7. 근대적 과학분과의 정립: 화학

화학혁명 — 화학의 새로운 정체성과 방법론

화학 약사

옛날 옛적에: 아리스토텔레스의 물질론
원소 속성 성질
건 냉 고정성 / 모양 유지
건 습 유동성 / 모양 변화
공기 온 습 팽창성 / 이동성
온 건 외형이 따로 없고 물질을 투과/전파

통설

  • 16세기-17세기
    • 16-17세기 천문학 및 운동학 분야의 발전과 극명하게 대비.
    • 화학 분야는 정체했는가?
  • 18세기-19세기 — 근대화학의 기초 확립
    • 라부아지에 이전: 새로운 발견들, 하지만 개념적 혼란 (e.g. 슈탈의 플로지스톤 이론)
    • 라부아지에의 개념적 혁신: 플로지스톤 이론 → 새로운 연소 이론(산소와 화학적 결합)

Antonine Lavoisier(1743-1794) is considered the father of modern chemistry. Lavoisier managed to transform just about every aspect of chemistry. […] The “Chemical Revolution”, which marked the beginnings of modern chemistry, occurred in large part as a result of Lavoisier’s brilliant experimental capabilities. He played a role in many aspects of the Chemical revolution, including the evolution of the concept of an element, and the development of a new chemical nomenclature. Perhaps Lavoisier’s most important accomplishment was his role in the dismantling of the phlogiston theory of combustion. […] By ridding the chemical world of the phlogiston theory of combustion using quantitative analysis, Lavoisier was able to push chemistry toward its modern state.

다른 시각: (라부아지에 혼자 다 해먹었다는 시각에서 탈피)

  • 16-17세기
    • 결코 정체된 분야가 아니었음.
    • ‘자연철학’으로서의 화학1’ + ‘실용적 기예로서의 화학2’
  • 18세기-19세기
    • 근대화학의 기초 확립은 화학의 정체성 찾기 과정 (화학1과 화학2를 어떻게 접목할 것인가)
    • 슈탈 이후 화학의 학문적 정체성을 찾기 위한 다양한 시도들
    • 라부아지에의 노력도 이런 시도들 중 하나였으며, 나름의 맥락에서 큰 성과

라부아지에 이후:

  • 정상과학으로서의 화학
  • 근본적인 학문 체계의 변화 → 세세한 개량 동반

화학혁명의 배경

자연철학으로서의 화학

  • 17세기 기계론: 모든 자연현상은 “원칙적으로” 불활성 물질입자의 크기/모양/배치/운동으로 해명 가능하다는 입장
  • (화학적) 정성 ← (물리학적) 정량
    • 각종 화학적 성질들 (e.g. 산성, 염기성, 금속성, 염분, etc)
    • 각종 화학 반응 현상 (e.g. 연소 , 하소 , 증류 , 발효 etc)
    • 기계론 철학이 장차 해명해야 하는 “도전적인” 과제
    • 물질의 근본구조를 탐구하는 화학은 인식론상의 위계에서 Top에 놓이는 궁극의 과학
  • 17세기의 인식: 화학 = 기계론 철학의 최종 진화 형태
    • 하지만 이후의 화학의 발전이 이와 같은 방향으로 이뤄지지는 않았음

실용적 기예로서의 화학

  • 연금술
    • 자연물질들 간의 질서, 숨겨진 관계 이해 시도
    • 물질이론 개량: 4원소 + 3원질(three principles)
      1. 황(sulfur)의 원리: 물질의 연소성과 인화성을 설명
      2. 수은(mercury)의 원리: 물질의 유동성과 휘발성을 설명
      3. 염(salt)의 원리 : 물질의 고체성과 안정성을 설명
    • 물질 조작에 필요한 다양한 기법과 기구, 아울러 용어 고안
  • 약제술
    • 파라켈수스, 반 헬몬트 등 의술개혁가의 의화학(iatrochemistry) 분야 정립
    • 18세기의 기체의학
  • 자연물을 변형 가공하는 각종 기술
    • 야금술, 합금술, 화약제조술, 염색기술 등
    • 요한 베허의 『지하의 자연학』(1667년)
      • 기름진 흙(황), 유리질의 흙(염), 유동성의 흙(수은)
      • 개념 전환: From “Earth” to “various Earths”
    • 18세기 화학 공정의 산업적 활용

