물의 성질부터 생명의 탄생까지,

물 한 방울로 말끔하게 이해하는 화학의 지도

물은 영하에서도 흐를 수 있을까?

수돗물 한 컵에 얼마나 많은 에너지가 들어있을까?

물로 이 우주 어딘가에 있는 생명을 찾을 수 있을까?

화학을 알면 더 맛있게 먹을 수 있을까?

단 두 개의 수소 원자와 한 개의 산소 원자로 이뤄진 물에서

끊임없이 솟아나는 화학의 재미를 만끽해보자.

우리는 물 없이 살 수 없다. 우리의 몸을 구성하고 의식주 모든 것에 영향을 미치며 모든 생명의 바탕이라 할 수 있는 물은 우리 일상에 맞닿아 있는 까닭에 그 존재를 너무나 당연하게 여기곤 한다. 그런데 수소 원자 두 개와 산소 원자 한 개로 구성된, 이 단순한 물 분자가 들여다볼수록 독특하고 알아갈수록 신기한 존재라면 어떨까?

《물 한 방울로 끝내는 화학 공부》는 무기화학, 유기화학, 생화학 등 다양한 분야의 화학자들이 물과 관련된 화학 지식을 쉽고 흥미진진하게 풀어낸 책이다. 가장 간단해 보이지만 과학적으로 항상 숙제를 안겨주는 물을 통해, 화학의 세계가 얼마나 다채로운지 알려준다.

화학자들은 물의 수소/산소 동위원소비로 실종자의 신원 확인을 돕고, 물이 영하에서도 얼지 않고 흐르는 온도 영역을 탐색하며, 실험실에서는 각종 사고 때문에 분리하려 애쓰지만 또 한편으로 마냥 멀리할 수 없어 고민을 거듭한다. 특히 물은 알츠하이머병 등의 질환을 촉진하는 요소를 연구하는 데 꼭 필요하고, 연료전지처럼 산화/환원 반응을 통해 에너지를 생산하는 것과도 관련된다. 또한 지구를 지구답게 하는 핵심 구성 요소이자 우리가 일상에서 즐기는 음식을 더욱 맛있게 만들어주는 요리사이기도 하기에 화학자들의 관심을 한 몸에 받는다.

이처럼 물은 화학 반응이 일어나기 위한 ‘사건의 지평선’이자 화학적 단서를 담은 ‘정보의 저장소’이며 가장 근본적인 ‘화학적 인프라’라 해도 지나치지 않다. 우리는 물 한 방울을 과학적으로 이해하는 데서 화학 공부를 본격적으로 시작해볼 수 있다.

대한화학회 화학대중화위원회에서 기획하고 《들뜨는 밤엔 화학을 마신다》 《나노화학》을 지은 ‘하드코어’ 화학자 장홍제, 《알-케미아》를 지은 부산대 화학과 교수 최정모 등 대중 과학서를 쓴 저자들과 대한화학회 소속 신진 화학자들이 함께 쓴 이 책은, 물·화·생·지 앞에서 머리를 쥐어짰던 교양 독자들, 지금 화학 공부를 막 시작하려는 고등학생들, 이들을 가르치는 교사들에게 재밌고 유용한 화학 입문서가 돼줄 것이다.

“물은 생명을 잇는 매개체이자 자연과 인간을 조화롭게 이어주는 존재입니다. 얼음이 녹고 증기가 되어 하늘로 오르듯, 물은 끊임없이 순환하며 생명을 살리고 세상을 변화시킵니다. 그 변화의 이면에는 언제나 화학의 원리와 아름다움이 숨어있습니다. 화학은 결코 어려운 학문이 아닙니다. 다만 우리는 그 언어를 익숙하지 않은 방식으로 들어왔을 뿐입니다. 이 책을 통해 화학이 얼마나 따뜻하고 또 얼마나 인간적인 학문인지를 새롭게 느끼시길 바랍니다.”

- 대한화학회 회장 이필호

화학은 정말 위험하고 더러우며 어려운 과학일까?

― 대한화학회가 화학대중화를 위해 선보이는 본격 교양서

― 물 한 방울로 펼쳐 보는 삶 속의 화학

치약부터 플라스틱 용기까지 우리 일상에 깊숙이 들어와 있어 알수록 쓸모 있고 흥미도 불러일으키는 학문, 화학. 하지만 교과서와 참고서를 펼치고 공부에 돌입하는 순간, 있던 흥미도 순식간에 증발하기 일쑤다. 물질의 운동부터 우주까지 넘나드는 물리학, 생명의 탄생과 형성을 다루는 생물학, 거대한 지각 현상을 탐색하는 지구과학과 달리, 화학은 ‘위험하고 더러우며 어려운 학문’처럼 느껴지기도 한다.

