화학과 배우 마동석의 역학관계 증명식

 

서울대 화학부 김성근 교수는 화학 에 이미지를 배우 마동석 에 비유한다

사람들이 부지불식간에 화학을 다소 무섭게 생각한다는 거다

화아 카 면 먼저 합성을 떠올리고 서교 플라스틱 공예 오염 등 뭔가

위험하거나 해로운 걸 다루는 학문으로 여긴다

화학의 화 짜는 변화와 짜는데 불 박자로 착각하고 있는 건지도 모르겠다

혹은 대부분의 사람들이 이후 이 식적으로 변화 자체를 두려워 하는 걸까

예상할 수 없는 그래서 통제할 수 없는 미래를 두려워하는 건 어찌 보면 당연한 일이다

하지만 화학 은 그러한 미래의 변화를 이해하고 예측해서 인간에게 도움을 주려는 학문이다

두려워할 대상이 아니라 인류가 꼭 챙겨야 할 지 애 중 하나인 것이다

콱 은 변화의 학문 이라고 했다 자연의 변화를 예상하고 통제 하려면 먼저

그 변화의 내재된 법칙 썽 을 이해해야 하나

19세기부터 20세기 초까지 인류가 그 원리를 알아내는데 100년 남짓

걸렸고 우리는 이를 열역학 이라 부른다 그리고 이 열역학 을 지탱하는

양대 기둥이 바로 에너지와 엔트로피 다 에너지와 엔트로피 가 모든 변화의

주역이 다 그래서 세상은 에너지와 엔트로피 로 흘러간다

먼저 에너지 얘기로 시작해 보자

자연계의 모든 변화의 일차적 토니는 에너지다

상식적으로 생각해도 그렇다 어질러진 방 의 상태를 바꾸고 싶다면 힘을 써서 일을 해야 한다

그리고 에너지의 정의가 바로 일을 할 수 있는 능력이다

그래서 여러분이 에너지가 고발된 상태라면 분명 총수를 미룰 것이다

여러분 자신이 지금 에너지가 있는지 없는지를 느낄 수 있듯이 모든 물질은

그 내부에 크고 작은 에너지를 갖고 있다

에너지가 없으면 외부에서 이를 보충해야 일을 할 수 있다 또한 에너지는

물처럼 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐른다 물이 낮은 곳으로 떨어지면서

전기를 생산 하듯 에너지는 낮은 곳으로 흐르면서 그 차이에 해당하는

에너지로 다양한 일을 할 수 있다

여러분이 열심히 일을 하면 여러분은 높은 에너지 상태에서 낮은 상태로 변화한다

그럼 틀림없이 당이 떨어진다 고 느끼게 되고 에너지를 보충하고 싶어진다

물질의 이해를 들어보자 우리가 마시는 술

화학적으로 는 에탄올이 라 부르는 물질은 산수와 반응하면 이산화탄소와 물이 된다

그 반응에 에너지 변화를 표현하면 그림과 같다

이 그래프에서 y 축은 에너지의 크기를 나타내고 x 측은 왼쪽에서

오른쪽으로 진행하면서 반응 물이 생성물이 되는 과정을 나타낸다

이 경우 반응물의 에너지 합이 최종 생성물의 에너지 합보다 높은 것을 알 수 있다

에탄올과 산소가 가진 전체 에너지가 이산화탄소와 물을 합친 에너지 보다 크다는 얘기다

그 차의 만큼의 에너지가 열에너지로 방출되고 그래서 이를 발열 반응이

란나 이 반응은 에너지가 높은 곳에서 낮은 곳으로 향한 이 저절로 일어날 것 같은데 그렇지가 않다

그림에서처럼 반응 물이 생성 물로 바뀌는 과정에 넘어야할 에너지 장벽이 존재하기 때문이다

이를 활성화 에너지 라고 하는데 대부분의 물질이 하나의 원자로 존재하는

