Ⅱ. 현대 화학의 발전

18세기에 발달한 기체 화학으로부터 정량적인 실험이 탄생하면서 근대 화학은 자리

를 잡았다. 그리고 정량적인 실험의 결과들로부터 여러 가지 화학의 근본 법칙들이

형성되면서 화학이 급격하게 발전하였다. 그러나 이러한 화학의 발달은 20세기에 이

르러 물리학과 접목되면서 새로운 국면을 맞이하게 된다. 즉, 현대 화학이 탄생하게

된 것이다. 또한, 현대의 화학은 생물학과 만나면서 생명 현상을 화학적으로 해석하는

데 성공하게 되었다. 이로부터 화학의 연구 분야들은 보다 폭넓게 발달하게 되고, 오

늘날에는 화학뿐만 아니라 물리학, 생물학, 수학과 같은 다른 학문 분야에 대한 이해

가 중요하게 되었다.

1. 현대 화학이 예측 가능한 과학으로 부상하다.19세기 화학계에서는 새로운 원소들이 잇달아 발견되고 있었다. 원소들의 반복적 규

칙이 존재한다는 것을 알게 해 준 멘델레예프의 주기율표는 수많은 낱낱의 발견들을

통일된 규칙을 통해 묶어 내는데 성공했고, 화학을 예측 가능한 세계를 다루는 과학

으로 끌어올리는 데 일등 공신이 된다.

주기율표라는 원소들의 거대한 규칙성을 알아내고 주기율표를 만든 공이 멘델레예

프에게 있다는 점에 대해 이견이 없지만, 그의 주기율표에는 몇 가지 결정이 있었다.

가장 대표적으로 아르곤(Ar), 칼륨(K), 코발트(Co), 니켈(Ni), 텔루륨(Te), 아이오딘(I)

등이 원자량의 순서에 따라 예견된 것과는 다른 성질을 보여준다는 것이다.

가. 모즐리, 현재 주기율표의 모토를 만들다.

모즐리는 영국의 물리학자로 1900년대 초반 과학의

발전으로 원자 구조가 밝혀졌고, 원자의 주기적 성질

에 대하여 생각하게 되는 계기가 되었다. 1914년 러더

퍼드의 제자인 모즐리는 음극선관의 금속에 전자를 충

돌시켰을 때 생성되는 X선의 파장을 조사하여 분석하

는 실험을 하였는데, 금속 원자의 양성자 수(원자번호)

가 증가함에 따라 짧아지는 것을 발견하였다. 이 실험

에서 파장의 제곱근이 원자번호에 비례한다는 파장과

원자번호 사이의 간단한 관계가 성립한다는 것을 발견하였다. 이것에 의해 특정 X선

의 파장을 측정하면 바로 그 물질의 원자번호가 결정된다는 사실을 알게 되었다. 그

는 이 실험을 통해 원소들의 원자번호를 결정하고, 원소의 주기적 성질이 원자량보다

▘제프리스 모즐리(Henry Gwyn Jeffreys Moseley, 1887~1915년)

원자번호와 더 관계있다는 사실을 발견하였다. 원자 번호에 따라 원소들을 배열해 보니

주기적 특성이 더 정확하게 나타난 것이다. 이러한 주기적 성질의 발견으로 멘델레예프

의 주기율표에서 나타났던 모순들이 해결된다는 것을 알았다. 오늘날의 주기율표는 모

즐리의 주기율표를 기초로 현재 우리가 사용하는 주기율표의 체계가 되었다.

모즐리는 제1차 세계대전이 일어나자 자진 영국 공병대에 지원하여 전쟁에 참가하였

고 갈리폴리 전투에서 모즐리는 27세의 젊은 나이로 전사하였다. 1차 세계대전으로

영국이 잃은 가장 큰 재산으로 과학에서 모즐리의 죽음이었다. 그 후 각 나라에서는

젊은 과학자를 군대에 보내지 않기 위해 법을 만드는 계기가 되었다. 모즐리의 주기

율표는 현대 과학발전에 크게 기여하였다.

[그림7. 모즐리의 주기율표]

나. 주기율표 완성의 숨은 공로자들

멘델레예프와 마이어에 의해 주기율이 발표된 후 1890년대에 이르러 불활성 기체

들이 발견되고, 희토류 원소들도 대부분 발견되었다. 특히 원자번호 57번에서 71번

까지의 희토류(란탄족) 원소들은 흔히 알려진 것들은 아니지만 과학자들의 호기심

과 실용성에 대한 두 가지 목적을 충족시키면서 주목받기 시작했다. 그러나 이 희

토류를 어디에 배치해야 하는가라는 것이 화학자들의 골칫거리가 되기 시작했다.

