화학

범위

한 사람이 화학 전분야에 걸쳐 자세히 이해할 수 있었던 시대는 오래 전에 지나갔으며, 당시에 특정 분야에 관심을 나타냈던 화학자들이 각 전문분야의 개척자가 되었다. 이렇게 화학역사상 초기에 나타난 전문분야, 즉 유기화학·무기화학·물리화학·분석화학·공업화학·생화학 등은 지금도 가장 일반적인 분야이다. 20세기에는 중합체화학·환경화학·의화학 분야에 큰 발전이 있었고, 농약화학·법화학·전산화학 등의 새로운 전문분야가 계속 생겨나고 있다.

분석화학

나무·석탄·광물·공기 등 지각에서 산출되는 대부분의 물질은 많은 다른 화학물질의 혼합물이다. 순수한 화학물질은 화학적으로 확인할 수 있는 독특한 성질들을 가지고 있는데, 예를 들어 철은 은백색의 금속으로 녹는점은 1,535℃로 전성이 크며 산소와 쉽게 결합해 적철석과 자철석이 된다.

자철석 같은 금속의 혼합물에서 철을 검출하는 것을 정성분석이라고 하며, 화합물이나 혼합물에 있는 특정 물질의 실제적인 양을 측정하는 것을 정량분석이라고 한다. 정량분석을 통해서 해변이나 강둑에서 흔히 흑사의 형태로 볼 수 있는 광물인 자철석에는 철이 무게의 72.3％를 이루고 있음을 알 수 있다. 수년에 걸쳐 화학자들은 쉽게 볼 수 있거나 확인할 수 있는 생성물을 만들어 어떤 기본적인 물질의 존재를 알 수 있는 여러 화학반응들을 발견했다.

철은 시료에 최소한 1ppm(parts per million,10^-6g) 이상 있어야 확인할 수 있는데 나트륨은 1×10^－9g만 있어도 소화 시켜 시료를 노란색 불꽃으로 그 존재를 쉽게 알 수 있다(불꽃반응). 이러한 분석방법으로 화학자들은 여러 물질에 들어있는 불순물의 양과 종류를 확인하고 매우 순수한 물질의 성질을 결정할 수 있게 되었다. 보통 실험실에서 사용되는 화학물질에 있는 불순물은 0.1％ 이하이며, 특수한 용도로 사용하기 위해서는 불순물이 0.0001％ 이하인 물질도 구입할 수 있다.

현대사회가 필요로 하는 안전한 식품, 적당한 소비재, 풍부한 에너지, 노동절약형 기술 등은 환경을 오염시켰다. 즉 모든 화학물질을 제조할 때는 원하는 물질 외에 폐기물이 생기기 마련인데, 이 폐기물들을 부주의하게 처리하는 경우가 있어 문명의 초기부터 환경 파괴가 시작되었고 인구의 증가와 더불어 공해문제가 크게 대두되었다.

오염된 물·공기·토양·식품에 들어있는 불순물을 확인해 이들을 제거하고 중화시키는 경제적인 방법이 발달하게 되어, 분석화학 기술의 발달은 주로 좋은 환경을 유지하도록 하는 문제와 깊은 관계를 맺게 되었다. 즉 해가 된다고 추정되는 오염물질의 양이 알려지면 그 위험수치 이하에서 그 독성물질을 검출할 수 있어야 하므로 분석화학자들은 더욱 정확하고 민감한 분석기기와 기술을 개발하는 데 노력하고 있다. 특히 현대에는 컴퓨터와 연결된 복잡한 분석기기의 발달로 정확도가 높아지고 또한 검출한계도낮아지게 되었다.

가장 일반적인 분석방법은 기체 크로마토그래피로, 이것은 기체 상태의 혼합물을 길고 가는 관내에 있는 다공질 흡수제에 통과시켜 각각 다른 성분으로 분리하는 것이다. 각 성분들은 흡수제와의 상호작용에 따라 관을 빠져나오는 속도가 다르며, 이때 이 기체의 구성 이온의 질량에 따라 분리되는 질량분석계를 통과시킬 수도 있다. 이러한 기체 크로마토그래피 질량분석계는 수ppb(parts per billion, 10^－9g) 정도의 혼합물도 각 성분으로 쉽게 분리할 수 있다.