게 아니라 두 개 이상의 분자 상태로 존재하기 때문에 일어난다

새로운 물질을 만들어 내려면 원래 물질을 일단 좀 해야 하는데 여기에 에너지가 필요한 것이다

이것이 우리가 나무를 태울 때 처음에 불을 붙여 줘야 하는 이유다

불이라는 에너지로 활성화 에너지 에 해당하는 에너지 고개를 넘어 가게 해

주면 그 때부터 나무가 공기중의 산소와 반응해서 열을 방출하고 그

다음부터는 이 방출된 열이 나무의 지속적인 에너지를 공급해 주는 식이다

때 미 무너지면 근처 마을이 물 바다가 되듯이 활성화 에너지 라는 에너지

장벽이 없다면 세상은 순식간에 불바다가 될 것이다

불을 켜지 않아도 나무나 가스 등이 저절로 공기중의 산소와 결합해서 수

많은 에너지를 쏟아 낼 테니까

여러분이 술을 마실 때 술에 저절로 불이 붙는 라고 생각해 보라

술 속에 알코올이 산수와 반응에서 타지 않는 이유는 바로 이러한 활성화

에너지의 장벽 안에 갇혀 있기 때문이다

상황은 마치 높은 곳에 있는 문을 떼 미가 두고 있는 것과 같다

땜에 수문을 열면 떨어지는 물의 터빈을 돌리듯이 술을 마시면 알코올이

우리 몸에서 칼로리 펌프를 돌린다

고 다시피 에너지가 이 모든 변화의 주역이다 자연은 지혜로 없다

여기서 또 한 가지 주목해야 할 사실이 있다 이 반응에서 최종 생성물은

물과 이산화탄소 다 에너지가 낮은 안정한 상태 란 뜻이다

실제로 물과 이산화 탄소는 자연계에서 가장 안정한 물질에 속하며 좀처럼

다른 물질로 바뀌지 않는다

뉴만 먹어도 살찐다 라고 투덜 되는 사람이 있는데 과학적으로는 잘못된 얘기다

물은 다른 물질들을 용해시켜 서로 반응하게 좋은 상태로 만들 뿐 자신은

좀처럼 반응에 관여하지 않는다

이미 낮은 곳으로 흘러 버린 무리고 따라서 에너지를 생산할 여력이 없다

자신을 나서지 못하지만 다른 물질들의 만남을 적극 주선해 주는 것

이것이야말로 우리 몸이 물을 필요로 하는 이유다

물건은 달리 이상아 판세 안정성은 우리에게 나쁜 방향으로 작용한다

일단 만들어지고 나면 역시나 다른 물질로 바뀌기 어렵기 때문에 공기 속에

누적되어 지속적인 온실 가스로 담게 된다

따라서 물과 이산화탄소를 다른 무언가로 바꾸지 않으면 자연은 순환하지

않고 그대로 고여 있게 된다

하지만 이 어려운 일을 아주 손쉽게 해 내내 녀석들이 있다

바로 식물이다 식물의 광합성은 경이로운 방법으로 물과 이산화탄소를

포도당으로 바꾼다 그것도 거의 무제한의 공짜 에너지라고 할 수 있는 태양

에너지를 활용해서 말이다 결국 광합성 이란 에너지 적으로는 쓸모 없어진

물과 이산화탄소 를 활용해서 포도당 이라는 고에너지 연료를 만들어내는 과정이다

낮은 곳에 고여있던 쓸모없는 물을 높은 곳으로 끌어 올려 터빈을 돌리는 셈이라고 날까

사실 물자체 순환도 결국은 태양에너지가 물을 수증기로 퍼올려 비로 뿌려야

가능한 것이니 이 모든 활동의 근원에는 태양에너지가 있는 셈이다

광합성은 식물이 또 다른 방식으로 물과 이산화탄소를 퍼 올리는 놀라운

마법이다 광합성은 그 첫 단계에서 태양에너지를 이용해 물을 수소와 산소로 쪼갠다