1882년 베일리는 희토류를 다른 원소와 독립적인 위치에 두는 체계를 고안하여 제

안하였고, 1892년 바세트도 이와 비슷한 방식을 제안했다. 1902년 브라우너는 단주

기형 주기율표 속에 작은 표 하나를 삽입하여 희토류 원소를 배치했다. 그러던 중

1905년 베르너는 오늘날과 유사한 체계를 발표했지만 사용에 불편함이 많았다. 주기

율표를 입체로 만든 사람들도 생겼는데, 1911년 부루크는 입방체 형의 주기율표를

통해 희토류를 배열하려 시도하고, 1916년 하킨즈와 윌슨은 수소와 헬륨을 기초로

나선으로 배열하는 체계를 발표하였지만 여전히 불편했다. 입체형 모델은 1920년 하

킨즈와 윌슨은 수소와 헬륨을 기초로 나선으로 배열하는 체계를 발표하였지만 여전

히 불편했다. 입체형 모델은 1920년 소디의 원통상 모델도 있었다. 같은 해에 노더

역시 원통형 체제를 제안했고, 로링은 계단형 체계를 통해 주기율을 보여주고자 했

다. 그러나 희토류의 주기율은 계속해서 명확히 나타낼 수 없었다. 1922년 보어도

주기율표를 발표하였지만 희토류 원소를 위해 13곳의 빈칸을 남긴 모델이었다. 1925

년 코틴즈는 원소들을 주족과 아족으로 구분하고 희토류 원소가 작은 정방형 아코

디언처럼 접혀 란탄에 대응되는 곳에 배치되는 주기율표를 발표하였다. 1926년에 안

트로포프는 불활성 기체 원고를 주기율표의 좌우에 두고 수소를 중심으로 놓으며, 희

토류 원소는 따로 놓는 방식의 주기율표를 완성하였다. 이후 1929년 자젯도 희토류를

포함하는 주기율표를 발표하였으며, 1944년 에머슨은 수소를 중앙에 두는 소용돌이

모양의 주기율표를 고안해 발표하였다. 그는 여기서 베릴륨과 마그네슘을 특히 중요

하게 생각했다. 1949년 셀레는 안트로포프의 체계를 수정하여 새로운 주기율표를 발

표하였다.

[그림8. 주기율표의 변천과정]원소의 주기율을 나타내기 위한 과학자들의 노력은 오랜 세월 계속되어 오늘에 이르

렀다. 현재의 주기율표는 많은 과학자들이 끊임없이 노력하여 이루어진 공동 노력의

산물이다. 이렇게 원소의 분류 체계화를 통하여 완성된 주기율표는 현대 화학, 특히

무기 화학의 발전에 큰 기여를 하였다.

<생각해보기>

※ 다음은 주기율표의 미래에 대해 쓴 글의 일부이다.

1869년 멘델레예프가 처음 만들기 시작한 주기율표는 지금도 ‘공사 중’이다. 새

로운 인공원소의 합성을 국가적 과제로 삼은 미국, 러시아, 독일에 일본까지 가

세하고 있다. 앞으로 채울 8주기에는 무려 50개 원소가 들어갈 것이다. 이미 원

자번호 119, 120, 122, 124, 126, 127번에 해당하는 인공원소를 합성하려고 노력

하고 있다.

인공원소의 합성은 실용적인 목적이 없다. 오히려 우주에 존재할 가능성이 있

는 ‘물질’의 한계를 파악하기 위한 순수한 기초과학적 노력이다. 밤하능ㄹ에 무심

하게 빛나는 별(항성)과 우주의 신비를 더욱 강화하는 초신성에서 일어나는 핵

합성을 이해하기 위한 연구이기도 하다.

- 중략 -

주기율표에 포함된 118종 원소의 배열순서를 애써 기억할 이유는 없다. 구체적

인 원소 이름을 외우는 것보다는 주기율표를 통해서 드러나는 자연의 오묘한 규

칙성의 심오한 철학적 의미를 이해하는 것이 훨씬 더 중요하다. (출처 : 이덕환

(2019). [D .멘델레예프의 주기율표 발표 150주년]원소주기율표 150년:자연에 깊이 숨겨

진 원소의 주기성.지식의 지평(26),126-135

다음 두 친구의 주장은 주기율표의 미래에 대한 생각이다. 이에 대한 자신

의 생각은 어떤지, 모둠원과 토의해보자.

주기율표는 지금까지 바뀌어왔으니 앞으로도 바뀔 수도 있어

지금의 주기율표는 완성도가 높기 때문에 더 이상 바뀌지 않을 거야.

2. 입자론을 통해 물질의 성질을 바라보기 시작하다.

가. 입자의 발견

톰슨에 의해 전자가, 러더퍼드에 의해 원자핵이 발견되면서 멘델레예프가 발견한

원자량의 규칙성에 대한 비밀이 벗겨지게 되었다. 그 후 짧은 기간 동안 30여 개의

새로운 원소들이 발견되었는데, 이들 중에는 화학적 성질은 거의 동일하고 원자량만

다른 원소들도 있었다. 이 많은 원소들을 주기율표에 첨가하는 것에 대해 과학자들

이 고민하고 있을 때, 1913년 프레더릭 소디에 의해 동위 원소의 개념이 도입되었

다. 즉, 화학적 성질이 같고 원자량만 다른 원소들을 동위 원소로 묶은 것이다.

