맥락 속의 화학

인류 역사를 통틀어 인간은 물질을 더 유용한 것으로 바꾸기 위해 끊임없이 노력해 왔습니다. 석기 시대의 우리 조상들은 부싯돌 조각을 깎아 편리한 도구를 만들고 나무를 조각하여 조각상이나 장난감을 만들었습니다. 이러한 시도는 물질 그 자체를 바꾸지 않고 사물의 형태를 바꾸는 것이었습니다. 하지만 지식이 늘어남에 따라 사람들은 사물의 구성까지 바꾸기 시작했습니다. 점토는 도자기가 되었고, 가죽은 의류를 만들기 위해 가공되었으며, 구리 광석은 도구와 무기가 되었고, 곡물은 빵이 되었습니다. 인간은 불을 다루고 그것을 요리, 도자기 제작, 금속 제련에 사용하는 법을 익히면서 본격적인 화학의 길로 접어들었습니다. 그 후 사람들은 특정한 종류의 물질을 분리하여 사용하기 시작했습니다. 알로에, 미르, 아편과 같은 다양한 약물이 식물에서 추출되었습니다. 인디고나 티리언 퍼플 같은 염료는 식물과 동물에서 얻었습니다. 금속들을 결합하여 합금을 만들기도 했는데, 예를 들어 구리와 주석을 섞어 청동을 만들었으며, 더 정교한 제련 방식을 통해 철을 생산했습니다. 재에서는 알칼리를 얻었고, 그 알칼리를 지방과 섞어 비누를 만들었습니다. 알코올은 발효를 통해 만들어졌고 증류를 통해 깨끗하게 정제되었습니다. 물질이 어떻게 행동하는지 이해하려는 시도는 2500년보다 더 이전으로 거슬러 올라갑니다. 기원전 6세기 초에 그리스 철학자들은 물이 만물의 근원이라는 체계에 대해 논했습니다. 물질이 흙, 공기, 불, 물의 네 가지 원소로 구성되어 있다는 그리스의 가설을 들어보셨을 것입니다. 그 후 연금술사들에 의해 화학 기술과 철학적 사색이 결합되어 이집트, 중국, 동부 지중해로 퍼져나갔습니다. 그들은 납과 같은 '기저 금속'을 금과 같은 '귀금속'으로 변형시키고, 질병을 치료하고 생명을 연장하는 엘릭서를 만들기 위해 노력했습니다.

STEM: 과학, 기술, 공학 및 수학

중심 과학으로서의 화학에 대한 논의.

화학은 광범위한 다른 STEM 분야(과학, 기술, 공학, 수학)와 모두 연결되어 있기 때문에 때때로 '중심 과학'이라고 불립니다. 화학과 화학자들의 언어는 생물학, 의학, 재료 과학, 법의학, 환경 과학 및 기타 수많은 분야에서 필수적인 역할을 합니다.

물리학의 기본 원리는 화학의 많은 측면을 이해하는 데 필수적이며, 화학 물리학이나 핵 화학처럼 두 분야 사이의 많은 하위 학문 분야에는 엄청난 중첩이 존재합니다. 수학, 컴퓨터 과학, 정보 이론은 화학 세계를 계산하고 해석하며 설명하고 이해하는 데 도움을 주는 중요한 도구를 제공합니다.

생물학과 화학은 생화학에서 만나는데, 이는 우리와 같은 생명체를 살아있게 하는 많은 복잡한 요인과 과정을 이해하는 데 매우 중요합니다. 화학 공학, 재료 과학 및 나노 기술은 화학적 원리와 경험적 발견을 결합하여 가솔린에서 직물, 전자 제품에 이르는 유용한 물질을 생산합니다.

농업, 식품 과학, 수의학, 양조 및 포도주 제조는 세계 인구에게 음식과 음료라는 형태의 영양분을 제공하는 데 도움을 줍니다. 의학, 약학, 생명 공학 및 식물학은 우리가 건강을 유지하는 데 도움이 되는 물질을 식별하고 생산합니다. 환경 과학, 지질학, 해양학 및 대기 과학은 물리적 세계를 더 잘 이해하고 보호하기 위해 많은 화학적 아이디어를 사용합니다. 심지어 천문학과 우주론에서도 우주를 이해하기 위해 화학적 개념을 활용하고 있습니다.

일상생활에서 필수적인 물질의 변화에는 어떤 것들이 있을까요? 음식의 소화와 흡수, 의류·용기·조리기구·신용카드용 폴리머 제조, 원유를 가솔린 및 기타 제품으로 정제하는 것 등이 그 예입니다.

이 과정을 진행하면서 물질의 구성과 구조의 변화에 대한 다양한 사례들, 그러한 변화를 분류하는 방법과 변화가 일어나는 방식, 원인, 수반되는 에너지의 변화, 그리고 관련된 원리와 법칙들을 발견하게 될 것입니다.

