교과서에서 뛰쳐나온 진짜 화학 이야기!
화학을 아는 것은 곧
더 나은 일상을 만드는 일로 이어집니다.

우리는 화학물질의 ‘법칙과 원리’에 따라 움직이며, 하루하루 화학의 힘을 빌려 살고 있다고 해도 과언이 아닐 것이다. 지금도 많은 기업이 화학의 힘인 법칙과 원리를 이용하여 다양한 제품을 제조하는데 힘을 쏟고 있다. 우리가 살아가는 데 필요한 화학 지식은 무엇인지, 어떤 제품이 어느 화학의 법칙과 원리를 바탕으로 만들어졌는지, 화학이 우리의 일상을 풍요롭게 하는 데 얼마나 기여했는지 등을 이 책을 통해 한눈에 확인할 수 있을 것이다.
교과서에서 뛰쳐나온 진짜 화학 이야기!
화학을 아는 것은 곧
더 나은 일상을 만드는 일로 이어집니다.

우리는 화학물질의 ‘법칙과 원리’에 따라 움직이며, 하루하루 화학의 힘을 빌려 살고 있다고 해도 과언이 아닐 것이다. 지금도 많은 기업이 화학의 힘인 법칙과 원리를 이용하여 다양한 제품을 제조하는데 힘을 쏟고 있다. 우리가 살아가는 데 필요한 화학 지식은 무엇인지, 어떤 제품이 어느 화학의 법칙과 원리를 바탕으로 만들어졌는지, 화학이 우리의 일상을 풍요롭게 하는 데 얼마나 기여했는지 등을 이 책을 통해 한눈에 확인할 수 있을 것이다.

화학자의 시선으로 바라본
우리의 일상 속 화학 들여다보기
과학은 어느 분야든 법칙과 원리로 성립되어 있습니다. 그것은 화학도 마찬가지인데, 이 법칙과 원리가 우리의 일상생활 속에 ‘살아 있다’는 것이 특징입니다. ‘살아 있다’는 것은 법칙과 원리에 따라 분자가 만들어지고, 움직이고, 반응하고, 나아가 새로운 분자가 탄생하고, 그것이 우리의 신체를 만들고, 생활을 편리하고 풍요롭게 만들어준다는 뜻입니다.
‘법칙’이라고 하면 우리는 대개 교과서에 쓰여 있는 것, 실생활과 동떨어진 것이라고 생각합니다. 하지만 결코 그렇지 않습니다. 이러한 법칙과 원리는 실제로도 일상생활에 널리 이용되고 있습니다. 예를 들어, 집을 지을 때 사용하는 목재, 철재, 콘크리트 같은 모든 건축 재료는 화학의 영역에 속하고 화학적 연구지식을 통해 진화하고 발전해왔습니다.
또한 우리가 살아가는 데 있어 필수 식재료인 농작물은 자연의 힘만으로 재배해서는 지구상의 70억 인구를 먹여 살릴 수 없습니다. 현재 이 인구가 어떻게든 살아가고 있는 이유는 하버-보슈법을 이용해 만든 화학비료와 농약 덕분이라고 말해도 과언이 아닙니다. 인간을 굶주림에서 구제한 은인과도 같습니다.
다치거나 병에 걸렸을 때 통증과 괴로움에서 벗어나게 해주는 것 역시 신을 향한 기도나 주문이 아닙니다. 공장에서 만든 의약품입니다. 의약품은 화학의 연구 결과물 그 자체입니다.
산업혁명 이후, 원료를 공급하는 1차 산업이 모든 산업의 근간이 되는 시대는 지났습니다. 이제는 원료를 가공하여 부가가치를 더하는 산업이 중요해졌습니다. ‘원료’라는 물질을 변화시켜 더욱 가치 높은 ‘제품’으로 변모시키는 기술을 자유자재로 제어하는 것은 화학의 힘이 아니고서는 불가능합니다.
게다가 ‘산업의 비타민’으로 불리는 레어메탈(rare metal, 희소금속)과 레어어스(rare earth, 희토류)는 현재 고성능 자석(모터), LED TV와 OLED 패널, 태양전지 투명전극, 초강인·초경량 철판을 비롯해 발광체, 레이저 발진장치 등 기업들의 최첨단 제품제조에 기여하며 생활의 질 향상에 공헌하고 있습니다. 정말이지 인류는 “화학 덕분에 살고 있구나!” 하고 말할 수 있을 겁니다.
이 책에는 우리가 살아가는 데 필요한 화학 지식은 무엇인지, 어떤 제품이 어느 화학의 법칙과 원리를 바탕으로 만들어졌는지, 화학이 우리의 일상을 풍요롭게 하는 데 얼마나 기여했는지 등이 차곡차곡 담겨 있습니다. 화학의 법칙이나 원리와 같은 과학적 기초 지식 또한 책 곳곳에 적혀 있어 어떤 사전 지식 없이도 술술 읽어나갈 수 있습니다.