1919년 영국의 과학자 애스턴(Francis William Aston)이 질량 분석기를 이용하여

원소의 질량 스펙트럼을 연구한 결과, 대다수의 원소들은 동위 원소가 존재함이 밝

혀졌다. 그리고 1932년에 채드윅에 중성자가 발견됨으로써 동위 원소의 원자량이

차이가 나는 이유를 알 수 있게 되었다. 이로써 많은 원소의 원자량이 정수가 아닌

소수인 이유도 밝혀지게 되었다.

1934년 미국의 화학자 유리(Harold Clayton Urey)에 의해 중성자 한 개와 양성자

한 개가 결합한 원소가 발견되었고, 뒤이어 중성자 두 개와 양성자 한 개가 결합한

원소가 발견되었다. 유리는 이를 중수소와 삼중수소라고 명명하였다. 이에 따라 돌

턴이나 아보가드로 시대의 원소 개념은 폐기되었다. 즉, 원소는 양성자의 수가 같은

입자나 입자들로 이루어진 물질이다. 이러한 정의에 따르면 수소 원자, 중수소 원

자, 삼중수소 원자, 수소 이온, 그리고 수소 분자는 모두 다른 입자이지만 같은 원

소로 이루어졌다.

1989년에 퀴리 부부에 의해 폴로늄 원소가 자연적으로 방사선을 내고 납으로 바

뀌는 현상을 발견하고, 1903년에 러더퍼드와 소디에 의해 인공적으로 질소를 산소

로 바꾸는 일이 성공함으로써 오랫동안 연금술사들이 꿈꾸어 오던 원소의 변환이

이루어지게 되었다.

나. 양자적인 물질관의 등장

플랑크의 양자 가설과 아인슈타인의 광자 가설 등으로 성립된 양자의 개념은 원

자의 구조에 대한 이해에 도입되면서, 원자에 대한 새로운 이해가 가능해졌다. 물질

의 입자성과 파동성에 대한 개념과 함께 과학자들이 받아들여야만 하였던 또 다른

개념은 확률적인 물질관이었다. 19세기까지 과학자들은 입자 개개의 성지로가 변화

를 알 수 있다고 믿었다.

확률의 개념은 고전 역학을 포기한 과학자들이 받아들인 물질 이해의 새로운 방

법이었다. 미시 세계의 입자들은 그 수가 상상을 초월할 만큼 많기 때문에 개개 입

자를 관찰하는 것은 불가능하다. 그 대신 과학자들은 전체 집단의 움직임을 통계적

인 방법인 확률로 표현하게 되었다.

이러한 확률적인 물질관의 예로 방사능 붕괴 현상을 들 수 있다. 1g의 라듐은

1600년이 지나면 반으로 붕괴한다. 이로부터 30분 후에 대략 몇 개의 라듐 원자가

붕괴할 지 예측할 수 있다. 그러나 구체적으로 어느 원자가 붕괴할지는 알 수 없다.

한 원자의 붕괴 운명은 시간에 의존하지 않는다. 어떤 원자는 매우 오랫동안 붕괴

하지 않을 것이고, 어떤 원자는 다른 원자보다 상대적으로 빨리 붕괴하게 된다. 그

러나 그 원인은 알 수 없다. 오직 통계적 법칙에 의해 원자들이 모여 있는 집단 안

에서 일어나는 규칙만을 이해할 수 있을 뿐이다.

원소 스펙트럼 속에서도 이러한 확률의 개념을 찾아볼 수 있다. 스펙트럼의 선을

자세히 관찰하면, 어떤 선은 매우 뚜렷한데 반해 어떤 선은 희미하다.

[그림9. 수소(위)와 철(아래)의 방출스펙트럼]뚜렷한 선은 이 특정한 파장에 속하는 에너지가 비교적 많이 방출된다는 것을 의

미하고, 희미한 선은 이 파장의 에너지가 적게 방출되었다는 것을 의미한다. 이는

통계적인 정보를 의미하는 것이다. 따라서 개별적으로 전자가 어떠한 에너지 준위

로 이동하는지는 알 수 없다.

그럼에도 불구하고 원소의 선 스펙트럼이 항상 일정하게 나타나는 이유는 이러한

현상은 개별 전자와 관련된 것이 아니라 큰 수의 전자 집단과 관련 있기 때문이다.

마치 주사위를 던질 때 한두 번 던 질 때 나오는 숫자는 확률적인 값과 크게 다를

수 있으나, 던지는 횟수가 기하급수적으로 증가하면 확률과 유사한 값을 가지게 되

는 것과 같다.