태양의 빛 에너지를 이용한다고 해서 밝을 명 명 반응이다

이산화탄소를 에너지원으로 사용 하려면 탄소를 따로 떼어 내야 하는데 이 역할을 수소가 담당한다

물에서 분해 된 수소가 이산화탄소 로부터 산소를 떼어낸다 그러면 탄수 만

남게 되는데 탄소는 보통 흡연이나 다이아몬드처럼 고체 상태로 존재하기

때문에 몸 속에서 그대로 이용 하기는 힘들다 그래서 탄소를 물에 녹여 사용한다

즉 c h2o 의 형태가 되는데 탄수화물이 합쳐졌다 고 해서 이를 탄수화물이 라고 부른다

식물이 광합성 에서 합성하는 포도당은 탄수화물 중에서도 생명활동에 가장

기본적이고 필수적인 산물이다

우리를 포함한 많은 생명체는 포도당 속에 탄소를 창천 2 연소시켜 에너지를 얻는다

이는 정확히 광합성의 역과 정으로 호흡을 통해 받아들인 산소로 포도당

속에 탄소를 태워 다시 이산화탄소로 바꾼 나 포도당과 산소의 높은 화학적

에너지를 활용해서 에너지를 얻고 그 부산물로 이산화탄소와 물이 만들어지는 과정인 것이다

이 모든 과정을 요약하면 태양 에너지가 낮은 곳으로 흐르면서 포도당

이라는 화학적 에너지를 생산하고 이러한 화학적 에너지가 다시금 생명

활동에 필요한 다양한 에너지원으로 바뀌는 것이다

에너지가 광합성과 호흡 이라는 놀라운 메커니즘을 통해 자연을 가장

아름다운 순환의 바퀴 중 하나를 불리고 있는 셈이다

차 여는 오묘하다 요즘 수소 경제 란 말을 많이 듣는다 에너지원으로 탄소 대신 수소를 사용하자는 얘기다

수분은 탄소 보다 단위 질량 당 훨씬 많은 에너지를 낸다

게다가 수소를 태우면 부산물로 물이 나오니 화석연료에 의한 온실효과 문제도 해결할 수 있다

하지만 우리 주위에는 순수한 수소가 없고 3화 된 형태의 수소 즉 상하이

수소 많이 있다는 게 문제다

이러한 산 y 수소를 분해 해서 수소를 얻으려면 어차피 다른 형태의 에너지가 또 필요해진다

이런 방식이라면 결국 화석 연료나 원자력 등의 의존해야 하기 때문에 엄밀한 의미에서 청정에너지 라 할 수 없다

진정한 의미의 수소 경제가 가능하려면 식물처럼 태양광으로 물을 분해 할 수 있어야 한다

방금 소개한 과학성 의 첫 단계인 명 반응을 인공적으로 구현할 수 만

있다면 물을 분해해서 생산된 수소를 바로 연료로 활용할 수 있을 것이다

여기서 잠깐 애당초 신문은 왜 중간 상무 린 수소나 탄소를 직접

에너지원으로 사용하지 않고 번거롭게 포도당을 만들어 사용하는 걸까

첫번째 원인은 그것이 수소 된 탄소 등 산소와 반응하면 순식간에 에너지를 방출해 버리기 때문이다

생명 현상은 더디게 진행되는 과정이라 서 돈을 저축하는 에너지를 저장해

놓고 조금씩 꺼내 쓰는 매커니즘이 꼭 필요한데 그 출발이 포도당 인 것이다

두번째는 수소는 워낙 가벼운 기체 라 저장 하기 어렵고 탄소는 고체 라서

몸속에서 일어나는 다양한 화학 반응의 사용하기 불편하기 때문이다

그래서 앞서 얘기한대로 탄소를 물에 녹인 탄수화물 형태로 사용하는 것이다

포도당 애 화학식 은 이렇다 6개의 탄소가 6개의 물분자의 녹아 있는 형태인 것이다

하지만 우리 인간은 수소를 저장할 수 있고 따라서 바로 연료로 활용할 수 있다