이와 비슷하거나 이보다 강도가 좋은 분석법으로는 원자흡광분석법·폴라로그래피·중성자방사화분석법 등이 있다. 하지만 대부분의 분석기기들은 개발된 지 약 10년 후에는 쓸모가 없어지게 된다. 이것은 더욱 정확해지고 분석속도가 빨라져 새로운 분석기기들이 출현해 환경화학과 의학 등의 분야에 널리 사용되기 때문이다.

무기화학

무기화학(inorganic chemistry)

18세기말경 질량보존의 법칙이 받아들여진 이후의 근대화학은 초기에는 생체와 관계 없는 물질들을 주로 연구했다. 이러한 물질들은 탄소를 전혀 포함하지 않거나 소량만을 포함하는데, 이런 물질에 관한 연구가 무기화학의 근간이 된다. 초기의 연구는 주로 복잡한 물질을 구성하는 가장 간단한 원소들을 확인하는 데 치중했다. 금이나 탄소 같은 원소들은 고대로부터 알려져왔으며, 많은 다른 원소들은 19세기, 20세기초에 걸쳐 주로 발견·연구되어 지금까지 100개 이상의 원소가 알려져 있다.

염화나트륨 같은 간단한 무기화합물에 대한 연구로 일정 성분비의 법칙 같은 근대화학에 있어서의 중요한 개념들이 나타나게 되었다. 이 법칙은 대부분의 순수한 화합물의 각 구성요소들은 그들이 어떻게 만들어졌는가에 관계 없이 일정한 질량비로 존재한다는 것이다(예를 들어 100g의 염화나트륨은 항상 나트륨 39.3g과 염소 60.7g으로 구성됨). 염화나트륨 결정은 하나의 나트륨에 하나의 염소가 대응되는 나트륨과 염소가 결합되어 있는 화합물이다. 이러한 2개의 원소로만 이루어진 화합물을 이성분 화합물이라고 하는데, 무기화학에서 가장 흔하며 몇몇 제한된 구조로 나타나게 된다. 그러므로 많은 원소들이 서로 반응해 화합물을 형성할 수 있음에도 불구하고 무기화합물의 수는 제한되어 있다. 하지만 3개 이상의 원소로 이루어진 물질은 더욱 다양한 구조를 갖는다.

무기화학은 20세기초에 다소 침체기를 맞기도 했으나 그후 다시 활발하게 연구되었다. 붕소와 수소의 화합물인 보란은 그 구조가 매우 특이해 이제까지 무기분자의 지식체계에 대한 생각을 변화시켰다. 일부 무기화합물에서는 탄소화합물에서만 나타날 것이라고 생각된 구조적 특징이 나타나며, 무기중합체도 소수이기는 하지만 합성되었다. 세라믹스는 무기 원소가 산소와 결합해 이루어진 물질로, 매우 단단하고 고온에서도 안정하지만 깨지기 쉽다는 단점이 있다. 최근에 연구된 새로운 세라믹스는 매우 튼튼하여 제트엔진의 터빈 깃으로 이용되기도 하고 내연기관을 만드는 성분인 강철을 대체할 수 있으리라는 전망도 있다.

1987년에 이트륨·바륨·구리·산소로 구성된 세라믹스(근사식 YBa₂Cu₃O₇)가 약 100K의 온도에서 초전도체가 된다는 것이 밝혀졌다. 초전도체는 전기저항이 0이 되는 물질로, 이러한 새로운 형태의 세라믹스는 전기적·자기적으로 응용성이 크다. 무기화학에서의 여러 흥미로운 발견으로 무기화학은 다른 여러 분야와 관련을 맺게 되었는데, 이중 유기금속화학은 주로 탄소를 포함하고 있는 단위체와 결합하고 있는 무기원소를 가지는 화합물을 연구하는 분야이다.