다. 분자 정의에 대한 변화

아보가드로가 분자의 개념을 최초로 정의한 후 과학이 발달하면서 이 정의도 변

화하게 되었다. 처음에 아보가드로는 기체의 반응에서 나타나는 규칙성을 해결하기

위해 기체에 분자의 개념을 도입하였으나, 유기화학이 발달하면서 이 정의는 모든

물질에 확산되어 적용되었다. 즉, 기체뿐만 아니라 다른 모든 물질도 역시 분자로

이루어져 있다는 생각이 형성된 것이다. 그러나 20세기 초반, 물질의 결합에 대한

이론이 도출되면서 물질의 결합을 공유 결합, 이온 결합, 금속 결합 등으로 구분하

게 되었다.

이후 분자의 정의는 공유 결합을 한 물질에만 국한하여 적용하게 되었다. 왜냐하

면, 이온 결합이나 금속 결합은 일정한 수가 결합하는 것이 아니어서 기본 단위에

대한 개념을 가질 수 없었기 때문이다. 이 때문에 소금과 같은 이온 결합 물질에는

분자식을 쓰지 않고 실험식으로 간단히 조성비(NaCl)만을 표현하며, 철과 같은 금

속 결합 물질은 원소 기호(Fe)로 표현한다. 다이아몬드와 같은 물질은 비록 공유

결합을 하지만, 몇 개의 원자가 결합하는지 알 수 없기 때문에 C로 표현하며, 이

역시 분자에 속하지 아니한다.

<탐구활동>

미국의 유명한 물리학자 리처드 파이만은 “세상의 모든 과학 지식이 파괴돼 짧

은 한 문장만 다음 세대로 전할 수 있다면 ‘모든 물질은 원자로 이뤄졌다.’는 사

실을 택하겠다.”라는 말로 원자에 대한 지식의 중요성을 함축적으로 표현하였다.

원자에 대한 이해는 원자 모형의 발전과 함께 깊어졌고, 현대화학의 발전에 이

바지하였다. 원자 모형의 발전과정에서 가장 중요한 전환점을 마련한 과학자가

누구일까? 그리고 현대화학의 발전에 어떠한 영향을 미치게 되었는가?

※ 다음 활동에 따라 돌턴, 톰슨, 러더퍼드, 보어 중 원자 모형 발전에 가장

중요한 업적을 남긴 과학자가 누구인지 이야기를 나누어 보자.

1. 같은 과학자를 지지하는 친구들 4명이 한 모둠을 만들어 아래와 같은 내

용을 나누어 조사한다.

▸ 과학적 업적과 그 업적이 과학 전반에 미친 영향과 의미는 무엇일까?

▸ 연구 과정에서 과학자가 보였던 특별한 독창성과 노력은 무엇일까?

▸ 과학자로서의 삶 또는 개인적인 삶에서 존경 받을 만한 부분은 무엇이 있을까?

▸ 다른 사람들이 남긴 업적에 비해 내가 지지하는 과학자의 업적이 중요한 이유

는 무엇일까?

▸ 원소의 발견, 원소에 대한 이해로 현대화학은 어떤 발전을 이룰 수 있었을까?

▸ 과학자들의 노력과 업적은 현대화학의 발전에 어떤 영향을 미쳤을까?

2. 다음과 같이 모둠원의 역할을 나누어 자신이 선택한 과학자를 대변하기

위한 논리적인 주장을 펼쳐보자.

▸ 입론자 : 선택한 과학자가 중요한 이유를 전반적으로 설명한다.

▸ 반론자 : 다른 모둠의 과학자와 관련된 발표를 듣고 적절한 질문을 던져 자신

이 선택한 과학자의 업적에 비해 부족한 부분이 무엇인지 밝힌다.

▸ 답변자 : 다른 모둠의 반론자가 던지는 질문에 대해 답변한다.

▸ 최종 발표자 : 그동안 이루어진 이야기를 종합하여 자신이 선택한 과학자의 중

요성에 대해 최종 발표한다.

3. 발표순서

▸ 모둠별 발표자 발표 ⇨ 모둠 간 질문 ⇨ 답변 ⇨ 추가질문 ⇨ 답변 ⇨ 모둠별

최종 발표

3. 새로운 화학이 등장하다.

가. 생물학과 화학의 결합

물질과 그 변화에 대한 관점이 변화하면서 과거에는 이해하지 못했던 많은 영역

을 화학을 통해 설명할 수 있게 되었다. 그 중 하나의 현상이 생명에 대한 새로운

접근과 이해이다. 과거에는 생명 현상이 무생물인 물질을 다루는 화학의 입장과 매

우 다른 시각에서 이해되었다. 그러나 오늘날에는 태초에 지구의 탄생 이후, 무생물

인 물질로부터 생명이 탄생하였다고 과학자들은 보편적으로 생각한다.

