이번 1장에서는 화학에 입문하기 위한 가장 기초적인 내용들을 다루고자 합니다. 화학이란 어떤 과목이고 어떤 연구를 한다는 내용은 그냥 교과서를 보시면 좋겠습니다. 제 강의는 높은 연계성을 지향하여 강의 밑에 연계 강의를 표시하니(물론 아직은 없습니다), 이해할 때 도움이 되시길 바랍니다.
1. 화학의 영역
시험관과 비커에 정체불명의 이상한 물질을 넣고 가열하고 섞는 것은 흔히 일반인들이 생각하는 화학의 이미지입니다. 하지만 이건 20세기 이전의 이미지이고, 현재는 과학기술이 발전하여 여러 분야로 세분화 되었습니다. 그렇게 되면서 저런 이미지와는 거리가 먼 화학도 생겨났지요.
(0) 기초화학, 일반화학
기초화학이란 학문은 없습니다. 대신 비슷한 것으로 화학 I, II 또는 일반화학이 있습니다. 이러한 화학들의 특징은 여러 분야의 핵핵심적인 내용들을 몇 개 씩만 골라서 설명합니다. 때문에 생각을 깊게 하는 학생은 "선생님 이건 왜 이렇게 가정하는 거에요?"라던가 "실제로는 그럼 어떻게 되나요?"라는 질문을 하게 됩니다.
즉 수박 겉핥기 식이라고 볼 수도 있는데 이렇게 교육과정이 잡혀있는 이유는 간단합니다. 화학을 처음 배우는 사람에게 각 분야의 이론의 맨 처음부터 가르치면 어려워서 이해를 할 수가 없습니다. 따라서 이러이러하다고 한다~ 라고 익히면서 화학에 대한 감을 쌓고, 좀 더 어려운 이론을 배운 뒤 예전의 내용을 고찰하게 되면 "아 이게 그래서 이렇게 되는 거였구나!"하는 감탄을 하게 됩니다. 저러한 질문이 생기면 연계 강의를 참조하시면 되겠습니다.
(1) 유기화학
일반인들이 흔히 가지는 화학의 이미지로 대표되는, 가장 '화학다운 화학'입니다. 화학 반응을 일으켜 새로운 화합물을 만들어내는 학문이죠. 탄소 화합물을 다루게 되는데, 탄소는 결합을 다양하게 할 수 있어 범위가 매우 넓습니다.
(2) 무기화학
유기화학의 '유'는 有입니다. 네, 있을 유 자입니다. 그렇다면 무기화학의 무는 없을 무 일까? 없을 무(無)가 맞습니다. 유기화학과 반대되는 범위를 다루는 학문으로, 유기화학이 탄소 화합물을 다룬다면 무기 화학은 탄소 이외의 모든 원소와 화합물을 다루게 됩니다. 때문에 이 분야에서는 금속을 많이 다루게 되는데, 금속과 탄소의 화합물을 다루게 되면 유기무기화학이라는 무시무시한 이름을 갖는 분야갸 됩니다. 실제로도 있고요.
(3) 물리화학
물리가 싫어서 화학을 공부하겠다고 하면 큰 오산입니다. 화학에서도 물리가 필요합니다. 정확하게는 '물리적인 접근을 통해 이론을 유도하고 실제와 맞는지 증명하는 분야'입니다. 그래서 이 분야에서는 역학, 전자기학, 양자역학 등 가리지 않고 물리적인 공식이 자주 등장합니다. 예를 들면 물리에서 '물체가 벽에 충돌하여 운동량이 변하였다'고 하면, 화학에서는 '기체 분자가 벽에 충돌한 뒤 반사되어 운동량이 변하였다'고 활용합니다. 기초화학에서 '그냥 알아라'하고 던져주는 공식들을 이 분야를 배우면 직접 증명할 수 있습니다. 그리고 컴퓨터를 많이 쓰는 학문이기도 합니다.
(4) 분석화학
측정 기기를 많이 사용하는 분야입니다. 목적은 물질 속 성분 확인과 정량이죠. 쉽게 말하면 어떤 혼합물 속에 뭐가 얼만큼 들어있는지 알고자 하는 학문입니다. 가장 쉬운 예제는 산-염기 적정 pH 곡선이죠. pH 미터를 이용해 그래프를 그리고 여러가지 계산을 할 수 있습니다. 다만 내용이 없어도 충분한 분야라 강의는 하지 않겠습니다.
2. 기초 상식
가장 중요한 용어의 차이가 있습니다. 짚고 넘어갑시다. 다음은 두 용어의 정의입니다.
물질(Matter): 질량을 가지고 공간을 차지하는 모든 것.
물질(substance): 물질의 단일하고 정제된 형태
????! 이게 뭘까요? 영단어 matter와 substance는 둘 다 일반적으로 '물질'이라고 번역되지만 정의가 다릅니다. substance는 matter을 정제한 형태이기 때문에 순물질 이라고 불러도 됩니다. 하지만 그렇게 구분하지는 않고, 순물질을 'pure substance'라고 하지 'pure matter'라고 하지 않는다는 점에서 차이점을 찾을 수 있습니다.
물질의 상태는 여러가지의 형태가 있으며 물질은 이 여러가지의 형태 중 하나로 존재하며 상태는 바뀔 수 있습니다.