PART 1 우리의 일상에 숨어 있는 화학
세상에는 매우 많은 종류의 화학물질이 있습니다. 그런데 이들 물질을 하나하나 개별적으로 알고 이해하기란 불가능에 가깝습니다. 이럴 때 비슷한 화학물질의 성질과 반응을 간단한 표현으로 정리하면 이해가 쉽습니다. 이것이 바로 ‘법칙’과 ‘원리’입니다. 이 장에서는 이러한 법칙과 원리들의 개념 설명으로 그치지 않고 일상에서 어떠한 방식으로 쓰이고 있는지 하나씩 살펴봅니다.
인류를 식량난에서 구해낸 화학 법칙 ‘하버-보슈법’, 그리고 이 법칙에 숨어 있는 또 하나의 공로자 ‘르 샤틀리에의 원리’, 고속열차를 움직이는 ‘초전도’ 상태의 비밀, 비닐봉투부터 천연가스까지 쓰이고 있는 ‘공유결합’의 원리, 수돗물보다 된장국이 끓을 때 더 뜨거운 이유를 밝혀줄 ‘증기압과 끓는점 상승’의 원리, ‘몰’을 통해 배우는 기체의 무게, 탄산음료의 뚜껑을 열면 나오는 기포로 알 수 있는 ‘헨리의 법칙’까지, 일상 속 화학 법칙과 원리들을 통해 화학에 한 걸음 더 친숙하게 다가갈 수 있을 것입니다.

PART 2 우리의 기술을 키운 화학
우리나라처럼 자원 보유량이 적은 나라에서는 이를 효율적으로 활용하고자 자원에 되도록 높은 부가가치를 덧붙여 전 세계로 공급하고 있습니다. 이렇게 산업 전반에서 널리 이용되고 있는 화학의 법칙과 원리를 살펴봅니다.
태양의 빛을 전기로 바꾸는 ‘광전효과’로 만드는 태양전지, LCD TV의 요체인 ‘아몰퍼스와 액정’의 원리와 쓰임새, LED와 OLED TV를 밝히는 ‘자기발광’의 원리, 산소와 수소로 물과 전기를 공급받을 수 있게 한 아폴로 13호에도 응용된 ‘전기분해’의 작동 방식 등 첨단 산업 분야에서 화학이 어떤 활약을 펼치고 있는지 실제 쓰임들을 확인할 수 있습니다.

PART 3 화학으로 알아보는 자연현상
평소 우리가 별 생각 없이 마주하는 구름과 비 같은 자연현상도 기체·액체·고체라는 다양한 화학적 성질을 배우면 더 폭넓게 이해할 수 있습니다. 이 장에서는 과포화·과냉각 상태, 보일-샤를의 법칙, 아보가드로의 법칙 등 화학적 지식을 통해 자연현상을 살펴봅니다.
우리가 해롭다고 알고 있는 산성비는 과연 어느 정도의 산성을 가진 걸까? 구름과 비가 내리는 메커니즘에 작용하는 과포화상태는 어떻게 만들어지는 걸까? 천연가스를 운반할 때 부피를 줄이기 위해 액화 상태로 바꿀 때 적용하는 ‘보일-샤를의 법칙’은 어떤 원리일까? 이 같은 질문들의 대답을 하나씩 찾아가며 교과서에서 배웠던 화학 법칙들을 다시 한 번 떠올릴 수 있을 것입니다.