이러한 기조에 따라 현대에 들어 생물학자만이 아니라 물리학자와 화학자들도 생

명 현상에 대해 탐구하게 되었다. 물리학과 화학적 지식은 생명 현상의 이해에 필

수적 요소가 된 것이다. 생명에 대한 본질을 찾기 위한 탐구는 양자역학의 획기적

발전을 이끌어 낸 슈뢰딩거도 가졌던 것으로 알려져 있다.

19세기까지 과학자들은 바위와 같은 무생명체로부터 나오는 물질인 무기물과 생

명체로부터 나오는 물질인 유기물을 구분해왔다. 과학자들은 유기물이 무기물로 변

환될 수는 있어도 무기물이 유기물로는 변환될 수 없다고 믿어왔다.

예를 들어, 유기물인 나무는 타서 무기물인 이산화탄소나 수증기가 될 수 있으나,

무기물인 이산화탄소나 수증기가 변하여 단백질이나 탄수화물과 같은 물질을 형성

할 수 없다고 여겼다. 이러한 관습이 오늘날까지 남아서 유기 화학과 무기 화학과

같은 용어가 사용되지만, 현대 화학자들은 과거와 같은 의미로 유기물과 무기물을

구분하고 있지는 아니하다.

1828년에 독일의 화학자 뵐러는 무기물인 시안산암모늄으로부터 유기물인 요소를

합성하였고, 프랑스의 화학자 베르틀로(Piere Berthelot)는 글리세린과 지방산 합성

에 성공하여 유기물은 반드시 생명체만이 만들 수 있다는 생각을 일소하는데 획기

적 계기를 마련하였다. 이후 케쿨레는 유기 화학이란 '탄소 화합물'을 취급하는 분

야를 지칭하는 용어로 확정하자고 정식 제안하였고, 이에 따라 생명체의 생성물을

취급하는 화학은 '생화학'이라는 말로 대신하게 되었다.

(1) 생명 현상에 대한 화학적 이해

(가) 자기 복제 물질의 합성

자기 복제(Autoreproduction)는 유전정보를 전달한다는 의미에서 생명체에게는 매

우 중요한 성질이다. 유전정보를 전달하는 과정에서 세포가 분열할 때 DNA의 이

중 나선이 풀리고, 각 나선의 뉴클레오타이드의 염기에 상보적인 다른 뉴클레오타

이드의 염기가 수소 결합을 하게 되면서 이루어진다.

[그림10. 자기복제물질의 합성 과정]이러한 상보적인 주형은 생명체보다 덜 복잡한 화학 물질에서도 관찰되었다. 1989

년 미국의 화학자 레벡(Rebek)은 스스로 복제가 가능한 분자의 존재를 발표하였다.

이 분자는 수소 결합을 통해 결합하는 두 조각의 A와 B로 이루어져 있다. 이 분자

에는 상보적인 두 끝이 있어서 각각 새 조각과 결합할 수 있다. A 끝은 B 조각과

결합하고, B 끝은 A 조각과 결합한다. 이렇게 하여 원 복제자의 주형에서 새 복제

자가 조립된다.

다른 종류의 복제자 종을 합성한 후에 두 종류의 복제자가 교배하여 새로운 잡종

을 만든다는 사실도 밝혀졌다. 경우에 따라서 생성되는 잡종은 성질이 매우 다르기

도 하였다. 마치 말과 나귀의 잡종인 노새가 생식기능이 없는 것처럼 잡종 중 하나

는 그 형태 때문에 복제 능력을 상실하는 경우도 있다. 그러나 어떤 잡종은 순종보

다도 더 복제 능력이 뛰어났다. 이는 생물학적 진화를 화학적으로 설명하는 성공적

인 시도로 여겨지고 있다.

(나) 분자 복제의 응용

레벡(Rebek)은 복제자에 자외선을 쪼여 돌연변이를 유발하고, 이 돌연변이가 복제

에서 더 우월하다면 적자생존의 원리에 의해 돌연변이가 생존할 수 있음을 증명하

였다.

분자 복제는 약으로 사용할 수 있는 생물학적 분자의 새로운 변종을 만드는 데 이

용된다. 과학자들은 DNA나 RNA 등으로 이루어진 분자에 수억, 수조 개의 변종을

만들고 약을 만드는 데 필요한 일에 이 분자들을 경쟁시킨다. 이러한 화학적 진화를

통해 약의 효과를 미세하게 조정할 수 있게 된다. 이러한 생물 공학적 방법으로 생

물분자의 복사본을 만들고 약으로 가장 잘 적용되는 돌연변이만을 분리하여 새로운

돌연변이체를 만드는 출발물질로 이용한다. 이러한 방법을 반복하여 이용하면 약효

를 증가시킬 수 있다.

과학자들은 지구에 원시 생명이 탄생하기 전에 원시적인 자기 복제 분자가 먼저

형성되었을 것이라고 본다. 생명은 이러한 분자들 사이의 적자생존을 통해 미세하

게 조절되는 과정에서 탄생하였을 것이다.