많은 유기금속화합물은 공업화학에서 촉매로 중요한 역할을 한다. 어떤 유기금속화합물은 천연 가스를 더욱 유용한 여러 가지 화합물로 전환시키는 촉매로 사용된다. 화학자들은 또한 중심에 백금 등의 금속이 있고, 그 주위를 여러 원소들이 둘러싸는 형태의 큰 무기 분자를 만들기도 했는데, 금속뭉치(metal cluster)라고 하는 이들 화합물은 대부분 생물계에서 일어나는 반응과 유사한 반응성을 보인다.

생물의 호흡·신경작용·세포대사에는 이들 금속이 미량이나 꼭 필요하며, 이 화합물의 작용과정 등은 생무기화학의 연구대상이 되고 있다. 과거에는 유기분자들만이 생체의 화학적 특성을 지니고 있다고 생각했지만, 현재에는 무기화학 역시 생체에서 중요한 역할을 하고 있다고 알려져 있다.

유기화학

유기화학

유기화합물은 탄소를 주성분으로 하는 화합물이다. 탄소는 그들의 3차원적 결합으로 구조의 크기와 다양성 면에서 특이성을 나타낸다. 자연계에서는 광합성을 통해 이산화탄소와 물이 결합하여 산소와 탄수화물이라는 유기화합물로 전환된다.

식물체의 구조를 단단하게 하는 성분인 셀룰로오스와 식물체의 에너지 저장형인 녹말은 모두가 중합체성 탄수화물이다. 이렇게 광합성에 의해 생성되는 간단한 탄수화물은 동식물에서 발견되는 수많은 유기화합물의 원료가 되는데, 탄소가 수소·산소·질소·황·인 등의 다른 원소와 결합할 경우 이들 화합물의 구조는 매우 다양하게 된다. 유기화학의 주된 관심은 이들 천연에서 산출되는 탄소화합물을 분리·정제하고 그 구조를 연구하는 데 있다. 천연 유기물질에는 개미에 존재하는 포름산(HCO₂H), 과일 등을 발효시킬 때 생기는 에틸알코올(C₂H₅OH), 대황 잎에 있는 옥살산(C₂H₂O₄) 등 간단한 것에서부터 페니실린, 비타민 B₁₂,단백질, 핵산 등 거대하고 복잡한 분자까지 다양한 물질이 존재한다. 유기체에서 미량 존재하는 순수한 천연물을 분리하는 것은 매우 어렵지만, 일단 순수한 형태로 분리되면 현대의 분석기기 기술을 이용해 10^－6g 정도만으로도 물질의 세부구조를 확인할 수 있다. 유기화합물들의 구조적 특성과 함께 물리적·화학적 성질간의 상관관계를 연구하는 분야가 유기물리화학이다. 또한 일단 작용기가 각각 어떤 특성을 가지고 있는가 하는 것이 밝혀지면 원하는 성질을 가진 새로운 분자를 고안·합성할 수 있는데, 합성화학은 이러한 특수한 화합물을 합성하는 분야이다. 어떤 천연물들은 유기체에서 수집·정제하는 것보다 합성하는 것이 훨씬 쉽다. 따라서 비타민 C 같은 물질은 매년 수t씩 합성되고 있다. 또한 원하는 화합물을 합성하기 위해서는 각 원자들이 정확한 순서와 3차원적 구조로 배열되어야만 하는데, 수많은 가능성 가운데 오직 하나만이 천연에서 산출되는 분자와 동일한 배열을 갖는다. 이상에서 본 바와 같이 유기화학은 화학의 여러 분야 중 가장 광범위한 영역을 포함한다고 할 수 있다.

생화학

19세기에 무생물계에 대한 화학적 이해가 커짐에 따라 생체의 생리학적 과정을 분자들의 구조와 반응성으로 설명하려는 시도가 있었으며, 이러한 연구가 생화학 분야로 나타나게 되었다. 생화학자들은 화학이론과 기술을 토대로 생명체를 분자수준에서 연구하는데, 이때 유기체의 생리과정은 매우 체계적인 방식으로 진행되는 수많은 화학반응에 의해 일어난다는 전제하에서 유기체를 연구하게 된다.