물론 가벼운 수소를 저장하려면 많은 공간이 필요하기 때문에 효율적 방법을 개발하는 것이 중요하다

하지만 우리의 초미의 관심은 식물의 엽록소 처럼 태양 에너지를 이용해서

물을 수소와 산소로 분해할 수 있는 이 아니라 빛으로 물을 분해하는

것이니까 사실 광분해 라고 불러야 마땅하지만 식물

광합성을 모방했다 고 해서 인공 광합성 이다

인공 광합성 은 현대 과학의 당면한 가장 중요한 난제 중 하나라고 할 수 있다

에너지와 관련해서 또 하나의 재미있는 예를 들어보자

다이아몬드는 흑 0 보다 훨씬 단단하지만 에너지 면에서는 불안정하다

다이아몬드가 흑인 보다 에너지가 높은 상태란 얘기다

아까 에너지는 낮은 곳으로 흐른다 고 했다 따라서 가만히 두면

다이아몬드는 흑연 으로 바뀐다

뭐 다이아몬드가 흑연 로 바뀐다고 손가락의 있는 다이아몬드 반지가 영 프

핵심으로 바뀐다고 그렇다

다만 앞서 얘기한 에너지 장벽 때문에 바뀌는데 엄청 오랜 시간이 걸릴 뿐이다

여러분의 소중한 결혼반지를 척은 하지 않아도 된다

하지만 물질의 변화 중에는 에너지 만으로는 설명할 수 없는 현상이 있다

에너지는 전혀 바뀌지 않았는데 변하는 게 있는 것이다

물에 잉크를 한방울 떨어뜨리고 가만히 지켜 보자

여기에 에너지 출입은 전혀 없다 그런데도 잉크 방울은 퍼져나간다 저도 마찬가지다

가만히 내버려둬도 향기 분자가 공기 중으로 퍼져 나간다

여러분은 단 한 번이라도 퍼져나간 잉크가 다시 한 번 물로 모이고 향기

분자가 다시 병 속으로 들어가는 걸 본 적이 있는가

2종의 서로 다른 기체를 그림처럼 분리시켰다 가 가운데 칸막이를

제거했다고 해보자

입자들은 제모 때로 섞인다 여러분도 이게 너무나 자연스럽다 고 생각한다

이처럼 에너지 출입이 없는데도 한쪽 방향으로 변화가 진행되는 것을

설명하는 개념이 엔트로피 다 열역학의 창시자라고 할 수 있는 클라우디우스

가 1865년 에너지 라는 단어와 라틴어로 변화를 나타내는 트로 페 를

합성해서 만든 단어라고 한다

에너지를 지배하는 키워드가 안정 이라면 엔트로피는 자유다 잉크나 기체

분자들은 한 곳에 있으려 하지 않고 자유롭게 돌아 다니기를 좋아한다

클라우 제우스는 엔트로피를 열이 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 흐르고 그

역은 발생하지 않는 것으로 이해했다

철저히 열역학적 인 관점에서 바라본 것이다

이러한 초창기 엔트로피의 개념을 확장시켜 백미 란 이론으로 정립한

과학자가 바로 통계 역학의 창시 잘할 수 있는 볼츠만 이다

골치 많은 엔트로피를 통계적으로 다시 말해 확률적 으로 해석한다

즉 입자들이 가질 수 있는 각 상태에 경우의 수로 이해하는 것이다

아까 에 예시에서 1l 용기 에 2종류 기체를 섞었을 때 서로 섞이지

않고 같은 종류 끼 레이스 확률을 계산해 보자

입자 나는 각각의 왼쪽이나 오른쪽에 있을 수 있다

따라서 입자 1 의 경우의 수는 두 가지 다 입자가 2개면 2 곱하기

4가지 입자가 새기면 2 의 세제곱 8가지 등이 된다

따라서 모든 경우의 수는 이렇다