《물 한 방울로 끝내는 화학 공부》는 화학에 손이 가지 않거나 공부를 시작하려 해도 좀처럼 지속하기 어려운 이들을 위해 준비한 책이다. 화학이 위험하고 더러우며 어려운 과학이라는 편견을 깨는 이 책은 개념 위주의 학습을 요구하거나 복잡한 계산식을 제시하지 않고도 누구나 화학 공부를 시작할 수 있게 돕는다.

대한화학회 화학대중화위원회가 기획하고 현장에서 활발하게 연구하고 있는 신진 화학자들이 쓴 《물 한 방울로 끝내는 화학 공부》는 말 그대로 물 한 방울로 삶 속의 화학을 펼쳐 보인다. 이 책은 우리에게 무척 친숙할 뿐만 아니라 모든 생명이 존속하려면 반드시 필요한 물에서 화학의 다채로운 면모를 하나하나 살핀다. 독자들은 수소 원자 두 개와 산소 원자 한 개로 이뤄진, 간단한 물 분자(H2O)가 들여다볼수록 단순하지 않음을 알 수 있다.

하나의 물질이 갖는 8가지 모습에서 화학 공부의 기쁨을 맛보다

― 8명의 화학자가 그려낸 화학의 다채로운 지도

― 가장 익숙한 것에서 가장 근본적인 것을 발견하는 즐거움

물은 간단한 화학적 구성과 달리 화학자들에게 여러 가지 숙제를 안기는 물질이다. 물은 여러 물질을 녹일 수 있는 아주 일반적인 용매지만, 실험자가 원하는 결과를 얻으려면 불순물 없는 물이 필요하다. 불순물 없는 물을 만들어내는 과정과 그것이 공기 중에서 변질되는 과정 자체가 화학의 연구 대상이며, 여기서 화학의 주요 원리인 산염기 반응을 도출할 수 있다.

《물 한 방울로 끝내는 화학 공부》는 산염기 반응이라는 기초적인 원리에서 이야기를 시작한다. 화학자들은 산염기 반응에 대한 이해를 통해 원자력발전소의 냉각수 문제를 해결하고, 수소/산소 동위원소비로 실종자의 신원을 파악하는 데 도움을 준다. 물이 영하에서도 흐르는 과냉각 현상을 탐색하며, 물이 물질과 다양하게 결합하는 방식을 연구해 우리에게 필요한 물질을 생산하거나 실험실에서 발생할 수 있는 사고를 예방한다. 물이 우리 몸에 미치는 영향을 연구함으로써 치료약이 개발되지 않은 질병을 완화하려 애쓰고, 물에 담긴 에너지를 활용해 우리 삶을 더 낫게 만드는 데 기여한다. 또한 물을 통해 우주에 다른 생명체가 존재할 가능성을 탐색하며, 음식을 더욱 맛있게 먹는 방법도 찾게 해준다.

이처럼 물 한 방울로 알 수 있는 과학적 사실이 무궁무진하기에, 우리는 일상과 밀착한 물을 통해 가장 익숙한 것에서 가장 근본적인 것을 발견하는 즐거움을 느낄 수 있다. 《물 한 방울로 끝내는 화학 공부》는 화학 공부를 막 시작하려는 사람들은 물론, 화학의 어려움에 골머리 앓았던 이들도 한결 가벼운 마음으로 화학의 세계에 입문하도록 돕는 지도가 될 것이다.

발간사

1. 깨끗하지만 순수하지만은 않은 존재, 물_박종호

물은 실제로는 순수하지 않다 | 만약 그때 정수기가 있었다면 | 산성과 염기성이라는 필터로 물을 다시 보다 | 물은 의외로 많은 것을 알려준다

2. 생각보다 까다로운 물질, 물_최정모

물 분자를 만들어보자 | 얼음을 만들어보자 | 가벼운 물과 무거운 물이 따로 있다? | 물은 영하에서도 얼지 않고 흐를 수 있다

3. 조화와 공존의 매개체, 물_이지연

디카페인 커피에는 정말 카페인이 없을까 | 약은 물과 함께 드세요! | 염료는 물을 만나 색깔을 남긴다 | 물은 가장 근본적인 화학적 인프라다

4. 쓸모없기도 쓸모 있기도 한 용매, 물_정병혁

물은 제거돼야만 한다 | 물을 무시하면 반드시 사고가 일어난다 | 물을 제거하는 기술로 실험실을 안전하게 | 그럼에도 물은 쓸모 있다

5. 생명 활동의 무대이자 연출자, 물_이준석

물은 세포의 균형을 잡아주고 몸의 산도를 유지시킨다 | 물은 몸의 온도를 조절하고 에너지를 만든다 | 물의 놀라운 메커니즘, 자기 조립 | 물은 생명의 본질을 결정한다