생체분자에 관한 연구에는 많은 어려움이 있는데, 그 이유는 이 분자들이 매우 크고 구조가 복잡한 반면 화학반응속도가 매우 빠르기 때문이다. 효소는 그들의 3차원적 구조의 작용으로 반응속도를 빠르게 하는 단백질(촉매)이다. 여러 가지 생화학적 발견은 질병의 연구 및 치료에 큰 영향을 미쳤으며, 치료제를 발견하고 그 분해와 작용기전을 연구하는 것도 생화학의 주요분야 중 하나이다(→ 약).

최근 암의 발생과정과 화학적 요법에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 이제까지의 연구로 암은 발암물질이 단백질·핵산과 반응하여 정상적인 작용메커니즘을 방해할 경우 발생한다고 밝혀졌다. 또한 생체과정의 분자론적 토대가 되는 분야는 최근 급속히 성장하는 분자생물학과 생물공학이다. 단백질·DNA의 구조를 빠르고 정확하게 결정하는 방법도 개발되었으며 손쉽게 유전자를 합성하는 장치도 고안되었다. 궁극적으로 결함이 있는 유전자를 정상유전자로 교체하여 유전질환을 고치는 것이 가능해질 것이다.

고분자화학

기체인 에틸렌(CH₂=CH₂)은 특정 조건하에서 서로 결합해 긴 사슬형 구조를 가진 폴리에틸렌(－(CH₂－CH₂)_n-)이 된다. 폴리에틸렌은 질기고 내구성이 있는 고체로 많은 단위체가 결합하여 만들어진 중합체이다.

셀룰로오스·녹말·고무·가죽·단백질·DNA 등은 천연에서 산출되는 중합체이며, 폴리에틸렌·나일론 등은 합성중합체의 대표적인 예이다. 이러한 새로운 중합체의 합성과 중합반응 연구, 중합체의 구조와 특성에 관한 연구가 고분자화학의 고유분야이다. 중합체를 연구하는 화학자들은 견고성, 유연성, 연화온도, 물에 대한 용해도, 생분해성이 각각 다른 여러 가지 중합체를 고안·합성한다. 그결과 실제로 강철보다 강하면서도 가볍고 내식성이 있는 중합체 물질이 생산되었으며, 플라스틱관 등은 현재 널리 사용되고 있다.

최근 자동차 제조회사에서는 자동차 제작에 가볍고 연료가 덜 소모되는 부품을 더 많이 사용하고 있다. 또한 새로운 종류의 중합체 물질을 생산하는 것 외에도 상업용 중합체를 공업적으로 대량생산하는 데 필요한 특수한 촉매개발에도 많은 연구가 진행되고 있다.

물리화학

물리화학은 물질의 분류보다는 일반적인 상호작용과 변환에 관심을 가지는 분야이다. 즉 고전적인 물리화학에서는 모든 화학과정의 정량성을 측정 및 상호관련시켜 설명한다. 예를 들어 영국의 화학자 로버트 보일은 17세기에 실온에서 일정량의 기체 부피(V)는 압력(P)에 반비례한다(PV=상수)는 사실을 발견했다. 이 등식은 1기압 이하의 실온에서 거의 모든 기체에 적용된다. 이러한 자연의 법칙을 발견·연구하는 것이 물리화학의 영역이다.

18세기경에 이루어진 화학체계에 대한 수학적 전개는 대부분 힘과 장(場)의 연속성에 기초를 두고 있었지만, 20세기에 화학반응은 원자와 분자구조의 양자역학적 모형으로 가장 잘 설명될 수 있음이 밝혀졌다. 이것에 관해 주로 연구하는 분야가 이론화학인데, 이론화학자들은 주로 컴퓨터를 사용해 복잡한 방정식을 푼다. 물리화학의 또다른 분야로는 화학반응속도를 측정하고 연구하는 반응속도론, 열과 화학 에너지의 상관관계를 다루는 화학열역학, 화학변화와 전류의 흐름과의 상관관계를 연구하는 전기화학 등이 있다.

최근에는 태양 에너지를 이용해 화학반응을 일으키는 장치 개발에 많은 관심을 쏟고 있는데, 이러한 장치가 개발될 경우 태양 에너지를 널리 이용할 수 있게 될 것이다. 물리화학의 분야 중에 물질자체보다는 물질의 일반적인 성질과 그들간의 상호작용에 관심을 갖는 분야도 있다. 광화학은 빛과 물질 간의 상호작용을 연구하는 분야이며, 표면화학은 주로 기기를 이용해 화학물질의 표면을 연구한다.