이러한 것들을 배우면서 여러분은 물질의 구성, 성질 및 상호작용을 연구하는 학문인 화학을 배우게 될 것입니다. 화학의 실천은 단지 화학 책이나 실험실에 국한되지 않습니다. 누군가가 물질의 변화나 그 변화를 일으킬 수 있는 조건에 관여할 때마다 화학은 일어나고 있는 것입니다.

지금까지 읽은 모든 것은 전부 가짜입니다! 진짜 삶의 흐름을 알고 싶으신가요? 시작해 봅시다!

농부

이곳은 나의 농장입니다

수확기입니다

조세 기간입니다

다음 날, 신들이 나를 잊으셨음이 드러났습니다

아들은 해독제를 구하기 위해 도시로 달려갔습니다

나는 구원받았습니다

다음 날, 나는 수확한 막대한 양의 밀을 팔았습니다

다음 날 '아그로노미스트(농학자)'라는 기묘한 이름을 가진 남자가 농장에 도착했습니다

이상한 마차를 타고 온 아그로노미스트의 방문에 깜짝 놀랐습니다

그래서 우리는 아그로노미스트와 함께 떠날 아들의 짐을 꾸리기로 했습니다

농부의 아들이 아그로노미스트와 함께 도시에 도착했습니다

첫 번째 목적지는 그가 '알마 마터(모교)'라고 부른 곳이었는데, 진짜 이름은 미래형 대학이었습니다

그는 나를 균학 강좌(그게 무엇이든 간에)로 데려갔습니다

아버지께 해독제를 준 의사가 생각났습니다

그 후 그들의 친구들을 여러 번 방문했는데, 그들은 서로를 '동료'라고 불렀습니다

그렇게 우리는 하루 종일 방에서 방으로 옮겨 다녔습니다

결국 배가 너무 고파져서 나의 큐레이터(아그로노미스트 씨)에게 말했습니다

그다음으로 '무기 화학'이라는 학과를 방문했습니다

교수님은 이러한 과정에서 어떤 주제가 매우 중요하다고 설명하며 그것을 '에너지'라고 불렀습니다

여러 번의 방문이 이어졌고, 저는 방문이 무엇을 의미하는지 이해하기 시작했습니다. 멈출 때마다 불안감이 커졌지만 동시에 흥미도 커졌습니다

다음 날 우리는 집으로 돌아왔지만, 저는 삼촌의 대장간을 방문하고 싶다고 요청했습니다

그렇게 아침에 눈을 떴을 때 모든 것이 꿈이라고 생각했지만...

그 후 몇 년 동안 저는 인생 전체를 화학을 배우는 데 바쳤습니다. 감사합니다, 아그로노미스트 씨

이제부터 이 튜토리얼의 나머지 부분은 물질이 무엇으로 구성되어 있는지, 어떻게 행동하는지, 그리고 이 모든 것이 어떻게 상호작용하는지에 대한 학문인 화학을 배우는 것에 관한 것입니다. 화학의 실천이 단지 케케묵은 책이나 화려한 실험실에서만 이루어진다고 생각하지 마세요. 그것은 누군가가 물질의 변화나 그 변화를 일으키는 조건에 관여할 때마다 항상 일어나고 있는 일입니다.

과학적 방법

화학은 관찰과 실험에 기초한 과학입니다. 화학을 한다는 것은 과학계에서 받아들여지는 절차를 사용하여 화학의 법칙과 이론의 관점에서 질문에 답하고 관찰 내용을 설명하려고 시도하는 것을 포함합니다. 질문에 답하거나 관찰 내용을 설명하는 단일한 경로는 없지만, 모든 접근 방식에는 공통적인 측면이 있습니다. 즉, 각 접근 방식은 결과를 검증하기 위해 재현 가능한 실험에 기초한 지식을 사용한다는 것입니다. 일부 경로는 정보를 수집하고 확인하는 지침 역할을 하는 관찰에 대한 잠정적인 설명인 가설을 포함합니다. 우리는 실험, 계산 및/또는 타인의 실험과의 비교를 통해 가설을 테스트한 다음 필요에 따라 수정합니다.

일부 가설은 법칙으로 요약된 거동을 설명하려는 시도입니다. 과학 법칙은 방대한 수의 실험적 관찰을 요약하며 자연계의 어떤 측면을 기술하거나 예측합니다. 그러한 가설이 방대한 양의 실험 데이터를 설명할 수 있는 것으로 밝혀지면 이론의 지위에 도달할 수 있습니다. 과학 이론은 자연의 특정 측면에 대한 잘 입증되고 포괄적이며 테스트 가능한 설명입니다. 이론은 만족스러운 설명을 제공하기 때문에 수용되지만, 새로운 데이터를 사용할 수 있게 되면 수정될 수 있습니다. 질문과 관찰에서 법칙이나 가설로, 그리고 이론으로 이어지는 발견의 경로와 가설의 실험적 검증 및 이론의 필요한 수정이 결합된 것을 과학적 방법이라고 합니다.