PART 4 우리를 살리는 화학 - 의료·생명·환경
우리의 건강 상태와 화학은 긴밀한 연결고리를 가지고 있습니다. 특히 의료와 환경 문제는 화학의 독무대라고 해도 과언이 아닙니다.
생명체가 유기물이 아닌 무기물에서도 생겨날 수 있음을 증명한 ‘밀러의 실험’, 물고기가 바다에서 살 수 있는 이유인 삼투압 현상에서 찾아낸 ‘반트호프의 법칙’과 이를 이용해 인공투석에 쓰이는 ‘반투막’의 작용 원리, 우리의 신체를 구성하는 ‘천연 고분자’에서부터 사막 녹지화에 큰 도움을 주는 고흡수성 ‘기능성 고분자’에 이르기까지, 우리의 생명과 연관된 여러 흥미로운 이야기들이 펼쳐집니다.

PART 5 원소를 알면 화학에 강해진다
화학은 ‘분자의 과학’ 또는 ‘전자의 과학’이라고 일컫습니다. 분자와 전자는 ‘원소’라는 형태로 나타납니다. 때문에 화학을 잘 이해하고 배울 수 있는 지름길 중 하나는 원소의 성질과 반응성을 명확히 이해하는 것에서 시작됩니다.
먼저, 각각의 원소가 우리 일상에서 어떻게 활약하고 있는지를 알 수 있는 가장 쉬운 방법인 주기율표를 이해하는 방법에서부터 시작해, 주기율표의 같은 족 원소들을 한데 묶어 공통된 성질을 바탕으로 원소들의 특징을 보다 쉽게 설명합니다. 아름다운 귀금속으로 애용되면서 동시에 각종 산업 현장에서 빼놓을 수 없는 금속인 ‘백금족’ 원소, 가볍고 강한 성질 덕택에 시대의 총아가 된 ‘경금속’, 오늘날 과학 산업 현장에서 빼놓을 수 없는 아주 귀한 전략원소가 된 ‘레어메탈’에 이르기까지 원소의 다양한 쓰임새를 한눈에 살필 수 있습니다.

추천사

온통 ‘물질’로 이루어진 이 세계에서, 화학은 그 ‘물질’의 비밀을 밝혀내는 열쇠와도 같습니다.
화학이라는 창문으로 들여다본 이 세계는, 조그마한 입자들이 꼼지락거리며 서로 다가갔다 밀쳐내며 변화하는 일이 천지사방에서 일어나는 기묘한 곳일 겁니다. 이 책을 통해 화학이란 안경을 쓰고 세상을 둘러보세요. 세상 곳곳에 숨어 있는 화학의 원리와 물질의 규칙을 발견하는 재미를 느껴보시길 바랍니다.
_백신고 과학교사 김대훈

지금껏 어렵게만 느껴졌던 교과서 속 화학이 지금 우리의 생활과 절대 무관하지 않음을 보여주는 책입니다. 특히 화학적 이론이나 법칙을 복잡한 식이나 계산보다는 생활 속에서 접할 수 있는 상황을 예로 들어 설명하고 있어, 기초 지식 없이도 누구나 쉽게 화학을 이해할 수 있는 시간이 될 것입니다.
_운정고 과학교사 도승희

이 책은 여러분이 배웠던 고등학교 화학 교과서와는 매우 다릅니다. 하지만 그 점이 바로 장점이자 가장 큰 매력이 아닐까 싶습니다. 이 책을 통해 화학이 우리 생활에 얼마나 깊숙이 들어와 있는지, 어떤 영향을 끼치며 도움을 주고 있는지 실감하리라 자신합니다.
들어가며 | 당신의 가슴을 두근거리게 할 화학의 세계로 초대합니다 7쪽

화학은 기본적으로 ‘물질’을 다룹니다. 당연히 물질의 범주는 지구뿐 아니라 우주에 존재하는 것까지 포함됩니다. 지금으로부터 138억 년 전, ‘빅뱅’이라는 대폭발 이후 우주는 빛보다 빠른 속도로 급팽창이 일어났습니다. 이로 인해 만들어진 물질 또한 머나먼 곳까지 확산되었습니다. (중략)
여기서 물질의 특징(물성)과 반응은 비교적 단순한 상호작용으로 생각할 수 있습니다. 이 상호작용을 설명하는 것이 바로 ‘법칙’입니다. 어느 물질이 어떤 특징을 지니고 있고 어떤 반응을 일으키는지 혹은 일으키지 않는지 등은 법칙과 원리를 알면 저절로 이해가 됩니다. 그래서 ‘법칙과 원리를 공부하면 화학이 보이는’ 것이지요.
PART 0 왜 법칙을 배우면 ‘화학’이 보일까? 13쪽