6. 에너지를 가득 담은 보물창고, 물_김정민

수돗물 한 컵에는 얼마나 많은 에너지가 숨어있을까 | 물이 흐르는 곳에 에너지가 있다 | 물이 흐르면 전기가 생성된다? | 물의 화학적 에너지로 전기를 만들다 | 깨끗한 물 없이는 에너지를 얻을 수 없다

7. 지구를 지구답게 하는 증거, 물_장홍제

물은 어디서 왔을까 | 물에서 물 아닌 것이 분리되며 생명이 시작되다 | 물의 흔적으로 지구를 읽는다면 | 물이 사라지면 무엇이 남을까 | 물로 이 우주 어딘가의 생명을 탐색하다

8. 맛있게 먹게 해주는 재료이자 요리사, 물_윤홍석

우리는 매일 물을 끓이지만 잘 알지 못한다 | 물은 열을 어떻게 다룰까 | 미네랄과 경도가 물맛을 결정한다 | 산염기 반응이 음식의 색과 질감을 바꾼다 | 물이 끓을 때 화학의 매력도 솟아난다

참고 문헌

도판 출처

“지난 2000년 미국 유타주의 솔트레이크시티 외곽 지역에서 한 여성의 시신이 발견됐습니다. 시신은 거의 부패돼 뼈 일부와 금발의 머리카락 정도만 남아있었으며, 피해자의 신원을 알아낼 수 있는 신분증이나 다른 소지품도 없었습니다. 그래서 오랫동안 이 피해자가 누구인지조차 알아낼 수 없었습니다. 경찰은 2008년에야 산소의 동위원소비를 분석하는 새로운 방법을 알게 됐고, 과학수사 팀에 피해자의 머리카락 분석을 의뢰했습니다. 과학수사 팀에서는 피해자의 머리카락을 일주일 동안 자란 만큼의 길이대로 잘게 자른 다음 그 부분의 산소 동위원소비를 분석했고, 그 결과를 바탕으로 피해자가 주간 단위로 어느 지역의 물을 마시며 생활했는지를 재구성할 수 있었습니다. 경찰은 피해자가 미국 북서부 태평양 지역에서 이주해왔다고 결론 내렸고, 결국 2012년에 시애틀의 실종자 중에서 피해자의 신원을 확인할 수 있었습니다. 물론 아직 범인을 잡지는 못했지만, 아무 단서도 없었던 피해자가 누구인지 밝혀낼 수 있었던 것은 물에서 유래한 산소의 동위원소 분석 덕분이었습니다.”

- 〈1. 깨끗하지만 순수하지만은 않은 존재, 물〉, 40쪽

“과학자들은 조심스럽게 온도를 낮춰가며 과냉각 현상이 어느 온도까지 가능한지 실험해봤습니다. 물은 –41℃까지도 액체로 존재하는 것이 가능했습니다. 아무리 조심스럽게 실험해도 –41℃가 넘어가면 무조건 얼음으로 변해버렸죠. 그러면 –41℃ 이하의 온도에서는 항상 결정 구조를 갖는 얼음으로만 존재하는 걸까요? 과학자들은 레이저를 이용해 짧은 시간 안에 냉각시키는 실험 기법을 개발해 액체 물을 순식간에 아주 낮은 온도로 낮춰봤습니다. 그랬더니 흥미롭게도 –123℃ 미만의 매우 낮은 온도에서는 여전히 액체와 같은 모습이 유지되는 것을 발견했습니다. –41℃와 –123℃ 사이의 온도에서는 어떻게 해도 얼음 결정 외에는 얻을 수 없어서 이 구간을 가리켜 ‘no man’s land’, 즉 ‘인간이 도달할 수 없는 영역’이라고 부릅니다.”

