『유쾌발랄 화학스토리』아메데오 아보가드로

『유쾌발랄 화학스토리』

아메데오 아보가드로

안녕하세요. 롯데정밀화학 유쾌발랄소화제의 화통이입니다.

분자의 개념을 처음으로 제시한 과학자가 누군지 알고 계신가요? 그 사람은 바로 아메데오 아보가드로 입니다.

화통이와 함께 아메데오 아보가드로에 대해서 알아보도록 합시다!

1776년 8월. 이탈리아 토리노에서 전 세계 화학사를 뒤바꿀 역사적 과학자가 탄생했습니다. 그 이름은 아메데오 아보가드로(Amedeo Avogadro). 아보가드로는 대학을 졸업한 후 전공을 그대로 살려 법률직에 종사하여 스무살이 훌쩍 넘은 20대 중반부터 수학과 물리학에 깊은 관심을 갖기 시작했습니다. 다른 과학자들이 어린 시절부터 과학에 흥미를 보인 것과 달리, 아보가드로는 십대 시절이 지나서야 비로소 과학에 뜻을 두게 된 것이죠, 1800년 경부터 독학으로 수학과 물리학을 학문을 섭렵하고 1803년 형제 공동으로 전기학에 관한 최초의 과학 논문을 발표하여 법률가에서 과학자로 발돋움 하게 되었습니다. 아보가드로가 특히 관심을 보인 분야는 물리학과 화학이었는데 수 많은 논문 중 ‘단위입자의 상대적 질량 및 이들의 결합비를 결정하는 하나의 방법’에 대한 논문은 그의 역사상 가장 중요한 연구로 손꼽을 수 있습니다. 그 이유는 이 논문에서 ‘아보가드로의 법칙’의 근거가 제시됐기 때문입니다.아보가드로는 논문을 통해 기체 밀도의 비에서 기체물질의 분자량을 결정하는 방법과 그 근거가 되는 가설을 제안했는데 이 가설이 이후 전 세계 화학사를 뒤바꿀 역사적 제안이 됩니다.

 

그렇게 과학자로 우뚝 서고 난 뒤 아보가드로는 우여곡절 끝에 토리노 대학의 물리학 교수가 되었고. 토리노 대학에 있는 동안 기상 관측, 도량형 제정, 통계 처리 등에도 많은 관심을 기울였으며, 1848년에는 공교육최고회의의 의원으로 활동하기도 했습니다. 그의 과학 연구에 대한 여러 업적들은 1837～1841년에 4권으로 발간된 『무게가 있는 물체의 물리학(Fisica dei corpi ponderabili)』으로 정리되어 1850년에 토리노 대학을 은퇴했습니다. 은퇴 후 여정을 보내던 아보가드로는 1856년에 자신의 분자설이 수용되는 것을 보지 못한 채 세상을 떠나고 말았습니다.

분자랑 무엇인가?

1811년 6월에 아보가드로는「물체의 기본입자들의 상대적 질량 및 이들의 결합비를 결정하는 하나의 방법에 관한 소고」라는 논문을 『물리학, 화학, 자연사 저널』에 발표했는데, 이 논문에서 그는 기체 물질의 성질을 나타내는 기본 단위로 분자를 제안했습니다. 여기서 분자의 개념은 아보가드로가 처음으로 제시했다고 볼 수 있습니다. 돌턴의 원자설과 게이뤼삭의 기체 반응의 법칙 사이의 모순을 제거하기 위해 아보가드로가 처음으로 제안한 개념이기 때문입니다. 

아보가드로는 돌턴의 원자설과 게이뤼삭의 기체반응의 법칙을 절충하는 과정에서 기체의 성질을 나타내려면 원자 두 개를 붙여 하나의 구성입자(분자)를 만들면 되겠다고 생각했는데, 이를 바탕으로 아보가드로는 ‘기체는 2개 또는 그 이상의 기본입자(원자)로 구성되어 있고, 같은 온도와 같은 압력에서 같은 부피 속에 존재하는 통합입자(분자)의 수는 기체의 종류에 상관없이 동일하다’는 가설을 제안했습니다.당시에 아보가드로는 원자를 기본입자 혹은 단순입자라고 불렀고, 분자를 통합입자 혹은 구성입자라고 불렀는데, 아보가드로가 가정한 동일 부피, 동일 입자 수는 영문 앞 글자를 따 ‘이븐(EVEN)’으로 약칭되기도 했습니다.

아보가드로의 가설을 이해하기 위해 짚고 넘어가야 할 또 하나의 개념은 기체의 부피는 기체 분자나 원자가 실제로 차지하는 부피가 아닌 그것이 활동하는 영역이라는 점입니다. 실제로 전체 부피 중 기체 분자나 원자가 차지하는 부분은 매우 작습니다. 온도는 기체 분자 및 원자가 갖는 에너지의 크기이며, 같은 온도에서 같은 압력이 작용하려면 같은 부피 속에는 같은 수의 알갱이가 들어있어야 하는데 이러한 논리를 따라가다 보면 ‘같은 온도 와 압력, 부피 속에는 같은 수의 알갱이가 들어있다’는 결론이 내려지게 됩니다.