공유결합을 원자 간의 악수라고 상상해보면 어떨까요? 원소끼리 연결한 선, 즉 악수하는 손을 화학에서는 ‘원자가’ 라고 부릅니다. 사람들은 대개 한쪽 손을 내밀어 악수하지만, 그간 쌓인 정이 두터울 때는 양손을 내밀어 이중으로 악수하기도 합니다.
원자의 악수도 비슷합니다. 다만 다른 점은 원자에 따라 ‘원자가’가 다르다는 것입니다. 수소는 원자가가 1이기 때문에 악수를 한 손으로밖에 할 수 없습니다. 산소는 원자가가 2이기 때문에 2개의 손으로 같은 상대의 손을 꽉 잡거나 각기 다른 원자 2개와 동시에 악수를 할 수도 있습니다. 손이 2개인 산소와 1개인 수소가 결합할 때는 수소 2개(H2), 산소 1개(O)로 묶일 수밖에 없지요. 이것이 물(H2O)입니다.
PART 1 우리의 일상에 숨어 있는 화학 37쪽

‘높은 산에서 밥을 지으면 설익어서 맛이 없어. 압력솥으로 하면 맛있어지는데. 양쪽 모두 똑같이 물이 끓고 있는데 왜 이런 차이가 생기는 걸까? 아이스 스케이팅 선수가 윤활제도 없이 빙상 위를 부드럽게 미끄러지는 것은 어째서일까? 동결 건조도 생각해보면 참 신기하지…….’ 이 현상들은 얼핏 보기에는 공통점이 없어 보입니다. 하지만 이면에는 모두 ‘온도와 압력의 마술’이 숨어 있습니다. 하나씩 살펴보기 전에, 우선 압력을 달리해서 물을 끓이면 어떻게 되는지부터 알아볼까요?
PART 2 우리의 기술을 키운 화학 062쪽

‘산성비는 해롭다’는 생각에 다들 동감할 겁니다. 그런데 산성비가 우리에게 어떤 피해를 주는지 구체적으로 알고 있나요? 산성비가 무엇인지그 정체만 알면 됐지 굳이 산성비가 주는 피해 규모의 정보까지 구체적 으로 알아서 무슨 도움이 되냐고 생각할지도 모르겠습니다. 하지만 이런 정보는 호수와 습지의 피해 대책, 도로 콘크리트 검사 및 대책 등을 세우는 데 큰 힘을 발휘합니다. 아는 것이 힘입니다.
PART 3 화학으로 알아보는 자연현상 104쪽

신선하고 아삭한 배추 같은 채소에 소금을 뿌리면 절여져서 축 늘어집니다. 그야말로 풀이 죽는 것이지요. 채소의 세포막은 ‘반투막’이라는 구조로 되어 있어, 어떤 분자는 통과하지만 어떤 분자는 통과하지 못합니다. 물은 통과하지만 소금 등의 이온류는 통과하지 못합니다. 따라서 세포 내의 수분이 소금 때문에 밖으로 배출된 결과 배추가 절여지는 것입니다.
생선(담수어, 해수어)을 보관할 때도 이 방법을 씁니다. 이 방법 때문에 화학 분야에서도 알려지지 않았던 분자의 분자량을 결정하는 큰 업적을 달성할 수 있었습니다. 이 방법은 과연 어떤 화학적 메커니즘을 이용한 것일까요?

분자막은 매우 근본적인 부분이라서 특히 의료 관련 분야에 활용되는 경우가 많습니다. DDS(Drug Delivery System, 약물 전달 시스템) 등에도 활용되고 있지요.
DDS는 ‘의약품의 체내 택배편’과 같은 것입니다. 예를 들어 항암제에는 건강한 세포까지 공격하는 부작용이 있습니다. 이런 일이 발생하지 않도록 암 세포만을 겨냥하여 항암제를 투여하도록 하는 것이 DDS를 활용할 수 있는 사례입니다.
분자막을 활용한 DDS는 우선 베시클 안에 항암제를 주입·봉인한 뒤 베시클의 분자막에 암세포의 암 단백질 등을 심습니다. 그러면 암 단백질이 안테나 역할을 하면서 DDS 베시클을 암세포 쪽으로 유도하는 원리입니다.
PART 4 화학이 우리를 살렸다 _의료·생명·환경 153쪽