공업화학

선진국에서는 많은 화학약품의 생산·판매·분배가 일상적으로 이루어지며 화학자들은 화학약품의 제조와 조사 및 안전한 취급 등을 위해 중요한 역할을 담당한다. 특히 열전달과 관계 있는 대규모 화학공정들을 제어·감시하는 일을 화학자·화학공학자들이 담당한다. 또한 대규모로 화학약품을 제조할 때 부산물 처리가 큰 문제가 되고 있는데, 이러한 문제에 관한 연구도 공업화학의 한 영역이다. 그러나 화학공업에서 전통적인 전공분야 내에서 상당한 기초연구가 이루어져 대부분의 큰 화학회사들은 연구개발 능력을 가지고 있다. 화학공업에서 이루어지는 연구의 대부분은 주로 회사에서 관심을 가지는 공정이나 생성물과 밀접한 관련이 있는 분야를 집중적으로 연구하기 때문에 응용과학이라고 하며, 종종 현대사회에서 화학산업의 발전에 큰 기여를 한다.

화학방법론

화학은 많은 양의 지식이 축적된 과학으로, 지금까지 관찰되고 연구된 현상의 수와 범위가 증가했다. 그러나 모든 가설과 발견이 지속적으로 받아들여지지 못했으며 이중 일부는 이후에 새로운 실험·관찰로 전보다 만족스러운 설명을 할 수 있게 됨으로써 더이상 사용되지 않는 것도 있다. 그럼에도 불구하고 화학현상을 설명하기 위해 다양한 모형이 제시되었으며 새로운 사실이 발견되면 가능한 한 기존의 이론과 모형에 부합시키도록 노력한다. 하지만 1986년 고온 초전도체가 발견되었을 때 그당시의 이론으로는 새로운 예측을 하는 것이 불가능했다. 이처럼 우연한 발견은 이론의 복잡성과 과학적 진보에 중요한 역할을 한다.

분자구조 연구

개요

물질의 화학적 성질은 분자의 구조에 따라 달라진다.

X선 결정학 기술을 이용하면 복잡한 분자 내의 원자배열을 정확하게 알 수 있다. 분자의 구조를 설명하는 데 있어서 화학결합의 길이와 결합각이 중요한데, 이들 화학결합에 관한 이론은 현대화학의 중요한 성과 중의 하나로 원자-분자개념이 그 기본 이론이다.

원자의 원소들

원자는 양성자·중성자·전자로 구성되어 있다.

양성자는 ＋1의 전하를 띠고 있으며 원자핵 내에 있는 양성자의 수로 원자의 종류가 구별된다. 중성자는 질량이 양성자와 거의 같으나 전하를 띠지 않고, 수소를 제외한 모든 원자핵에 양성자와 함께 들어 있다. 수소와 중수소는 양성자의 개수가 같으므로 화학적 성질이 같은데, 이들을 동위원소라고 한다.

－1의 전하를 띤 전자는 양성자보다 1,836배 정도 가벼우며, 궤도함수라고 하는 핵의 외부영역에 존재한다. 이들은 광자처럼 파동-입자 이중성이 있다. 전자를 입자로 간주했던 원자구조에 관한 초기 모형은 전자가 핵주위를 궤도운동하는 것으로 설명했지만 지금은 전자 궤도함수를 파동함수라는 정상파가 점유하는 공간의 범위로 해석되고 있다(→ 양자역학). 파동함수는 핵주위에서 전자를 발견할 확률이 높은 영역을 나타내며 결합이론에서 중요한 역할을 한다.

전기적 중성을 유지하기 위해 전자는 같은 수의 양성자가 필요하며, 전자의 수가 늘어날수록 핵에서 점점 먼거리에 있는 궤도함수를 채운다. 임의의 궤도함수에서 전자를 떼어내는 데 필요한 에너지로부터 각 궤도함수의 에너지 준위를 알 수 있는데, 이들 에너지 준위는 양자화되어 있어 특정한 고유값을 가진다. 원자에 양성자가 첨가됨에 따라 각각 다른 원소가 되며, 2개 이상의 원소들이 결합을 통해 화합물을 만든다.