과학적 방법은 이 도표에 제시된 것과 유사한 과정을 따릅니다. 모든 핵심 요소가 대략적인 순서에 맞게 나열되어 있습니다. 과학적 발전은 좀처럼 정돈되거나 매끄럽게 진행되지 않습니다. 그것은 개방적인 탐구와, 연구 결과에 따른 질문 및 아이디어의 끊임없는 재구성을 필요로 합니다.

화학의 세 가지 영역: 우리가 물질을 이해하는 방식

물질과 에너지의 복잡한 행동을 설명하기 위해 화학자들은 거시적(Macroscopic), 미시적(Microscopic), 그리고 상징적(Symbolic) 영역이라는 세 가지 관점을 사용합니다. 이 틀은 화학적 현상을 분석하는 각기 다른 시각을 제공합니다.

거시적 영역 (The Macroscopic Domain):

‘크다’는 의미의 그리스어에서 유래한 거시적 영역은 우리가 일상에서 겪는 경험의 세계를 의미합니다. 우리가 먹는 음식이나 피부에 느껴지는 산들바람처럼 인간의 오감으로 직접 지각할 수 있는 모든 것이 여기에 속합니다. 일상생활과 실험실 모두에서 밀도, 용해도, 가연성과 같은 물리적·화학적 성질을 관찰하고 측정하며, 물질의 가시적인 변화를 목격하는 곳이 바로 이 영역입니다.

미시적 영역 (The Microscopic Domain):

‘작다’는 뜻의 그리스어에서 유래한 미시적 영역은 종종 상상력이나 특수한 장비를 필요로 합니다. 박테리아나 흑연의 표면처럼 일반적인 현미경으로 볼 수 있는 것도 있지만, 화학의 핵심 주제들은 그보다 훨씬 더 작은 세계에 존재합니다.

가시적 미시 세계: 바이러스나 세포처럼 확대 장치가 있어야만 볼 수 있는 개체들입니다.

하위 미시 세계(Submicroscopic): 원자, 분자, 이온, 그리고 아원자 입자(양성자, 중성자, 전자)를 포함한 대부분의 화학적 개체는 일반적인 현미경으로도 볼 수 없을 만큼 작습니다.

이 영역은 눈에 보이는 변화를 일으키는 미세한 상호작용에 집중합니다. 예를 들어, 금속선 내부의 개별 원자 배열, 소금 이온의 결정 구조, 혹은 열을 발생시키거나 색을 변화시키는 화학 결합의 끊어짐과 형성이 여기에 해당합니다.

상징적 영역 (The Symbolic Domain):

상징적 영역은 거시적 및 미시적 영역의 구성 요소를 표현하기 위해 사용하는 특수한 언어입니다. 주기율표에 사용되는 화학 기호, 화학식, 화학 방정식은 물론 그래프와 도식도 이 영역에 포함됩니다. 또한, 화학적 계산 역시 상징적 영역의 일부로 간주할 수 있습니다.

이러한 상징들은 미시적 영역의 구성 요소를 통해 거시적 영역의 행동을 해석하는 데 도움을 주기 때문에 화학에서 매우 중요한 역할을 합니다. 화학을 배우는 학생들에게 가장 큰 도전 중 하나는 동일한 상징이 거시적 관점과 미시적 관점에서 서로 다른 것을 나타낼 수 있음을 이해하는 것입니다. 우리가 직접 관찰할 수 있는 세계의 행동을 설명하기 위해, 상상 속에서만 그려볼 수 있는 세계의 원리를 빌려온다는 점이야말로 화학이 가진 가장 매혹적인 특징 중 하나입니다.

이 세 가지 영역을 이해하는 가장 좋은 방법은 우리 곁에 늘 존재하는 필수적인 물질인 '물'을 살펴보는 것입니다.

거시적 영역: 물이 적당한 온도에서 액체이고, 온도가 낮아지면 고체로 얼며, 온도가 높아지면 기체로 끓는다는 관찰은 거시적인 경험입니다.

미시적 영역: 물의 일부 성질은 육안으로 관찰할 수 없는 미시적 영역에 속합니다. 물이 두 개의 수소 원자와 하나의 산소 원자로 구성되어 있다는 설명이나, 분자 사이의 인력을 통해 어는 것과 끓는 것을 설명하는 것이 여기에 해당합니다.

상징적 영역: 거시적 수준과 미시적 수준의 물을 모두 설명할 수 있는 화학식 H2O는 상징적 영역의 대표적인 예입니다. 기체를 나타내는 (g), 고체를 나타내는 (s), 액체를 나타내는 (l)과 같은 약어 역시 상징적 표현입니다.

화학식 H2O는 '물'을 상징하며, (g), (s), (l)은 물의 '상(Phase)'을 상징합니다.

기체 상태의 물

액체 상태의 물

얼음, 물의 고체 상태