화학의 정체성을 찾아서

  • 게오르크 에른스트 슈탈(George Ernst Stahl, 1660-1734): 독일 내과의사, 화학자
    • 1683, 튀링겐 예나 대학에서 의학학위 취득
    • 1687-93, 작센-바이마르 공작 에른스트 3세의 주치의
    • 1694-1716, 할레 대학 의학 교수(의료화학파), 의학 학장
    • 1717-1734, 프로이센 왕 빌헬름 1세의 주치의
    • 화학교과서 Fundamentals of Chemistry 집필
    • 플로지스톤 학설(Phlogiston theory) 정립
  • Fundamentals of Chemistry (1723)
    • 유럽 각국에 번역 → 표준적인 화학 교과서로서 권위 누림
    • ‘화학의 이름’ 아래 행해진 다양한 실천들 포괄
    • ‘자연철학’으로서 학문적 위상, 화학의 정체성 확립
  • 슈탈의 논리:
    • "근본입자"에서 "화학원소" 개념으로
    • Basic Element: 물질의 근본 성분인 동질적인 물질 입자 → Partie constituantes: 근본입자들이 다양한 형태로 배치 , 배열되어 더 복잡한 입자군집체 형성 → (점진적으로 복잡성 증대) → Partie integrante: 어느 단계에 이르러 ‘ 고유한 화학적 성질 ’ 을 보유한 입자구성체 출현 = 화학원소
    • “원리적으로, 화학현상은 근본입자의 외연, 배치로 완벽히 설명될 수 있지만, 현 단계에서는 화학자들의 실제 경험과 직접 연관된 화학원리와 화학물질을 통해 접근해야만 …”
    • 화학물질이란? → (조작적 정의) 화학자가 보고, 냄새를 맡고, 맛을 음미하고, 조작할 수 있는 대상

플로지스톤설(Phlogiston theory) — 당대 화학활동들을 뒷받침해주는 배경 이론의 역할을 함

  • 물질의 연소 및 인화 현상을 설명하기 위해 고안된 이론
    • 가연성 물질에 열을 가하면 불길을 내며 타오른다 . 왜?
    • 모든 가연성 물질에는 불의 원질인 플로지스톤이 포함돼 있다 .
    • 연소 = 플로지스톤이 빠져나가는 현상
  • 슈탈의 플로지스톤(Phlogiston) ← 베허의 ‘기름진 흙’
    • 물질과 결합하면, ‘탈 기운’ 을 그 물질에 전달 ← 물질과 결합하면, 그 물질을 ‘기름지게’ 만듦
  • 금속의 제련: 플로지스톤 이론의 실용적 용도
    • 야금술 : 자연물 로서의 광석 → 인위적 가공물 로서의 금속
    • 어떻게? 광석에 플로지스톤 주입. 금속은 광석과 플로지스톤의 화합물
    • 광석(금속산화물, 금속회) + 숯 → 금속 + 재

