[원자의 구조와 주기성] 원자의 개념에 대한 역사 - 1부

그리스 철학의 원자론 및 원소설

물질의 근원이 무엇인지는 인류 문명이 시작되면서 가지게 된 근원적인 의문들 중 하나다. 원자론은 고대 그리스의 데모크리토스 학파 철학에서 처음 나타났는데, 이 때의 원자론은 순전히 철학적 사유의 결과였다. 즉 물체를 쪼개고, 그 조각을 다시 쪼개는 과정을 무수하게 반복하였을 때 더 이상 쪼갤 수 없는 궁극적인 한계가 있을 것이라는 가정을 하고, 더 이상 쪼개지지 않는 가장 작은 단위인 원자(Atom)라는 존재를 주장하였다. 그러나 고대의 원자론은 과학적인 사실에 바탕을 둔 것이 아니었으며, 이것을 실험으로 검증하려는 시도가 없었고 자연 현상에 대한 실증적인 연구에 적용되지도 않았다.

또 한편 복잡한 자연의 여러 현상들을 보다 간단하고 체계적으로 설명하기 위하여 우주를 이루는 모든 것들은 단지 몇 가지의 기본적인 원소들만으로 이루어 졌다고 설명하려는 학설이 고대 그리스에서 시도 되었다. 그러한 배경에서 물, 불, 흙, 공기의 네 가지 원소들로 우주 만물이 이루어졌다는 4원소설이 성립하였으며, 나중에 천상의 존재를 설명하기 위한 다섯 번째 원소가 추가 되었다. 이렇게 성립된 원소 설은 근대 과학이 성립되기까지 2천년 이상 지속 되었다. 특히 모든 물질이 단지 네 가지 원소만으로 이루어 졌다는 이론은 물질 속에 든 네 원소의 비율만 바꾸면 한 물질에서 다른 물질을 만들 수 있다고 믿게 하였으며, 이러한 믿음을 바탕으로 하여 물질 사이의 변화를 연구하는 연금술이 약 2000년 동안 화학의 역할을 대신 하였다.

현대 화학의 시작

현대 화학은 16-17 세기에 이르러 비로써 시작 되었다. 로버트 보일(Robert Boyle; 1627-1691)은 공기의 압력과 부피 사이의 관계를 연구 하면서 진정한 의미의 정량적인 화학 실험을 최초로 실시하여 정성적인 실험에 머물렀던 연금술을 벗어나 화학을 정량적인 과학으로 발전시키는 계기를 마련하였다. 보일은 특히 4 원소 설에 직접적인 의심을 제기하였는데, 한 물질이 화학반응을 통하여 두 가지 이상의 다른 물질들로 분해 되지 않는 한 그 자체가 원소라는 생각을 제시 하였다.

원소에 대한 보일의 정의는 원소를 철학적인 개념이 아니라 실제 실험에 근거하여 정의하자는 것이었으며, 이러한 보일의 생각이 일반적으로 받아들여지기 시작하면서 원소의 수는 증가하기 시작하였다. 특히 프리스틀리(Joseph Priestley; 1733-1804)는 공기에서 산소를 따로 분리하여 4원소설의 기본 원소 중 하나이던 공기가 사실은 여러 가지 성분의 혼합체라는 것을 1774년에 실험으로 증명하였다. 이에 따라 4 원소 설은 더 이상 과학에서 받아들여지지 않게 되었다. 

정량적인 법칙들의 발견

보일의 뒤를 이어 현대화학의 기초를 이룩한 사람은 현대 화학의 아버지로 불리는 라보아제(Antoine Lavoisier; 1743-1794)다. 그는 화학 실험에서 정량적인 측정의 중요성을 강조 하였으며, 실제의 다양한 화학 반응 실험에서 반응물과 생성물의 질량을 정밀하게 측정하여 ‘물질은 화학 반응을 통하여 창조되지도 않고 소멸되지도 않는다’는 질량보존의 법칙을 확립하였다. 또한 연소 과정에는 산소가 참여한다는 것을 입증하여 17-18세기동안 논란이 되어왔던 연소 현상을 올바르게 과학적으로 규명하였으며, 생명현상의 여러 반응들에는 연소 반응과 비슷하게 산소가 관여함을 보였다.

라보아제의 뒤를 이어 여러 화학자들이 화학반응에 관한 여러 정량적인 법칙들을 발견하였다. 프르스트(Joseph Proust; 1754-1826)는 ‘특정 화합물 내에 포함된 원소들의 질량비는 항상 동일하다’는 일정성분비 법칙을 발견하였는데, 이것은 화합물이 일정한 조성을 갖는다는 것을 의미한다. 예를 들어 어느 화합물에 A와 B라는 두 원소가 각각 30%와 70%씩 들어 있다면, 이 화합물은 어떤 방식으로 제조되거나 어떤 곳에서 발견되어도 그 안에 포함된 A와 B 두 원소의 질량비는 항상 30%와 70%라는 것이다. 즉 원소들 사이의 혼합이 마구잡이로 섞이는 것이 아니라 일정하게 정해진 비율에 따른다는 의미다.

또 한편 돌턴(John Dalton; 1766-1844)은 ‘두 원소가 여러 가지 다른 화합물들을 형성할 때, 특정원소 1g과 결합하는 다른 원소의 질량들 사이에는 간단한 정수비가 성립 한다’는 배수비례 법칙을 발견하였다. 예를 들어 산소와 탄소만으로 이루어진 두 화합물이 있는데, 첫 번째 화합물에서는 산소 1g과 결합한 탄소의 질량이 0.375g인 반면에 두 번째 화합물에서는 산소 1g 당 탄소가 0.75g 결합하고 있어서 0.375g과 0.75g 사이에는 1:2의 정수비가 성립한다.

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