귀금속은 의약품 분야에서도 활동 영역을 넓히고 있습니다. 자가면역 질환인 류머티즘에는 지금까지 효과가 있는 약이 없었습니다. 그런 가운데 개발된 것이 ‘금티오말산 나트륨’이라는 항류머티즘 약입니다. 이름 그대로 금 화합물이지요. 면역반응을 주관하는 면역세포의 작용을 떨어뜨리는데, 자세한 작용 메커니즘은 밝혀지지 않았습니다.
항암제로는 상품명 ‘카보플라틴’ 등에서 백금 제제가 사용됩니다. 이 약은 이중나선을 구성하는 DNA에 작용하여 두 개의 DNA 분자 체인에 걸친 모양으로 가교구조(고분자를 연결해 물리적·화학적 성질을 변화시키는 구조)를 만듭니다. 그러면 DNA는 분열·복제가 불가능해지므로 암세포의 분열·증식도 불가능해져 암 치료에 효과가 있습니다.
귀금속은 아름다움뿐만 아니라 이제 산업 현장, 나아가서는 의료 현장까지 진출하며 우리의 삶에 크게 공헌하고 있습니다.
PART 5 원소를 알면 화학에 강해진다 173쪽

들어가며 | 당신의 가슴을 두근거리게 할 화학의 세계로 초대합니다

PART 0 왜 법칙을 배우면 ‘화학’이 보일까?

PART 1 우리의 일상에 숨어 있는 화학
01 70억 명을 먹여 살리는 힘 ‘하버-보슈법’
02 평형상태의 대표선수 ‘르 샤틀리에의 원리’
03 ‘초전도’가 고속열차를 움직인다!
04 쇼핑봉투의 메커니즘, ‘공유결합’
05 ‘증기압과 끓는점 상승’ _된장국물에 입은 화상이 더 무섭다?
06 ‘몰’을 알면 가스 누출에도 당황하지 않는다
07 ‘헨리의 법칙’ _콜라 뚜껑을 열면 왜 기포가 나올까?
칼럼 | 힌덴부르크 호와 수소가스

PART 2 우리의 기술을 키운 화학
01 태양의 빛을 전기로 바꾸는 ‘광전효과’
02 ‘물질의 세 가지 상태’ _물은 왜 위에서 아래로 흐르는 걸까?
03 ‘비결정과 액정’ _LCD TV의 요체
04 LED와 OLED가 빛나는 ‘자기발광의 원리’
05 일본 검 제작에 활용되는 ‘산화·환원’
06 ‘이온화 경향’으로 레몬이 전지가 되다
07 아폴로 13호에도 응용된 ‘전기분해’
08 화학반응의 가속장치 ‘촉매’
칼럼 | 염기와 알칼리는 같은 뜻?

PART 3 화학으로 알아보는 자연현상
01 ‘농도’ _1ℓ+1ℓ가 꼭 2ℓ는 아니라고?
02 ‘산성·염기성’ _pH값 몇부터 산성비인 걸까?
03 구름과 비를 발생시키는 ‘과포화 상태’
04 천연가스 운반에 효과적인 ‘보일-샤를의 법칙’
05 ‘이상기체와 실제기체’ _보일-샤를의 법칙(번외편)
06 ‘아보가드로의 법칙’ _바다에 버린 물 한 잔, 1억 년 후엔?
칼럼 | 연대측정은 화학의 힘

PART 4 화학이 우리를 살렸다 _의료·생명·환경
01 ‘밀러의 실험’ _생명은 무기물에서 생겨난다?
02 ‘삼투압’ _물고기가 바다에서 살 수 있는 이유
03 인공투석을 가능케 하는 ‘반투막’
04 우리의 신체를 구성하는 ‘천연 고분자’
05 사막 녹지화에 이용하는 ‘기능성 고분자’
06 ‘분자 간 힘’이 생명을 만든다
07 체내 화학공장을 제어하는 ‘효소’
칼럼 | ‘선조들의 지혜’는 화학의 지혜

PART 5 원소를 알면 화학에 강해진다
01 ‘주기율’로 알아보는 원소의 성질
02 악마의 얼굴을 가진 ‘식물의 3대 영양소’
03 미와 재능을 겸비한 ‘백금족’
04 ‘가볍다+강하다’로 시대의 총아가 된 ‘경금속’
05 오늘날 귀한 전략원소가 된 ‘레어메탈’
칼럼 | 러일전쟁 승리의 비밀, 피크르산