물질의 최소 단위 분자

물질의 성질을 가지고 있는 최소의 단위로 여러 개의 원자가 연결돼, 1개의 독립된 물질을 이룬 것을 바로 분자라고 합니다. 성질에 따라 딱딱한 고체, 물과 같은 액체, 공기와 같은 기체 상태로 존재할 수 있는데, 재미난 점은 분자 간의 거리가 변화하면서 상태가 변한다는 점이죠. 즉 분자가 촘촘하게 붙어 있으면 고체가 되고 조금 느슨해 지면 액체 상태, 그리고 더 느슨해지면 기체 상태로 바뀌는 것입니다. 분자는 앞서 말한 대로 온도와 압력에 따라 고체, 액체, 기체 상태로 존재할 수 있는데 이는 곧 온도와 압력에 따라 분자 간의 거리가 변화한다는 뜻을 포함합니다. 축구공이 찬 곳에 있으면 공기가 빠진 듯하지만, 온도가 높아지면 다시 빵빵해지는 이것이 바로 분자 간 거리와 온도 및 압력의 관계를 잘 보여 주는 것이랍니다. 예전에는 과학자들이 물질을 가장 작게 쪼갠 것이 분자라고 생각했습니다. 하지만 분자는 쪼개져 다시 원자로 될 수 있고, 원자의 구성 변화에 따라 수많은 물질을 만들어 낼 수 있으므로 분자의 종류는 계속 증가하게 됩니다. 그러니까 결국 분자는 두 개 이상의 원자가 어떤 힘에 의해 일정한 형태로 결합한 것 입니다. 물 분자의 경우, 산소 원자 1개와 수소 원자 2개로 구성되는데, 그래서 분자식으로는 'H2O'라고 쓴답니다. 즉, 수소 두 덩어리에 산소 한 덩어리를 나타낸 것이죠. 또 분자는 쪼개져 다시 원자로 되며, 그 원자들이 서로 다르게 결합하면 다른 물질도 만들 수 있습니다.

* 분자의 구성

분자는 구성하는 원자 수에 따라 단원자 분자(He, Ne, Ar), 2원자 분자(H2, O2, HCl), 3원자 분자(H2O, CO2), 다원자 분자(H2SO4, H2CO3), 고분자(녹말, 단백질, DNA)로 분류합니다. 원자 1개로 이뤄지면 단원자 분자, 2개면 2원자 분자가 되는 셈이죠. 이때 단원자 분자의 경우 분자를 구성하지 않고 원자 그대로 존재하여 원칙적으로 분자로 보기 어렵지만, 안정된 기체로 다른 화합물과 잘 반응하지 않고 기체 특유의 성질을 가지므로 일반적으로 분자로 분류하여 사용한답니다.

아보가드로가 후대로부터 지금의 추대를 받기까지

아보가드로가 살아있던 19세기는 많은 과학자에 의해 물리학과 화학이 계속 발전을 이루던 시기였습니다. 이 시기의 중요한 과학자로는 앞서 언급한 돌턴과 아보가드로가 언급되는데, 그도 그럴 것이 원자와 분자의 개념은 현대 과학에서 결코 없어서는 안 될 가장 기초적인 개념으로 작용하기 때문이죠. 아보가드로가 후대로부터 지금의 추대를 받기까지는 많은 사람들의 노력이 있었는데 그 중에서도 제자 칸니자로의 노력을 빼놓을 수는 없습니다. 1811년에 처음으로 제안된 이 가설이 1860년대에 가서야 인정받을 수 있던 것은 결국 칸니자로 덕분이기 때문입니다.

아보가드로의 주장이 곧바로 수용되지 않은 것은 당시로서는 분자가 매우 생소한 개념이었기 때문이었습니다. 사실상 수소 기체나 산소 기체가 원자 두 개씩 모여진 분자라는 직접적인 증거도 없었고 원자가 두 개씩 붙어서 기체 분자를 이룬다면, 왜 원자가 세 개, 네 개, 더 나아가서 무한정으로 붙지 않는가에 대한 반론도 가능했기 때문입니다. 당시에 가장 지배적인 입자이론은 전기화학을 기반으로 삼고 있었는데 수소 원자는 양전하를 띠고 산소 원자는 음전하를 띠기 때문에 서로 잡아당겨 물 분자를 형성한다는 것이었습니다. 이에 따르면, 두 개의 수소 원자가 옆에 놓이게 되면 서로 전하가 같기 때문에 밀어내지, 절대로 붙을 수는 없게 되는 것이죠.

과학적으로 아직 진보가 이뤄지지 못할 때, 몇몇 과학자들의 위대한 발견은 빛처럼 소중한 결과로 받아들여지곤 하는데 특히 아보가드로의 법칙은 현대 화학사를 바꿀 정도로 큰 의미를 갖춘 것이기에 후대에도 거듭해서 그 성과가 강조되고 있습니다. 실제로 아보가드로의 법칙은 금속에도 적용돼 17종류의 금속의 원자량을 계산할 수 있었으며 1814년에는 이산화탄소, 이황화탄소, 이산화 황, 황화수소의 분자식을 제시하기도 했습니다. 아보가드로의 제안은 화학사에 역사적인 순간이 아니었을까요?