(다) 세포막과 유사한 미셀의 합성

분자의 한쪽은 기름과 같은 물질과 인력을 느끼고 다른 한 쪽은 물과 인력을 느

끼는 분자를 계면활성제라고 하는데, 비누가 대표적인 계면활성제이다. 계면활성제

는 이러한 특성 때문에 섞이지 않는 두 물질을 섞이게 할 수 있다. 계면활성제에서

기름과 인력을 느끼는 부분을 소수기라고 부르고, 물과 인력을 느끼는 부분을 친수

기라고 부른다.

계면활성제들이 물속에 많으면 소수기는 물을 피 하

기 위해 내부로 모이고 친수기를 물 쪽 방향으로 배 치

하여 미셀을 형성한다. 계면활성제의 양이 많아 지 면

원통형 미셀도 형성된다.

그러나 유성 용매 안에서는 오히려 미셀의 친수 기 가

안으로 들어가고 소수기가 밖으로 배치되는 형태 가 된

다. 이를 뒤집힌 미셀이라고 부른다.

미셀을 이용하면 DNA와는 다른 형태의 자기 복 제

(Autoreproduction) 화학 시스템을 구성할 수 있다는 사실이 발견되었다. 즉, 미셀

이 주형이 되어 자기 복제를 하는 것이다.

미셀과 세포막은 서로 유사한 점이 있기 때문에 지구에 최초로 태어난 원시 생명

체는 자기 복제를 하는 미셀이었다고 주장하는 학자들도 있다.

생명 현상을 유지하기 위하여 필요한 구성요소 중 하나가 세포막이다. 왜냐하면

막에 의해 유전 정보가 보호될 수 있어야 유전 정보가 후대에게 안전하게 전달될

수 있기 때문이다. 그런 점에서 물질의 합성과 반응 과정은 생명의 이해에 대한 새

로운 접근법이라고 할 수 있다.

‘양쪽성(Amphoterism) 이중층 미셀’로 구성된 막소포의 놀라운 특성 중 하나는 융

합되거나 나뉠 수 있다는 것이다. 막소포 두 개가 서로 닿으면 닿은 곳에서 막이

합쳐져 더 큰 막소포 하나를 형성한다. 거꾸로 막소포에서 원생동물의 자기분열 과

정과 유사한 과정도 이루어진다. 이 과정은 세포 생물학에서는 매우 중요한데, 그

이유는 세포 바깥의 물질을 세포 안으로 받아들이거나 세포 내부의 물질을 바깥으

로 내보낼 수 있기 때문이다.

과학자들은 약이나 다른 물질을 담은 인공 인지질 막소포가 세포 내로 약을 넣을 수

있다는 사실을 이용하게 되었다. 이러한 인지질 막소포를 리포솜이라고 한다. 약을 전

[그림11. 미셸]

달하는 데 쓰이는 리포솜은 몸 바깥에서 형성되며, 약이 리포솜 속으로 들어가도록

전달할 약이 들어 있는 용약에서 리포솜을 합성한다. 이러한 약이 들어 있는 리포솜

을 몸에 주사하면 리포솜이 목표 세포를 찾아 약을 전달할 때까지 약은 몸에서 아무

런 생리 작용을 일으키지 않는다. 따라서 매우 효율적인 치료가 가능해졌다. 이러한

치료법은 매우 유용하기 때문에 이미 질병 치료에서 여러 성과를 내고 있다. 악성 종

양이나 백혈병 치료에 사용되는 독소루비신(doxorubicin)을 리포솜을 통해 전달하면,

심각한 부작용을 많이 줄일 수 있다. 또, 항암제 안타이사클린을 리포솜을 이용하여

투여하면 선택적으로 암세포를 공격하여 효과를 열배 가량 높일 수 있다.

만약, 어떤 질병의 발병 원인이 유전자의 결합이라면, 유전자를 바꾸기 위해 세포

에 DNA나 RNA의 조각을 전달해야 한다. 유전자 치료라고 부르는 이 방법은 여러

가지 질병에 효과를 발휘할 수 있을 것으로 여겨진다. 그러나 리포솜을 이용한 약

전달 방법에는 아직 해결해야 할 문제가 몇 가지 있다. 우리 몸의 면역 체계는 아

무리 세포와 닮은 리포솜이라고 하여도 이물질로 인식하여 항체에 의해 파괴될 수

있기 때문이다. 따라서 이 부분에 대한 연구도 계속 진행되고 있다.

<생각해보기>

▸생명현상에 대한 화학적 이해를 바탕으로 유전공학 및 의료 기술 등에

많은 발전을 이룰 수 있었다. 그 대표적인 예 중의 한 가지가 신약개발이

다. 최근에 개발된 시약 중에서 하나를 골라 개발과정을 조사해 보자.

3. 새로운 소재를 개발하다.

