에 음식을 보관하지 못하고, 걸핏하면 병원균으로 인해 식중독에 걸릴 것이다. 욕실에서 화학이 사라진다면 물만 가지고는 때를 씻지도 못할 것이고, 세탁도 거의 하기 힘들 것이다.

요리도 다이어트도 화학으로 성공한다 - 분자요리

화학자는 요리사: 열을 가하여 화학반응을 일으켜 소화가 잘 되고 맛있게 변화시키는 모든 활동을 조리라고 하는데, 부엌에서 조리를 할 때 일어나는 모든 변화가 다 화학이다. 재료에 열을 가하면 단백질 변성 반응, 마이야르 반응, 캐러멜화 반응 등이 일어난다. 고기의 주성분인 단백질은 분자량이 큰 고분자 물질이다. 열을 가하면 긴 사슬이 짧은 사슬로 끊어져 부드러워진다. 쇠고기의 경우 단백질 중에서 미오신은 50℃ 정도에서 변성이 일어나고, 액틴은 65.5℃에서 변성된다. 액틴이 변성되면 고기가 딱딱해진다. 그러므로 고기 속은 65.5℃가 넘지 않는 온도에서 익어야 부드럽다. 그런데 고기를 왜 숯불에 구워 먹어야 맛있을까? 이 온도는 분명히 66℃가 넘을 텐데 말이다.

여기에는 프랑스의 화학자 루이 카미유 마이야르가 발견한 화학반응이 관여한다. 음식에 포함된 당과 아미노산이 열을 받으면 아미노 카르보닐 반응이 일어나는데, 이 반응에 의해 고기나 빵이 노릇노릇해지고 갈색화(갈변반응)한다. 이 반응이 일어나면 독특한 풍미와 변색이 일어나 미각을 증대시킨다. 불에 타서 탄화가 되는 반응과는 다른 반응을 보이는 것이다. 스테이크를 구울 때도 육즙이 빠져나오지 않게 하면서 부드러운 식감을 유지시키려면 우선 센 불에서 고기 겉은 노릇노릇하게 구워 마이야르 반응을 일으키고, 고기 속을 익히기 위해 조금 낮은 온도에서 약간 긴 시간 익혀내야 한다. 그러면 겉은 바삭하고 풍미가 살아 있으면서, 고기 속은 부드럽고 육즙이 빠져나가지 않은 환상의 맛을 낼 수 있다. 이와 같이 화학 반응을 잘 이용하면 영양도 잃지 않고 맛을 증대시키는 조리가 가능하다.

음식을 조리하면서 균을 죽이는 것도 중요한 일이다. 너무 낮은 온도에서 조리하면 영양분을 보존할 수는 있으나 균이 살아남아 식중독을 일으킬 수 있고, 너무 높은 온도에서 조리하면 살균은 잘 되지만 영양분이 파괴되고, 재료 자체의 맛과 향을 잃어버릴 수 있다. 식중독균 중 살모넬라균은 4~45℃, 리스테리아균은 1.5~45℃에서 증식한다. 보통 저온살균법에서는 60℃ 정도의 온도에서 30분간 살균한다. 미오신이나 액틴 같은 단백질은 50~60℃에서 변성을 일으킨다. 그러므로 더 낮은 온도에서 살균도 하고 고기도 익히기 위해서는 낮은 온도에서 장시간 조리할 필요가 있다.

그러나 이렇게 하면 고기의 육즙과 풍미가 모두 빠져나가게 된다. 그래서 분자요리에서 사용하게 된 기술이 수비드(sous-vide)이다. 우리말로 번역하면 ‘진공’이란 뜻이다. 수비드는 1799년 영국의 벤저민 톰슨이 처음으로 고안한 기술인데, 프랑스 요리사 브뤼노 구소가 1971년 조리에 적용했고, 1974년 프랑스의 요리사 조르주 프랄뤼가 자신의 레스토랑에서 이 조리법으로 푸아그라를 만듦으로써 유명해졌다. 푸아그라는 거위의 간 요리인데 프랑스의 대표적인 미식 요리다. 한편 김치나 술이 익는 데에는 발효라는 화학반응이 관여한다. 화학반응에서 반응을 점화하고 가속시키는 일을 하는 것을 촉매라고 하는데, 발효는 효모라는 천연 촉매를 사용하는 화학반응이다. 이같이 요리하는 모든 과정이 화학이고, 화학을 알면 요리의 속까지 이해할 수 있게 된다.

인류를 이끄는 첨단기술 속의 화학



화학은 생활뿐만 아니라 첨단기술 분야에서도 아주 중요하다. 모든 첨단기술의 최종 제품을 제조하는 데는 역시 화학이 중추적인 역할을 한다. 현대의 3대 기술이라면 IT, BT, ET를 꼽는데, 이것들도 모두 그 중심 기술은 화학이다. 특히 우리가 한시도 떨어져서는 살 수 없을 것 같은 스마트폰의 가장 중요한 부분이 바로 디스플레이인데, 이것이야말로 첨단 화학의 산물이다. 옛날에는 무겁고 두꺼운 브라운관 TV를 썼으나 지금은 TV도, 스마트폰도, 컴퓨터도, 태블릿도 모두 얇고 가벼운 평판 디스플레이를 쓰고 있다. 그리고 만약 아침에 들고 나온 스마트폰이 전지가 다 떨어져서 쓸 수 없다면 무용지물이 되는데, 여기에도 고도의 화학 기술이 들어간다. 그 밖에도 스포츠, 과학수사, 자동차 등의 첨단기술은 화학에 아주 밀접하게 기대고 있다.

유전자 조작 기술의 핵심도 바로 화학 - BT 유전공학

유전자 조작 기술도 모두 화학반응: 생명체는 DNA라는 유전체를 통해 복제하면서 번식하는데, 이 복제 과정도 사실은 화학반응이다. 미국의 생화학자 아서 콘버그는 스탠포드 대학교에 생화학과를 창설했는데, 그 학과가 유전공학을 여는 시금석이 되었다. 이 생화학과에서 한 일이 DNA 분자를 자르고 연결하는 유전자 조작의 시작이었다. DNA 재조합 기술이나 현대의 유전공학 기술 모두 유전자를 분리하여 일부분을 자르고 붙이고 변형하는 기술을 지칭한다. 그런데 분리하고, 자르고, 붙이고, 변형시키는 작업 모두가 화학 반응이다. 이런 유전자 조작에는 제한효소를 사용하는데 효소도 역시 화학반응으로 이런 작업을 한다. 효소는 생물체 내에서 복잡한 화학반응을 높은 선택성으로 수행한다.