이온 결합과 공유결합

2개의 원자가 서로 가까이 접근하면 한 원자(A)의 최외각전자가 다른 원자(B)로 이동해 A^＋와 B^－ 이온이 생기게 된다.

이러한 이온의 정전기적 인력에 의해 이루어진 결합을 이온 결합이라고 한다. 대부분의 원소들은 이온 결합을 할 수 있는데, 이렇게 형성된 화합물들은 양이온과 음이온으로 이루어진 3차원적 배열을 하고 있으며, 대부분 녹는점이 높은 결정성 고체가 된다. 또다른 경우는 2개의 원자가 접근할 때 A와 B의 각각의 최외각전자가 쌍을 이루어 공유결합을 형성한다. 많은 원자들은 하나 이상의 공유결합을 통해 분자를 형성한다.

예를 들어 수소 기체는 2개의 수소원자가 공유결합으로 결합된 수소분자들로 이루어진 기체이다.

이들 화학결합을 설명하는 분자궤도함수이론에 따르면 분자 내 전자들은 분자궤도함수로 나타낼 수 있는 부분적으로 모든 원자에 널리 분포되어 있다. 이러한 분자궤도함수는 결합하고 있는 원자의 원자궤도함수가 결합할 때 생긴다.

즉 두 원자 A와 B가 결합해 분자 AB를 형성할 경우 2개의 원자궤도함수가 결합되어 2개의 분자궤도함수를 형성한다. 이중에 결합성 분자궤도함수(bonding molecular orbital)의 에너지 준위는 각 성분원자의 에너지 준위보다 낮으며, 전자의 확률밀도는 두 원자를 연결하는 핵간축 주위에 모여 있다. 반면 반결합성 분자궤도함수(antibonding molecular orbital)에서는 결합하는 두 원자의 핵 사이에 전자의 확률분포가 0인 마디평면(nodal plane)이 존재하는데, 여기에 전자가 채워지면 분자의 결합이 방해되어 약해진다.

이 두 궤도함수 사이의 에너지 차를 예측할 수 있으며 이러한 분자궤도함수에 대한 계산은 수학적으로 매우 어려우나 컴퓨터를 이용하면 몇몇 큰 분자에 대한 파동방정식을 풀 수 있다. 이러한 계산에 의해 예측된 분자의 성질은 실험치와 잘 일치한다.

이성질현상

많은 원소들은 둘 이상의 공유결합을 할 수 있으나 그중 극소수만이 확장된 공유결합 사슬을 형성할 수 있다.

가장 대표적인 예로 탄소원자는 4개의 공유결합을 할 수 있고 다른 탄소와 무작위로 제한 없이 결합할 수가 있다. 또한 4개의 수소와 결합해 메테인(CH₄)을 만드는데, 그 구조는 정4면체로서 C-H 결합길이는 1.1×10^－10m이고 H-C-H 결합각은 109°에 가깝다. 2개의 탄소원자가 결합해 에테인 분자를 형성하며, 4개의 탄소원자가 결합해 n-뷰테인이라는 선형 분자와 가지친 구조를 갖는 아이소뷰테인의 2가지 구조가 존재한다.

이 두 분자를 구조이성질체(분자식은 같으나 구성 원자의 배열이 다른 물질)라고 하는데, 이들은 물리적·화학적 성질이 다른 화합물로 탄소의 수가 증가할수록 가능한 이성질체의 수도 많아지며 탄소가 수소 이외의 산소·질소·황 등과 결합할 경우 더욱 많아지게 된다. 또한 CHCl=CHCl처럼 이중결합으로 결합되어 있는 분자는 2개의 다른 기하이성질체를 형성한다. 또한 한 탄소원자에 4개의 서로 다른 작용기가 결합되어 있는 경우 서로 겹쳐지지 않는 거울상 관계에 있는 2개의 광학이성질체가 존재한다. 이들은 편광면을 회전시키는 성질(광회전성)만 다르며 다른 물리적·화학적 성질은 같다.