기체화학의 급발전

  • 공기에 관한 전통적 관념: 공기는 4대 원소 중 하나. 공기는 한 종류, 단일한 물질
    • 뉴턴과 보일: “All air was physically identical, and dependent on mutually repellent force, which rendered them elastic.” → 로버트 보일의 공기펌프 실험들
  • 개념 전환: from “homogeneous Air” to “various Gases”
    • 공기는 다양한 성질을 띤 여러 종류의 기체들이 섞여 있는 혼합물이라는 인식
    • 기체화학(Pneumatic Chemistry): 각종 기체를 발견하고 그 성질을 연구하는 분야 부상
  • 스티븐 헤일스 (Stephen Hales, 1677-1761)
    • 잉글랜드의 성직자, 테딩턴 지역 교구 사제
    • 식물생리학, 동물생리학 / 기체화학 분야의 선구자
    • 공기의 “화학적 성질” 개념 제안
      • “공기는 물리적으로는 탄성을, 화학적으로는 활성을 띤다!”
      • 척력 → 탄성, 인력 → 활성
    • 고정된 공기(fixed air) 개념 제안
      • “공기가 특정 물질과 서로 끌어당기는 속성이 있을 때 그 공기는 고정되었다고 한다.”
      • 반대로 특정한 물질을 가열하거나 기타 짓거리를 해서 고정된 공기를 빼낼 수도 있다.
    • 헤일스의 실험적 연구
      • 식물, 동물로부터 방출되는 기체들 포집
      • 고체(광물)에 고정된 기체 분리 포집
  • 조지프 블랙 (Joseph Black, 1728-1799)
    • 스코틀랜드의 의학자, 화학자
    • 1746-50 글래스고대학 의학 공부
    • 1751-54 에든버러대학 졸업
    • 1757-65 글래스고대학 의학 교수
    • 1766-97 에든버러대학 의화학 교수
    • “고정된 공기(Fix air)”의 화학적 성질에 관한 연구
      • 논문: “Experiments upon Magnesia Alba, Quicklime ….” (1756)
      • 하얀 마그네슘(Magnesia Alba, MgCO 3 ) 가열 → 보통의 공기와 전혀 다른 (연소와 호흡을 방해하는) 성질을 지닌 새로운 공기 포집
      • “고정된 공기(Fixed air, CO2)”라 명명
      • 석회암과 산이 반응할 때도 생성
    • Fixed Heat 개념 제안: 기체가 그렇듯, 열 또한 물질에 고정될 수 있음
    • 단일한 물질로서의 공기 → 다양한 성질을 띤 기체들의 혼합물
      • 개별 기체를 분리하고, 그 성질을 측정하는 실험 기술 개발 노력
  • 헨리 케번디시 (Henry Cavendish, 1731-1810)
    • 영국의 물리학자, 화학자
    • 데본셔 공작 집안의 장남
    • 1749년 케임브리지 대학 입학, 1753년 중퇴
    • 1760년 이후 왕립학회 회원
    • 대부분의 연구 미출간
    • “가연성 공기(inflammable air)에 관한 연구” (1766년)
      • 황산에 금속을 넣을 때 금속이 부식하면서 발생하는, 폭발성을 띤 공기 포집 → 가연성 공기(inflammable air, H2 )라 명명
      • 금속에 결합된 ‘순수한 플로지스톤’을 기체형태로 추출해 낸 것으로 해석하며 큰 의미 부여
  • 18세기 기체화학의 급격한 발전과 그로 인해 야기된 혼란
    • 새로 발견된 수많은 기체들
      • 조지프 블랙: 고정된 공기(fixed air, CO2)
      • 헨리 케번디시: 가연성 공기(inflammable air, H2)
      • 칼 셀례(Carl Wihelm Scheele, 1742-1786): 불의 공기 or 생명의 공기(fire air, vital air, O2)
      • 조지프 프리스틀리: 나빠진 공기(vitiated air, N2), 초석의 공기(nitrous air, NO), 탈플로지스톤 공기(dephlogisticated air, O2) 등
      • 기타 실체가 불명확한 여러 기체들
    • 새로운 화학적 성질을 지닌 다양한 기체 범람
    • 동일한 기체를 두고도 서로 다른 이름으로 부르며 다른 것으로 착각하는 경우 빈번 / 반대의 경우도 마찬가지로 빈번
    • 다양한 기체들을 어떻게 조직화, 체계화할 것인가?

