중세, 현대 물질관 변천사, 보일, 라부아지에 실험을 시작으로

지난 글에서 고대 그리스 시대의 물질관의 변천사를 알아보았다. 이번 글에서는 중세와 현대의 물질관 변천사에 대해 알아볼 것이다. 중세의 연금술사, 현대의 보일과 라부아지에의 실험을 중심으로 하여 알아보겠다.

지난글 : 2023.04.10 - [분류 전체보기] - 고대 물질관 변천사, 탈레스 부터 아리스토텔레스 까지

 

1. 연금술사

아리스토텔레스의 4원소 변환설에 영향을 받아 중세시대까지도 물질이 다른 종류의 물질로 바뀔 수 있다고 믿었다. 아리스토텔레스의 사망이 BC 322년이고 라부아지에의 탄생이 1743년이니 정말로 오랜 시간 동안 아리스토텔레스의 영향을 받은 것이다. 아리스토텔레스의 4 원소 변환설에 입각하여 중세 시대에는 값싼 구리 같은 금속으로부터 값비싼 금을 만들기 위해 연금술사들이 활발하게 활동하였다. 결국 연금술사들의 금 만들기는 실패하고 말았지만, 연금술사들이 했던 다양한 실험을 통해 현대의 화학이 발전하게 되었다고 볼 수 있다. 

 

2. 보일(1627-1691)

보일은 당시 연금술사들과 마찬가지로 물질에 대해 흥미가 있었다. 그는 물질의 특성을 알아보기 위해 불꽃 반응 실험을 하였는데, 금속마다 다른 색깔을 나타낸다는 것을 알게 되고, 금속끼리도 이렇듯 다른 특성을 나타내는데 고작 물, 불, 흙, 공기 4개의 원소로 이 세상이 이루어져 있다는 것에 의문을 품게 되었다. 보일은 특히 공기를 이용한 실험을 많이 하였는데, 그중 하나가 J자 유리관을 이용한 실험이었다.

• J자 유리관에 수은을 가득 채워 막힌쪽에 공기를 가둔다. 그 후에 유리관에 수은을 더 붓게 되면, 압력이 높아지면서 기체의 부피가 줄어든다. 이것이 바로 보일의 법칙으로 보일의 법칙이란 온도가 일정할 때, 기체의 부피는 압력에 반비례한다는 법칙이다.

그런데 아리스토텔레스의 4원소 변환설에 의해 보자면, 공기는 비어있는 것이 아니라 공기원소로 가득 채워져 있어야 한다. 그런데 압력이 증가한다고 부피가 줄어들다니? 아리스토텔레스의 이론으로는 설명할 수가 없었다. 이를 설명하기 위해서는 데모크리토스가 이야기했듯 공기가 작은 입자로 이루어져 있고, 공기 입자와 입자 사이에는 빈 공간이 있어야 한다. 이를 통해 보일은 아리스토텔레스의 4 원소 변환설에 의문을 제기하게 되었고 자신의 연구 결과를 바탕으로 <회의적 화학자>라는 책에서 물질을 이루는 가장 간단하고 다른 것과 섞이지 않는 것을 '원소'라고 주장하였다.

 

3. 라부아지에(1743-1794)

라부아지에는 보일의 주장을 실험을 통해 증명한 사람이다. 라부아지에는 실험을 통해 물을 분해하였다. 오늘날 이 실험은 전기를 이용하여 손쉽게 재현할 수 있다.

• 라부아지에의 실험은 뜨겁게 달궈진 주철관에 천천히 물을 붓는 것이다. 주철관은 뜨겁게 달궈진 벽난로를 지나서 냉각수를 지나게 된다. 이 과정에서 나온 기체를 모아 확인하였더니 불과 만나 '퍽'소리를 내며 터지는 성질을 갖고 있었다. (이 기체는 바로 수소이다.) 실험이 끝난 후 주철관의 무게를 측정해 보았더니 실험 전 후의 무게가 달랐다. 실험 후 주철관의 무게는 증가하였는데, 바로 산소가 결합되었기 때문이다.
• 오늘날 이 실험은 집에서도 간단히 해볼 수 있다. 바로 전기를 이용한 물 분해 실험이다. 정수기 물을 컵에 담고 소금을 한숟가락 푼다. 그리고 1.5V 건전지를 넣으면 양극에서 뽀글뽀글 기체가 올라오는 것을 확인할 수 있다. (-) 극에서 나오는 기체는 수소 기체이다. 이를 모아 불꽃과 만나게 하면 '퍽'소리가 나면서 터질 것이다. (+) 극에서는 산소기체가 발생하지만, 물에 들어있는 다른 원소들로 인하여 산소기체는 확인이 안 될 수 있다. 

라부아지에는 이 실험을 통해 물이 수소와 산소로 분해됨을 알게 되었다. 아리스토텔레스의 이론에 따라 물질을 이루고 있는 기본 원소인줄 알았던 물이 원소가 아님이 밝혀진 것이다. 

 

 

 

보일과 라부아지에의 연구 결과는 후에 돌턴으로 연결되어 1803년 돌턴은 원소가 '딱딱하고 단단하여 꿰뚫을 수 없으며 움직일 수 있는 입자들'인 '원자'로 구성되어 있다고 주장하였다.