10개의 탄소원자로 이루어진 분자에는 총 2¹⁰=1,024개의 이성질체가 존재하며 광학이성질체도 가능하지만 천연 분자에는 오직 1가지 형태의 광학이성질체만이 존재한다.

화학변환 연구

기본인자

이온 결합과 공유결합으로 결합된 물질은 구조에 따라 이들의 기능이 다르다.

그러나 물질의 집합적 성질은 개개 원자·이온·분자의 상호작용에 따라 다르다. 물질이 고체·액체·기체 중 어떠한 상태로 존재할 것인가는 주어진 온도와 압력하에서 물질의 기본 단위체간의 인력에 의해 결정된다. 예를 들어 실온과 대기압하에서 Na^＋ 이온과 Cl^－ 이온 간의 강한 인력으로 인해 염화나트륨은 조밀한 고체 구조를 갖는다. 물은 이웃한 물분자들 사이의 인력이 약해 액체상태로 존재하며, 산소는 이웃한 산소분자 사이에 작용하는 인력이 매우 약해 기체로 존재하게 된다.

입자간 힘은 물질의 화학적·물리적 성질에 영향을 미치며 또한 다른 입자가 접근할 경우 반응하는 정도를 결정한다.

에너지와 열역학 제1법칙

에너지 개념은 모든 과학분야에서 잘 알려진 기본개념이다.

화학계는 운동 에너지와 퍼텐셜 에너지를 가질 수 있다. 운동 에너지는 열 에너지로 알려져 있는데, 액체는 많은 열 에너지를 갖고 있으면 부피가 팽창하므로 이 성질을 이용해 온도계로 계의 열 에너지나 온도를 측정할 수 있다. 모든 분자의 운동이 정지된 상태를 절대영도로 정의한다. 에너지는 또한 퍼텐셜 에너지로 원자와 분자에 저장되는데, 양성자와 중성자가 결합해 특정 원소의 원자핵을 형성할 경우 일정량의 질량손실이 있으며 이것은 등가의 운동 에너지로 전환된다.

이는 아인슈타인의 관계식(E=mc²)으로부터 계산할 수 있다. 계의 퍼텐셜 에너지가 감소할 때 대부분의 에너지는 열로 방출되며 종종 방사 에너지나 빛으로 발산되기도 한다. 또한 내연기관의 실린더에서는 연료의 연소에 의해 화학적 퍼텐셜 에너지가 운동 에너지로 전환되는데, 이 과정으로 에너지는 서로 다른 종류로 전환될 수 있지만 총량은 보존된다는 열역학 제1법칙을 알 수 있다.

엔트로피와 열역학 제2법칙

일부 화학반응은 실제 에너지의 변화 없이도 일어날 수 있다.

진공상태의 용기와 기체의 흐름을 방해하는 벽을 가진 장치에서 벽이 제거되면 기체는 가능한 부피를 채우기 위해 진공상태의 용기로 팽창하게 된다. 이 경우 두 용기의 온도가 같다면 팽창하기 전과 후의 에너지의 변화는 없다. 이 반응의 역반응은 일어나지 않으며 이러한 반응은 무질서가 증가하는 쪽으로 진행된다. 임의의 계의 무질서도를 나타내는 열역학적 양을 엔트로피라고 한다. 절대영도에서 모든 원자와 분자는 정지상태에 있으며 이러한 물질의 무질서도, 즉 엔트로피는 0이 된다(엔트로피가 절대영도에서 0이라는 정의를 열역학 제3법칙이라고 함). 절대영도 이상에서 모든 물질은 온도가 증가함에 따라 양(陽)의 엔트로피를 갖는데, 냉각되는 물체의 엔트로피는 감소하며 주위의 엔트로피는 증가한다.

이 때 주위 엔트로피의 증가는 냉각되는 물체의 엔트로피가 감소하는 양보다 크며, 이것은 모든 자발적인 반응에서 반응계와 주위의 엔트로피의 총합은 항상 증가한다는 열역학 제2법칙에 잘 맞는다. 즉 열역학 제1법칙과 제2법칙을 간단히 말하면 우주의 모든 화학변화 과정에서 에너지는 보존되며 엔트로피는 증가한다는 것이다.