플로지스톤설과 기체화학의 결합

  • 조지프 프리스틀리(Joseph Priestley, 1733-1804)
    • 영국 비국교파 성직자. 정치적, 종교적 급진주의자
    • “플로지스톤 박사(Doctor Phlogiston)”: 플로지스톤 이론을 당대 화학의 지배적 이론으로 끌어 올린 인물
    • 유능한 기체 사냥꾼
  • 프리스틀리의 ‘호흡의 생리학’
    • 생명을 유지케 하는 ‘공기의 덕성(virtue)’
      • 동물은 ‘호흡’을 통해 생명을 유지하나, 그 결과 ‘공기의 덕성’이 소모된다.
      • 식물은 ‘공기의 덕성’을 회복시킨다.
      • 호흡과 연소: “공기의 덕성은 플로지스톤 함량과 관계가 있다.”
    • ‘플로지스톤’과 ‘공기’의 관계
      • “물질이 연소할 때 공기는 플로지스톤을 흡수하는 스펀지처럼 기능하지만, 완전히 포화되면 스펀지로서의 활성을 잃어 더 이상 연소를 돕지 못하게 된다.”
      • “플로지스톤끼리는 강한 인력이 작용한다. 따라서 플로지스톤의 함량이 늘수록, 공기의 탄성은 감소한다.”
  • 프리스틀리의 금속회 가열 실험 (1774년)
    • 실험 1 — 목표: 공기 중의 플로지스톤을 제거
      • 붉은 수은회(red calx of mercury) 준비
      • 보통 공기가 든 밀폐 용기에 넣고, 대형 렌즈로 고온 가열
      • 붉은 수은회가 ‘수은’으로 변화, 수위는 하강
      • 금속회 + 보통 공기 → 금속 + “탈플로지스톤 공기”
    • 실험 2 — 목표: 플로지스톤설의 정합성 검증
      • 보통 공기 대신, 케번디시가 발견한 가연성 공기를 이용해 실험
      • 가연성 공기 소진되면서 수위 상승
      • 금속회 + 가연성공기 (플로지스톤) → 금속
  • 『각종 공기에 관한 실험과 관찰』(1775년)
    • 18세기에 발견된 여러 공기들, 그 화학적 성질에 관한 포괄적 연구
    • 플로지스톤 이론에 입각한 해석틀 제공
      • “공기의 섭리”: 플로지스톤이 얼마나 함유되냐에 따라 공기의 변형 발생 → 다양한 화학적 성질을 지니는 공기들을 분류 가능
      • 가장 고결한 공기는 연소와 부패의 원질을 가장 적게 함유한 “탈플로지스톤 공기(dephlogisticated air)”
    • 자연의 섭리: 플로지스톤의 순환
      • 우주의 밸런스를 유지하기 위해 신이 창안한 자연의 메커니즘
      • 연소, 호흡, 동물의 부패: 플로지스톤을 대기 중으로 방출하는 과정
      • 식물의 생장, 물의 흐름: 대기 중의 플로지스톤을 제거하는 과정

화학혁명 — 라부아지에

라부아지에 신상명세

  • 1754-1761년 마자랭 대학 법학 전공. 자연철학에 큰 관심
  • 1768년 과학 아카데미 화학 분과 준회원으로 선출
  • 1785년 과학 아카데미 집정관, 6년 후엔 재무관 역임
  • 1790년 혁명정부 의뢰로 도량형 개혁 프로젝트 진행
  • 1793년 과학 아카데미 폐쇄
  • 1794년 단두대 처형
  • 세금 징수조합 고위관료로서 활동 — 세리로서의 수익 145,000 파운드, 아카데미 프로젝트(화약 관련) 급료 5,000 파운드
  • 중농주의 개혁 프로그램 추진

