화학이란 무엇일까?

 

화학이란, 사전적 의미로 자연 과학의 한 분야로 물질의 조성과 구조, 성질 및 변화, 제법, 응용 따위를 연구하는 것을 의미한다.

 

화학은 “핵심과학”이라 불릴 만큼 중요한 학문이다. 화학의 본질은 세 가지 관점으로 볼 수 있다. (거시적, 미시적, 기호적) 거시적 관점은 물질과 반응을 직접 관찰하는 것이다. 미시적 관점은 시스템의 가장 작은 구성 요소에 초점을 맞추어 일련의 사건들을 이해하는 것이다. 마지막으로 이런 개념들을 효율적으로 소통할 수 있게 화학자들은 기호를 고안했다.

 

거시적 관점

화학반응을 관찰할 때, 우리는 거시적 수준에서 물질을 관찰한다. 물질은 질량을 가지며 관찰될 수 있는 것으로, 자연에서 관찰되는 어떤 것은 물질이 아닐 수도 있다. 예를 들어 빛은 질량이 없기 때문에 물질로 여기지 않는다.

 

물질을 관찰할 때 일반적으로 물질을 변화시켜 보는데, 크게 두 가지(물리적 변화와 화학적 변화)로 변화시킨다. 물리적 변화를 겪은 물질은 화학적 본질은 잃지 않는데, 예로 질량과 밀도가 있다. 질량은 측정할 개체와 표준체를 비교함으로써 측정되는 것으로, 저울을 이용한다. 밀도는 부피에 대한 질량의 비이다. 밀도는 물질의 변화 없이 얻어질 수 있기 때문에, 물리적 성질이다. 물리적 특성에는 색, 점도, 경도 및 온도 등이 있다. 이 외에 열 용량, 끓는점, 녹는점, 그리고 휘발성이 있다.

 

물질의 화학적 성질은 물질이 겪는 화학적 변화의 종류와 관련이 있다. 예로 부식이 있는데, 금속에 페인트를 칠하면 부식에 의한 손상을 막을 수 있다. 페인트의 중요한 화학적 성질은 부식을 예방하는 것이다. 화학반응으로 물질의 본질이 어떻게 변하는 가를 관찰함으로써 화학적 성질을 결정할 수 있다.

 

거시적으로 화학반응을 관찰할 때 우리는 세 가지 상태(고체, 액체, 기체)로 설명한다. 거시적 수주에서 볼 때, 고체는 쉽게 모양을 바꾸지 않기 때문에 고체가 용기에 담겨 있다면 고체는 용기 모양에 상관없이 자체 모양을 유지한다. 고체와 달리 액체는 담긴 용기 모양에 따라 모양이 달라지기 때문에 거시적으로 고체와 구별된다. 마지막으로 기체는 무색이라 보이지는 않지만 어느 정도의 공간을 차지하고 있다는 것은 일상적인 경험에서 알 수 있다.

 

때때로 화학적 물리적 성질들은 거시적 수준에서 구별되기 어렵다. 끓는 물은 물리적 변화이다. 하지만 끓는 솥에서 물이 사라졌을 때, 이것이 화학적 변화를 겪었는지 물리적 변화를 겪었는지 어떻게 알 것인가? 여기서 물을 구성하는 입자를 고려할 필요가 있는데, 즉 미시적인 수준에서 일어나는 일들을 고려해야 한다.

 

미시적 관점

“모든 물질은 원자와 분자로 구성된다.” 이는 화학의 가장 기본적인 개념이다. 대부분의 물질은 화학물질로 이루어진 복잡한 혼합물이다. 모든 물질은 원소(elements)라 불리는 “구성 요소”로 이루어져 있다. 원자(atoms)는 상상할 수 없을 만큼 작은 입자로, 더 이상 쪼개질 수 없다. 원자는 가장 작은 입자로 원소의 화학적 특징을 유지한다. 원자들의 그룹인 분자는 개별 원자와는 다른 특성을 갖는다. “화학적 결합”으로 알려진 힘이 원자들을 결합하여 어떻게 분자로 만드는지 알아야 한다.

 

미시적 관점에서는 화학적 변화와 물리적 변화를 구체적으로 구분할 수 있다. 그림을 보면 고체에서의 원자들은 긴밀하게 채워져 있다. 액체는 입자가 긴밀하게 채워져 있긴 하나 입자의 모양을 유지하기보다는 용기를 채우는 모습이다. 기체는 입자 사이가 매우 멀며 개개의 입자들이 용기 전체 공간을 자유로이 움직인다.

 

미시적 관점에서 바라본 물질의 고체, 액체, 기체상태

화학적 변화와 물리적 변화를 미시적 관점에서 어떻게 구별할까? 물리적 변화에서는 원자 또는 분자들은 전혀 변하지 않는다. 예를 들어 물이 끓으면 액체인 물은 기체로 바뀐다(물리적 변화). 물 분자는 두 개의 수소 원자와 산소 원자로 이루어져 있다(미시적 관점). 물에 전류를 통과시키면 전기분해가 발생하여, 물 분자가 수소와 산소 분자로 바뀌기 때문에 화학적 변화이다.

 

기호적 표현

원자, 분자, 그리고 반응을 나타낼 때 기호를 사용한다. 기호는 화학의 추상적인 부분을 설명할 수 있기 때문에 매우 중요하다. 기호는 우리가 실제로 볼 수 없는 입자들을 파악하는 편리한 방법이다.
제련되지 않은 광석과 이용가능한 알루미늄 금속의 명확한 차이는 겉모습이다. 알루미늄 광석은 평범한 바위덩어리처럼 보인다. 분자 수준에서 광석상태의 산화알루미늄(알루미나)과 알루미늄 금속을 비교해 보자. 알루미늄 광석(Al2O3)은 두 가지 원자로 이루어져 있는데, 그중 하나가 알루미늄(Al)이다.