고체: 단단한 상태
액체: 일정한 표면을 가지는 유체
기체: 담겨 있는 용기를 모두 채우는 유체.
여기서 유체(fluid)란 흐를 수 있는 물질을 말합니다. 물도 흐르고, 수증기도 흐르죠. 즉 액체와 기체 모두 유체인데 액체와 기체의 차이점은 표면의 유무입니다. 물은 유리컵에 담그면 일정 부피를 차지하고 위에는 '수면'이 존재해서 수면 아래로는 물이 채워져 있고, 위로는 대기가 존재한다는 '구분'을 할 수 있습니다. 반면에 기체는 1 리터 용기에 넣으면 1리터고, 2리터 용기에 넣으면 2리터가 되며 표면이라는 것이 존재하지 않습니다.
분자: 물질을 계속해서 쪼갤 때, '그 물질의 성질을 가지는 가장 작은 단위'입자.
원자: 물질을 계속해서 쪼개서 안쪼개지게 되는, 물질을 구성하는 가장 작은 단위 입자
분자를 쪼개면 원자가 되고, 원자롤 조합해서 분자를 만들 수 있다는 것이죠. 차이가 있다면 분자는 물질의 성질을 가지고 있고 원자는 그렇지 않다는 점입니다. 원자는 쪼개질 수 없다고 정의하게 되었는데 원자핵과 전자로 구성된다는 것이 알려져 정의와 실체가 어긋나버렸습니다...
원소: '일정한 원자번호를 갖는 불변의 단순물질로서 다른 물질'
원자와 별 차이가 없어보이죠? 여기서 우리가 구별해줘야 하는 것은 원소와 원자가 지칭하는 대상입니다. 원자는 말 그대로 입자, 즉 알갱이를 가리키고 원소는 알갱이의 종류를 가리킨다고 이해하면 쉽습니다. 예를 들어 노란 구슬 5개와 빨간 구슬 3개가 있다고 가정하면, '구슬은 8개이며 구슬은 2 종류이다'라고 말할 수 있습니다. 이를 원자, 원소에 대입해보면 'A원자 5개와 B 원자 3개가 있다. 원자는 8개가 있으며 원소는 2 종류이다'가 되는 것이죠.
원자는 원자핵과 전자로 구성되고, 원자핵은 양성자와 중성자로 구성되는데 원소를 결정하는 것은 양성자 입니다. 양성자는 +전하를 갖고 있기 때문에, 양성자 수가 변하면 화학적인 성질이 변하게 되죠. 전자 또한 -전하를 가지고 있는데 왜 기준이 양성자이냐면, 전자는 매우 가벼워서 쉽게 잃어버리고, 양성자가 떨어질 일은 화학에서는 없기 때문입니다.
원자가 중성일 때는 양성자와 전자의 개수가 같아서 총 전하가 0인 중성상태로 존재하는데, 전자가 떨어지면 양성자가 더 많아지기 때문에 + 전하를 띄게 됩니다. 이를 양이온이라고 하고, 반대로 전자를 더 얻어서 전자가 더 많아지면 -전하를 띄게 되므로 음이온이라고 하지요.
양성자의 개수는 같은데 중성자의 개수가 달라지면, 화학적인 성질은 동일한데 물리적인 성질(밀도 등)이 달라지게 됩니다. 이러한 관계에 있는 원소를 '동위원소'라고 부릅니다.
원자량: 각 원자 마다의 고유한 질량
분자량: 각 분자 마다의 고유한 질량으로, 분자를 구성하는 원자의 질량을 모두 더하면 된다.
실제로 원자와 분자는 아~~~주 가볍기 때문에 일반적인 단위로 나타내면 사용하기가 너무 어렵습니다. 그래도 각 원소 간의 질량비는 학자들이 알게 되어서, 원자 1개의 질량을 사용하는 대신에 원자가 몇 개 모였을 때 몇 g이 되는지, 그 비율을 '원자량'이라고 정의하게 되었습니다. 기준으로 선택된 원자는 탄소 12 입니다. 양성자 6개, 전자 6개, 중성자 6개로 구성되는 이 원자를 개 넣으면 정확히 12 g이 되는데, 이 탄소의 원자량을 12라 정의하고 다른 원자들의 원자량을 이 탄소와의 질량비를 이용해 구하게 된 것입니다. 산소의 경우 16인데, 탄소보다 4/3 배 무거워서 16이 된 것입니다. 그리고 저 개 라는 이 특별한 숫자는 아보가드로 수()라 하게 됩니다.
여기서 '몰'의 개념이 등장하는데, 개의 탄소 원자가 12 g이라고 정의했죠? 그러면 12 g의 탄소는 개의 탄소12 원자로 구성되겠죠. 이 개의 원자를 1 몰(mole)이라 부르게 됩니다. 예를 들어 2 몰의 원자가 있다라고 하면 에 2를 곱한 만큼의 원자가 있는 거죠. 또한 아보가드로 수에 원자량을 곱하면 실제 질량이 되기 때문에 분자량에 아보가드로 수를 곱하면 물질의 질량이 나오며, 반대로 물질의 질량을 분자량으로 나누어 주면 몇 몰의 분자/원자로 이루어져 있는지 알 수 있게 됩니다.
3. 수식
몰 수를 계산하는 방법입니다. 질량의 단위가 g, 몰 수의 단위가 mol이기 때문에 분라량의 단위는(g/mol)이 됩니다.