라부아지에의 연구 스타일

  • 여러 학자들의 저서를 꼼꼼하게 읽고 메모
  • 여러 이론 사이에 존재하는 불일치, 당대 화학 지식의 빈틈을 일목요연하게 정리
  • 자신의 연구 프로그램을 기획하는 데 반영 → “물질 연소 후 무게 증가 현상”
  • 자칭 물리학자: 물리학의 방법을 화학에 적용
    • 정량화와 정확한 측정을 강조하던 당대 프랑스의 학풍
  • 정성적, 직관적인 화학실험 전통 → 실험과정의 정량화, 계산
  • 반응 전후 반응물과 생성물의 무게 측정 & 비교
    • 입력량과 산출량을 대차대조표 형식으로 비교하는 정량화 방법

라부아지에의 연구 프로그램

  • 1760년대 말 – 1770년대 중반
    • 수은 → 수은재 (무게 증가) : “하소 과정에서 공기의 특정 성분이 금속과 결합한다”고 추정
    • 화학저울(balance) & 대차대조표(balance sheet): 물질의 총량이 보존된다는 믿음
      • 수은 가열: 통 안의 공기 감소 & 수은재 생성 (무게 증가): 수은 + ‘공기 중의 무언가’ → 수은재
      • 수은재 가열: 통 안에 공기 생성 & 수은 생성 (무게 감소): 수은재 → 수은 + ‘새로운 공기’
  • 1770년대 후반: 산의 형성과 연소 과정에 관한 연구
    • 산소 기체 : 산을 만드는 원질인 ‘산소(oxygene)’와 열의 원질인 ‘열소(칼로릭)’의 결합물
    • 연소 이론 정립 : 열의 형태로 방출되는 칼로릭 + 금속과 결합해 금속재를 형성하는 산소
  • 1780년대 초반 이후
    • 열소 이론 정교화
    • 물의 합성, 분해 연구: 물을 만드는 물질인 수소(hydrogen) 확인
    • 화학 분야 전반으로 연구프로그램 확장: 발표, 식물의 생장, 동물의 호흡 등

라부아지에의 화학 체계화

  • 1789년 『화학원론』 출간
    • Methode de nomenclature chimique: 체계적인 원소 및 화합물 명명법 도입
    • 원소(element): “지금까지 알려진 방법으로 분리되지 않는 물질” 33종
    • 화합물: 관용명 대신 화학결합으로 (e.g. 아연꽃 → 산화아연, 금성의 황산염 → 황산구리, 토성의 당 → 아세트산납)
    • 라부아지에 식의 분류체계에 담긴 함의: 물질들 간의 위계에 큰 변화 동반 → 저항의 원천
      • 기존 체계 (수소는 플로지스톤과 물의 결합물) / 라부아지에의 이론 (물은 수소와 산소의 결합물)
  • 라부아지에의 유산 : 개념적 변화
    1. 공기의 화학적 역할이 분명하게 인식되기 시작. 기체상태이론을 통해서 공기는 이제 화학변환에 핵심적으로 관여하는 요소가 되었음
    2. 이런 공기의 역할이 인식되면서 화학 성분에 관한 전통적인 관념이 전복되었음(플로지스톤설, 4원소설, 3 원질설 폐기) → 화학작용은 기본물질의 합성으로 이해되기 시작
    3. 화학연구에 정량화 기법, 정밀 실험도구 활용 등 물리 실험의 방법론이 도입(무게,압력,온도)

후일담: 라부아지에 이후

  • 험프리 데이비
    • 산소 없이도 산성을 띠는 물질들 발견 : 염소, 요오드 등
    • 산을 생성하는 원질로서의 ‘산소’ 라는 라부아지에의 핵심 개념 폐기
    • 라부아지에의 또 다른 핵심 이론인 열소 이론 폐기: 열에 관한 새로운 개념 확립
    • 전기 분해 실험 : 나트륨과 칼륨 분리 → 지속적으로 개정되는 원소표
  • 돌턴
    • 화학자의 실용적인 원소 개념 → 물리적 실재로서의 원자 개념
  • 베르셀리우스
    • 전기적 성질에 따른 원소 분류: 원소들을 서로 결합시켜 화합물을 이루게 하는 힘