- 〈2. 생각보다 까다로운 물질, 물〉, 66~67쪽

“결국 가수분해 반응은 단순히 결합을 분해하는 것 이상의 중요한 의미를 지닙니다. 물은 이 과정에서 분자의 구조를 바꾸고 성질을 전환하며 새로운 기능을 갖게 하는 데 직접 관여하는 반응성 분자입니다. 그러므로 물을 단순히 용매로만 생각하면 유기화학을 공부하는 데 있어 큰 오해가 발생할 수 있습니다. 가수분해는 물이 화학의 배우로서 가장 두드러지게 등장하는 사례 가운데 하나입니다. 이를 통해 우리는 물이라는 분자가 화학반응 속에서 유기화합물과 어우러지면서 얼마나 능동적으로 작동하는지를 실감할 수 있습니다.”

- 〈3. 조화와 공존의 매개체, 물〉, 96쪽

“질산 암모늄은 비료의 핵심 성분이지만 강한 폭발성으로 인해 과거부터 폭발 사고가 여럿 알려져 있습니다. 가장 최근에 있었던 사례로 2020년 8월 4일, 레바논 베이루트 항구의 폭발 사고가 있습니다. 이 폭발 사고는 베이루트 항구의 지형을 바꿔놨고, 베이루트 도시 전체에 막대한 피해를 남겼습니다. 항구 내 질산 암모늄과 함께 나란히 보관 중이던 폭죽 주변에 용접 공사를 하다 튄 불에 의한 화재가 발생했고, 이 화재로 폭죽이 폭발하면서 기폭제 역할을 해 최종적으로 질산 암모늄의 대형 폭발 사고로 진행됐습니다. (…) 앞서 언급한 화합물의 다양한 성질 중 조해성(deliquescence)이라는 것이 있는데, 이는 공기에 노출된 물질이 수증기를 흡수해 녹아 수용액을 만드는 물질의 성질을 가리킵니다. 겨울철 도로가 얼지 않도록 뿌려주는 염화 칼슘을 비롯해 수산화 나트륨, 질산 암모늄, 탄산 칼륨 등이 조해성을 지닌 대표적인 화합물입니다. 고체 상태였던 순수한 화합물을 공기에 노출시키면 수증기를 흡수해 수용액이 되기 때문에, 조해성을 지닌 화합물을 온전한 상태로 유지하려면 반드시 수증기가 제거된 조건에서 보관해야 합니다.”

- 〈4. 쓸모없기도 쓸모 있기도 한 용매, 물〉, 111~112쪽

“우리 몸의 놀라운 특징 중 하나는, 외부 환경이 더워지거나 추워져도 내부 체온을 일정하게 유지할 수 있다는 점입니다. 이러한 생리적 안정성은 생명 유지에 필수적입니다. 왜냐하면 대부분의 생화학반응, 특히 효소의 작용은 매우 좁은 온도 범위 내에서만 효율적으로 일어나기 때문입니다. 그리고 이 정밀한 체온 조절 시스템의 중심에는 바로 물이 있습니다. 물은 체온을 조절하는 데 없어서는 안 될 존재입니다. 물이 지닌 가장 독특한 성질 중 하나는 비열이 매우 높다는 점입니다. 이는 1g의 물의 온도를 1℃ 올리려면 많은 에너지가 필요하는 뜻으로, 대부분의 다른 용매에 비해 물은 열을 천천히 흡수하거나 방출합니다. 이러한 특성 덕분에 물은 탁월한 열 완충재로 작용합니다. 외부 온도가 급격히 변하더라도, 우리 몸속 세포와 조직에 존재하는 물은 체온의 급격한 변화를 막아줍니다. 물은 열을 저장하고 조절하는 능력으로 다양한 환경에서도 생명이 살아갈 수 있는 조건을 만들어줍니다.”

- 〈5. 생명 활동의 무대이자 연출자, 물〉, 137~138쪽

“연료전지는 실제로 어떻게 작용할까요? 이름에 전지라는 표현이 들어있는 것을 보면, 에너지가 어딘가 저장돼 있으리라 추측할 수 있습니다. 바로 화학적 에너지입니다. 연료전지는 수소와 산소 분자에 저장된 화학에너지를 꺼내 전기에너지로 바꾸는 장치입니다. 그 핵심 원리는 산화(Oxidation)와 환원(Reduction)이라는 두 가지 화학반응에 있습니다. 철이 산소와 결합해 녹스는 것처럼 산화 반응은 이름대로 산소와의 관계로 표현될 수 있습니다. (…) 여기서 중요한 점은 전자를 잃는 산화 반응과 전자를 얻는 환원 반응이 서로 다른 전극, 즉 공간적으로 분리된 장소에서 일어난다는 것입니다. 산화 반응으로 생성된 전자는 외부 회로를 따라 이동해 환원 반응에 사용됩니다. 이런 외부 회로를 통한 전자의 흐름이 우리가 사용하는 전기가 됩니다. 결과적으로 연료전지에서는 물의 생성과 동시에 전기에너지를 얻을 수 있습니다. 이 원리가 연료전지의 핵심이며, 앞서 살펴본 우주선의 에너지 공급 방식이기도 합니다. 더욱이 연료전지 시스템은 오염 물질 없이 순수한 물을 생성하며, 약 60%에 달하는 에너지 효율은 내연기관보다 뛰어납니다. 이런 특성 덕분에 연료전지는 온실가스를 배출하지 않는 무공해 에너지원으로 주목받고 있습니다.”