가. 전기가 통하는 플라스틱

과거에는 자유 전자가 존재하는 금속과 이온들이 자유롭게 이동할 수 있는 전해질 용

액만이 전기를 통하게 한다고 여겼다. 전류란 전하를 띤 입자의 이동이라고 생각했기

때문이다. 그러나 오늘날 전기가 통하는 플라스틱이 발견되었다.

미국의 히거(Alan Jay Heeger)와 멕더미드, 일본의 히데키는 전도성 플라스틱의 개

발로 2000년에 노벨 화학상을 수상하였다. 보통의 플라스틱의 고분자들은 공유 결합

을 하고 있으며 전하를 띤 입자로 구성되어 있지 않다. 그런데 전도성 플라스틱은 각

원자의 전자가 중첩되게 조성되어 있다. 이렇게 전자가 중첩되면, 전자의 위치 에너지

가 중첩되어 여러 에너지 준위들이 겹쳐지게 된다. 매우 많은 원자들이 모이면, 전자

의 띠가 구성되고, 이에 따라 전자가 쉽게 한 에너지 준위에서 다른 에너지 준위로 이

동할 수 있게 된다. 이 때문에 에너지 준위 사이를 자유롭게 이동하는 자유 전자가

발생한다.

나. 나노화학 : 세상에서 가장 작고 얇은 물질, 풀러렌

탄소만 60개나 70개가 모여 분자를 이룰 수 있을까? 질량 스펙트럼의 분석을 통해

이러한 물질의 존재가 알려졌을 때 화학자들은 그 구조가 과연 어떠할 것인가 고민하

였다. 영국의 서섹스대학교의 크로토(Kroto Herald) 교수는 1967년, 몬트리올 엑스포

에서 미국의 건축가 버크민스터 풀러가 설계한 미국관의 모습을 보고, 그 분자의 구조

를 구상하였다.

크로토는 이 신소재 물질이 오각형과 육각형을 연결한 축구공 모양이라는 것을 알아

냈다. 이 물질을 버크민스터 풀러렌이라고 하는데, 그 모양을 따서 벅키볼이라고 부른

다. 이 물질은 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘과 같은 알칼리 금속과 반응하여 금속

을 공 안에 가둠으로써 여러 가지 새로운 성질을 띠기 때문에 현대 화학의 중요한 연

구 주제 중의 하나이다.

다. 금속의 초전도성

금속의 저항은 0K에 가까워질수록 작아진다. 0K에서 원자들은 꼼짝도 할 수 없으므

로 전자는 아무런 방해를 받지 않고 움직일 수 있다. 그런데 덴마크 물리학자인 헤이

커 카메를링 오너스는 수은이 0K에 이르기 전인 4.2K 부근에서 전기 저항이 사라진

다는 사실을 발견하였다. 주석은 3.7K에서, 납은 7.2K에서 초전도체가 되었다. 둘 이

상의 원소가 섞인 합금은 더 높은 온도에서 초전도체가 되었다. 바나듐규소 합금은

18K에서, 나이오븀게르마늄 합급은 23.2K에서 초전도체가 된다.

오랫동안 높은 온도에서 초전도체가 되는 물질이 발견되지 못하다가 1986년 스위스

IBM 연구소에서 일하던 조그 베드노르즈(Johannes Georg Bednorz)와 카를 알렉산더

뮐러가 35K에서 초전도체가 되는 물질을 발견하였다. 이 물질은 금속 합금이 아니고

란탄, 바륨, 구리 금속의 산화물이었다. 이런 물질을 보통 세라믹이라고 한다. 그들은

이 발견으로 1987년 노벨 물리학상을 수상했다. 그들이 노벨상을 받기 직전인 1987년

텍사스 휴스턴대학교의 우(M. K. Wu)와 그의 조교가 이트륨, 바륨, 구리 산화물이

93K에서 초전도체가 된다는 사실을 발표하였다.

초전도체를 만드는 온도가 높아질수록 경제적인 효과는 높아진다. 예를 들어, 액체 헬

륨(끓는점이 4.2K)으로 냉각해야 초전도체가 되는 물질보다는 훨씬 가격이 싼 액체

질소(끓는점이 77K)로 냉각해도 초전도체를 만들 수 있다면 엄청난 이득이 생길 수

있기 때문이다.

<생각해보기>

▸ 기존 소재는 유기 재료, 무기 재료, 금속 재료와 같이 세 가지로 분류하지만 신소재는

신 금속 재료, 비금속 무기재료, 신 고분자 재료, 복합재료 등과 같이 네 가지로 분류

한다. 네 가지 신소재 중 한 가지를 모둠별로 정하여 조사해 보자.

▸ 현대화학이 새로운 소재의 개발에 나설 수 있게 된 것은 어떤 생각과 연구 결

과물들이 뒷받침되었기 때문인지 생각해보자.

▸ 초전도 재료에 대해서 조사해 보고, 현재 초전도 재료의 사용에 있어서 문제가

되는 점을 제시해 보자.