반응속도

화학반응속도는 실험적으로 측정할 수 있으며, 반응물질의 농도, 온도, 활성화 에너지 등에 의존한다.

이는 주로 빠르게 움직이는 이 현상을 화학자들은 충돌이론으로 설명하는데, 두 분자가 충돌할 경우 그중 한 분자는 분자 사이의 결합을 끊을 수 있을 정도의 충분한 에너지를 얻을 수 있고, 이때 새로운 결합이 형성되므로 반응물질은 새로운 생성물로 전환된다는 것이다. 결합이 끊어지고 새로운 결합이 생기는 과정 중에 에너지가 가장 높은 상태를 전이상태(transition state)라고 한다.

전이상태와 반응물의 에너지의 차를 활성화 에너지(activation energy)라고 하며, 이것은 반응이 일어나기 위한 최소 에너지이다. 또한 온도가 증가함에 따라 분자의 운동 에너지가 증가하므로 반응속도는 증가한다. 현재 레이저와 컴퓨터를 이용하면 수명이 매우 짧은 충돌 생성물을 연구하고 화학반응의 메커니즘을 정확히 검출할 수 있다.

나아가 이러한 지식은 활성화 에너지를 낮추어 반응속도를 증가시키는 새로운 촉매개발에도 유용하다.

화학과 사회

20세기초 약 60여 년 간 많은 사람들에게 화학은 미래를 여는 과학이며, 화학물질은 사회를 풍요롭게 하는 무한한 가능성이 있는 것처럼 보였다. 그러나 그후 공공복지에 대한 관심이 커지면서 화학의 부정적인 면이 부각되었다. 즉 많은 부산물을 부적절하게 처리하여 환경문제가 야기되고 질병치료를 위해 약을 오용하여 화학적 지식의 추구나 응용은 그 장점보다 더 많은 위험을 내포한 것처럼 보였다. 하지만 화학물질의 혜택 없이는 현대문명이 있을 수 없다.

21세기에는 새로운 화학공정과 화학물질이 화석연료의 고갈에 따른 대체 에너지원을 제공할 것이다. 예를 들어 태양 에너지를 유용한 형태로 전환하기 위해서는 새로운 화학적 발견이 있어야 하며, 환경오염 문제를 해결하기 위해서도 화학에 관한 지식이 없으면 불가능하다. 따라서 화학의 연구는 천연·합성화학물질의 성질에 대한 보다 정확한 이해로 인류를 충족시킬 뿐만 아니라 환경문제를 해결하고 미래세대의 당면문제를 해결하며 이로움을 줄 수 있는 새로운 물질의 개발에 주력하게 될 것이다.

화학적 발달은 더 이상 경제성이나 유용성으로만 평가되어서는 안 된다. 새로운 화학제품은 대규모로 생산하기에 앞서 환경에 미치는 영향에 대한 평가가 우선되어야 한다. 실제로 최근에는 이러한 환경에 대한 적합성이 신물질의 가치척도의 기준이 되었다. 예를 들어 용매와 냉각제로 많이 사용되는 프레온(클로로플루오로카본)은 발견 당시 이 물질의 사용이 이상적인 것으로 평가되었다. 그러나 시간이 지남에 따라 이 화합물이 대기 상층부에 있는 오존을 파괴한다는 사실이 밝혀져 현재 프레온의 사용을 제한하고 있다.

하지만 이미 대기권에 퍼진 많은 양의 프레온은 회수할 수 없다. 따라서 화학자는 새로운 물질의 환경에 대한 영향평가 방법을 개발하는 데 노력해야 하며, 일단 해로운 것으로 판명되면 이 물질의 처리·중화 및 사용을 제한하거나 완전히 제거하는 것 등을 책임져야 할 의무가 있다. 이후로도 화학공정은 발전하고 많은 화학 생성물이 발견될 것이다. 또한 그중 일부는 불가피하게 그 환경에 미치는 해가 그 장점을 능가하는 것이 있을 수 있어 그 사용이 제한될 것이다. 그러나 전체적인 관점에서 볼 때 여전히 화학이 사회에 미치는 긍정적인 영향은 의심할 여지가 없다.