- 〈6. 에너지를 가득 담은 보물창고, 물〉, 171~173쪽

“앞서 얼음과 물의 물리화학을 통해 설명했던 고밀도 물이나 독특한 얼음의 상태가 엔켈라두스와 같은 내부 바다 행성에서 실제로 관찰된다는 사실이 흥미롭습니다. 물보다 밀도가 낮은 얼음이 언제나 물 위로 떠오르는 것이 아닌 바다 중간에 얼음층이 남아있는 모습입니다. 얼음-물-얼음-물과 같이 번갈아 배치된 얼음층과 바다들은 위성 내부에 독특한 환경을 만드는데, 이러한 샌드위치 구조가 꼭 생명을 뒷받침하는 것은 아닙니다. 그럼에도 우리가 생명체의 존재 가능성을 기대하는 이유는 카시니 탐사선이 엔켈라두스에서 분출하는 간헐천을 뚫고 비행하며 함유된 성분 분석에 성공했기 때문입니다. 엔켈라두스의 물에는 지구 생명체를 구성하는 가장 중요한 여섯 가지 원소인 탄소(C), 수소(H), 산소(O), 질소(N), 황(S) 그리고 인(P) 모두가

녹아있었습니다. 특히 인은 2023년 처음으로 지구 외 천체에서 발견된 셈인데, DNA의 골격을 이루는 성분이자 세포의 겉껍질인 세포막의 재료입니다. 더욱이 지구 생명체 탄생의 중요한 시작점 중 하나인 해양 플랑크톤의 기능을 결정하는 요소가 C106H263O110N16P라는 화학 조성임을 통해 단 하나의 인이 얼마나 중요한 역할을 하는지 짐작할 수 있습니다.”

- 〈7. 지구를 지구답게 하는 증거, 물〉, 202~203쪽

“또한 염기성 환경은 음식의 색과 풍미에도 영향을 줍니다. 채소를 삶을 때 물에 베이킹소다를 약간 넣으면 엽록소가 안정화돼 밝은 초록색을 유지할 수 있지만, 너무 많이 넣으면 조직이 물러지고 비누 맛이 날 수 있으므로 주의가 필요합니다. 프레첼 반죽을 수산화 나트륨(NaOH) 용액에 담그는 과정 또한 대표적인 알칼리 조리법인데, 반죽 표면의 pH가 올라가면서 마이야르 갈변 반응이 빠르게 진행돼 특유의 진한 갈색과 고소한 향이 생성됩니다. 마찬가지로 중화면(라면)은 반죽에 칸수이(Kansui)라는 알칼리염 용액을 넣어 pH를 높여 노란색을 띠고 쫄깃한 식감을 갖도록 만든 것입니다. 칸수이는 보통 탄산 칼륨(K2CO3)과 탄산 나트륨(Na2CO3)을 혼합한 용액으로, 높은 pH 환경이 글루텐 단백질의 전하를 변화시켜 네트워크를 단단하게 만들고, 전분의 팽윤을 억제해 특유의 탄력과 부드러운 겉면을 형성합니다. 밀가루 속의 색소 성분과의 반응도 달라져 노란빛이 더 또렷해지는 효과도 함께 나타납니다.”

- 〈8. 맛있게 먹게 해주는 재료이자 요리사, 물〉, 228쪽

“물은 생명을 잇는 매개체이자 자연과 인간을 조화롭게 이어주는 존재입니다. 얼음이 녹고 증기가 되어 하늘로 오르듯, 물은 끊임없이 순환하며 생명을 살리고 세상을 변화시킵니다. 그 변화의 이면에는 언제나 화학의 원리와 아름다움이 숨어있습니다. 화학은 결코 어려운 학문이 아닙니다. 다만 우리는 그 언어를 익숙하지 않은 방식으로 들어왔을 뿐입니다. 이 책을 통해 화학이 얼마나 따뜻하고 또 얼마나 인간적인 학문인지를 새롭게 느끼시길 바랍니다.”

- 대한화학회 회장 이필호