1리터의 있는 기체 분자 에게 쓰는 대략 3 곱하기 10의 22 제구

깨고 두 종류의 개체가 정확히 분리되는 경우는 그 중 딱 한 가지 뿐이다

따라서 확률은 대충 다음과 같고

이건 사실상 0 과 다름없는 숫자가

이 숫자가 얼마나 작은지 실감하기 위해 유명한 예를 하나 더 들어보자

무한 원숭이 정리 라 원숭이가 컴퓨터에 자판 100개를 임의로 쳐서 멍키

라는 단어가 만들어질 확률은 얼마나 될까

100분의 1에 확률이 6번 반복되어 야하니 백의 6제 9분의 1 11

즉 1조 분의 1이다 1종 아리온 순위가 아무렇게나 자판을 두들기면 그

중에 한 마리 정도가 몽키 라는 글자를 친다 는 뜻이다

무한 원숭이 정리 의 원본은 원숭이가 아무렇게나 자판을 두들겨서

셰익스피어 의 햄릿을 완벽하게 재현해 내는 확률을 말한다

하지만 우리는 여기서 한 걸음 더 나아가 보자

지구상에 성인 인구 50억 명의 평균적으로 각각 성 권의 책을 갖고 있고

각 책이 환경 천 쪽 각 쪽은 평균 참게 음소 로 되어 있다고 하자

원숭이 한 마리가 자판을 마구 두들겨서 지구상에 이 모든 책을 완벽하게

채워 난 확률은 얼마일까

먼저 키를 몇 번 두들겨 야 하는지 를 계산해 보자 다음과 같다

따라서 아까와 마찬가지로 확률은 다음과 같다

이 숫자를 아까이 1리터 기체가 반으로 갈리는 확률 과 비교해 보자

대충 과도 이 두 수치는 피스 타고 사실상 명이다

우리의 최종 쩍 대답은 다음과 같다 이런 일이 일어날 확률이 존재 하는가

그렇다 그렇다면 이런 일이 실제로 일어나는가 안 절대 일어나지 않는다

현실의 입자를 다룰 때는 그냥 무수히 많다고 생각하면 된다

따라서 두 기체가 양쪽으로 갈리는 일은 결코 발생하지 않는다

이 짤을 하나 하나는 분명 무장이 적이고 방향성이 없지만 입자들이 무수히

많이 모이면 갑자기 어떤 형태와 방향성을 갖게 되는 것이다

물론 앞의 예에서 입자가 딱 반으로 관리 확률은 어마 어마 어마 어마

어마하게 작지만 분명 존재한다 프랑스의 위대한 수학자 푸앵카레 는 이러한

황윤희 반드시 실현된다는 걸 수학적으로 증명했다

이를 회계 정리 라고 하는데 어떤 개는 반드시 언젠가는 원래 상태로 회기

한다는게 그 요지다 사실 볼츠만 도 이를 인정했다

하지만 볼 치만 의 엔트로피 이온과 회기 정리가 모순되는 것은 결코 아니다

시간의 척도가 다를 뿐이다 예를 들어 1cm 세제곱 의 아주 작은 공간에

기체 입자들을 생각해보자

이 기체 입자들이 어떤 초기 상태에서 출발해서 그와 동일한 상태로 회귀

하기까지 걸리는 시간을 계산해 보면 대충 임원 금이 컬리 나아

참고적으로 우주의 나이는 138억 년

즉 일정 선 8 곱하기 10의 실제 공연 정도이다

이건 차이가 나도 너무 간다라 다시 말해 우리 우주에서 이런 일은 결단코 일어나지 않는다

게 당할 1cm 세제 굽의 입자가 이 정도의 시간이라면 더 큰 개의 경우

는 말에 못하겠는가 무안을 생각하면 가능하지만 현실적으로는 불가능한 사건인 것이다

이처럼 아주 작은 세계와 큰 세계 는 동일한 물리 법칙이 적용되어 씀

에도 불구하고 전혀 다른 모습을 띤다 그리고 그 본질은 자연의 확률적 속성 즉