▸ 현재 나노화학이 활용되고 있는 예를 조사하고, 나노 기술의 발전이 갖는 긍정

적인 면과 부정적인 면에 대해 생각해 보자.

▸ 오래 전 미국화학회(ACS) 회장인 브레슬로 교수는 이 세상에 존재하는 분자

중에 화학 물질이 아닌 것을 찾아서 가져오면 상금을 주겠다는 광고를 냈고,

이에 많은 사람들이 열광적으로 응모했다. 결과는 어떻게 되었는지 알아보자.

그리고 화학 물질을 쓰지 않고 하루 살기가 가능할지 자신의 하루 일과를 떠

올려 정리해보자.

<탐구활동>

※ 다음은 20세기 가장 위대한 화학자 라이너스 폴링에 대한 이야기이다.

역대 노벨상 수상 자 중 개인 자격으로 두 번 수상한 사람은 오로지 폴링뿐이

다. 폴링(Linus Pauling, 1901~1994)은 1954년 노벨 화학상을, 1962년 노벨 평화

상을 수상하였다.

그는 노벨 화학상 수상자로 정해졌다는 전화를 받았을 때, ‘나의 어떤 업적에

상을 주는거죠?’라고 되물었을 정도로 매우 다양한 분야를 연구하였고, 그 모든

분야에서 큰 업적을 남겼다. 현대 결합이론을 완성하였고, 단백질의 2차 구조를

밝혀내었고, 효소의 기질 특이성을 명쾌하게 설명하였으며, 겸형 적혈구 빈혈증

연구를 통해 분자 수준에서 질병을 다루는 분자 의학을 개척하였다. 하지만 그

러한 그도 딱 한 번 실패한 경험이 있는데, DNA 분자 구조를 3중 나선구조라

주장한 것이다. 왓슨과 크릭에 의해 2중 나선구조가 밝혀진 후 그의 DNA 분자

모형은 웃음거리가 되고 말았다. 그러나 그가 현대 화학에 남긴 유산의 가치는

결코 상처받을 수 없는 것이다. 특히 결합이론에 대한 그의 연구 성과가 담겨

있는 <화학 결합의 본질>은 1939년 출판되었을 때 전 세계 화학자들 사이의 베

스트셀러가 되어 현대 화학의 발전을 크게 앞당겼다. 왓슨과 크릭도 DNA 분자

모형을 만드는 과정에서 그 책을 탐독하였다고 밝히고 있다.

그는 과학 연구에만 머무른 것이 아니라 평화주의자로서 반핵 운동에도 열정적

으로 참여하였다. 2차 세계대전이 끝난 후 과학자 단체를 조직하여 핵무기의 위

험성을 알리는가 하면, 핵기술의 평화적 사용을 위해 핵기술을 공개하고 관리・감독을 민간 기관에 둘 것을 주장하였다. 당시 세계는 냉전 체제 하에 있었고,

미국 내에는 반공주의가 대세를 이루고 있을 때였다. 그런 분위기 속에서도 그

의 반핵 연설을 계속 이어갔다. 그런 그를 정부는 불편하게 생각했고, FBI의 조

사를 받는가 하면 여권 발급을 거절당하여 중요한 국제 학술대회에 참여하지 못

하는 불편을 겪기도 하였다. 1954년 노벨 화학상 수상자가 된 이후에는 세계 곳

곳을 돌아다니며 반핵 운동을 펼쳤다. 이런 공로로 그는 1962년 노벨 평화상을

수상하게 되었다. (출처:송진웅 외 4인(2019). 2015 개정 교육과정 과학사. 대구시교육청)

▸ 폴링처럼 사회 문제에 적극적으로 참여한 과학자의 예를 찾아보자.

▸ 그들의 과학 지식은 사회 문제를 해결하는데 어떤 영향을 주었는지 확인

하고 정리하여 발표해 보자.

[참고문헌]

1. 정인경 외 4인(2019), 2015 개정 교육과정 과학사, 씨마스

2. 정인경 외 7인(2019), 2015 개정 교육과정 과학사 지도서, 씨마스

3. 송진웅 외 4인(2019), 2015 개정 교육과정 과학사, 대구광역시교육청

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5. 이덕환(2019) [D.멘델레예프의 주기율표 발표 150주년] 원소주기율표 150년 : 자

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6. 150살 된 화학의 원천, 원소 주기율표, naver TV

https://tv.naver.com/periodictable

7. 주기율표의 탄생과 화학의 역사(서울대학교 화학부 김경택 교수님 강연)

https://ikaos.org/kaos/video/list.php?tagArray=&tag_id=793&tagCate=2

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9. 폴 스트레턴(2003), 멘델레예프의 꿈, 몸과 마음

10. 샘 킨(2011), 사라진 스푼, 해나무

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12. 앤드류 로빈슨(2012), 위대한 과학자들, 지식갤러리

13. 현대 화학 – 위키백과

https://ko.m.wikipedia.org