엔트로피와 관련되어 있다 당시의 과학자들은 이를 인정하지 않으려 했는데

그로부터 20여년이 지난 후 양자역학에서 자연애 근원적 속성이 확률 적

이라는 사실이 밝혀졌을 때도 수많은 뛰어난 과학자 들이 반대했던 것을 보면 충분히 납득이 간다

은연중에 과학의 절대성 을 신봉하는 과학자들에게 확률이란 뭔가 사이비 같은 느낌을 주는 모양이다

그중에서도 아인슈타인의 일화는 유명하다 신은주 성이 놀이를 하지 않는다

하지만 19세기에 통계 역학과 20세기의 양자역학이 시사하는 바는 분명하다

신은 주사위 놀이를 즐긴다

하지만 여기서 한가지 주의할 게 있다 우주적 엔트로피가 증가한다 고 해서

엔트로피가 감수할 수 없다는 얘기는 아니다

왼쪽으로는 에너지를 소비해서 엔트로피가 감소하는 개가 있을 수 있다

물론 주변까지 생각하면 전체 엔트로피는 당연히 증가한다

부분적 질서에 는 반드시 전체의 희생이 따른다

냉장고를 열어 두면 왜 부엌 전체가 차가워 지지 않을까

그건 냉장고가 내부의 온도를 낮춰 엔트로피를 감소하는 만큼 냉장고 주변에

엔트로피를 상승시키기 때문이다

그리고 그러한 게 중 하나가 바로 여러분 자신이다

우주의 입자들이 무작위적으로 떠들다 여러분과 같은 상태로 결합할 확률은 사실상 0이다

하지만 생명체는 밖에 에너지를 끌어다 가 이처럼 놀라운 질서를 만들어낸다

자 이처럼 자연의 변화를 관장하는 열려 카게 두 가지 중요한 원칙은

에너지와 엔트로피 다 에너지는 흘렀 아니지만 그 총량은 보존된다

엔트로피는 우주적 으로 반드시 증가한다

여러분이 해외여행을 하면서 환전을 해도 화폐의 가치 종양은 유지된다

이때 엔트로피는 환전 시 발생하는 수수료 라고 할 수 있다

그래서 여러분이 실제로 쓸 수 있는 돈은 총액에서 수수료를 뺀 나머지

액수가 될 것이다

10 역학 에서는 이를 깁스 자유 에너지 라고 하는데 엔트로피 증가의

의해 쓸데 없어 진 에너지를 빼고 자유롭게 사용할 수 있는 에너지를 말한다

자연에서 일어 쓸데없는 에너지는 모두가 열에너지의 형태를 갖는다

열에너지 는 입자 형태로 너무나 많은 곳으로 흩어져 있기 때문에 주어

담을 수 없는 쓰레기가 되어 우주로 날아가 버린 것이다

처음으로 돌아가 보자 김성은 교수는 화학을 마동석 에 비유하고 사람들이

화학을 다소 무서워 한다고 했다

하지만 에너지와 엔트로피 라는 측면에서만 봐도 화학 은 인류 문명을

일으킨 일등공신이다 철기 문명을 보자

철괴 문명은 선화 철이라는 다소 안정한 분자를 열을 이용해서 철과 산소로

분리하는 과정에서 탄생했다

증기 기관이나 석유 악 으로 대표되는 산업혁명 도 모두 에너지와 엔트로피

의 원리 를 활용해서 에너지를 뽑아 내고 새로운 물질을 합성하는 과정에서 촉발됐다

과학의 발전으로 우주와 자연을 더 잘 이해하게 된 것은 덤이다

이처럼 조금만 들여다봐도 화학 은 결코 무서운 존재가 아니다

배우 마동석은 피지컬이 무서워 보일 뿐 실제 영화에서는 대부분 정의를

지키는 마음씨 좋고 힘센 아저씨 로 등장한다

심지어 귀엽기까지 하다 그렇다

이 모든 의미에서 화학 은 진짜 마동석 이다