커피메이커 필터 - 출처: http://homebrewunderground.com/equipment/

커피메이커에서 커피를 만들어 봤으면 알 것이다. 생각보다 물이 빠르게 안 빠진다. 특히 꼬깔 모양의 거름종이를 사용하는 경우에는 물이 더 안 빠진다. 그리고 따로 물을 빼는 압력이 없다보니까 다 거르고 나서 걸러진 물질도 상당히 축축한 상태로 남게된다. 이런 성가신 과정을 조금이라도 개선하기 위한 것으로 어떤 해결책이 있을까? 물을 빼는 압력이 없는 것이 문제라면 거름종이의 위쪽과 아래쪽 사이에 압력차가 생기게하면 된다. 가장 단순한 방법으로 진공 펌프 같은 것을 깔때기 아래쪽에 달아서 물을 빨아들인다면 확실히 빨리 걸러질 것이다. 마치 입으로 깔때기를 빨아들이는 것처럼 말이다. 하지만 그렇다고 거름질 한 번 하겠다고 실험실마다 양수기 같은 커다란 진공 흡입기를 놔둘 수도 없는 노릇이다. 아마 전기세도 많이 나올 것이다. (물론 실험실에 따라서 이렇게 비싼 진공펌프를 쓰는 곳도 있을 것이다.) 진공펌프의 원리에는 여러 가지가 있지만 화학실험실에서 많이 사용했던 것은 아스피레이터(Aspirator)라는 간단한 장치다.

아스피레이터 - 출처: Wikipedia

이 아스피레이터라는 것도 진공펌프의 일종인데 전기를 사용하는 것이 아니라 유체가 흐르는 속도에 따라 발생하는 압력 차이 (벤츄리 효과) 를 활용해서 진공을 만들어내는 도구이다. 위의 사진과 같이 매우 단순하게 생겼다. 위의 사진을 보면 구멍이 있을법한 위치가 총 세 군데 포착된다. 먼저 제일 위에 달린 구멍을 수도꼭지에 연결한다. 그리고 물을 틀면, 아랫 방향 구멍으로 물이 흘러나올 것이다. 그러면 곁가지처럼 뚫린 구멍에서 흡입하는 압력이 생기게 된다. 물론 물과 같이 액체로 작동하는 아스피레이터의 경우 아주 큰 압력차를 만들 수는 없는데, 물 대신 기체를 사용하면 더 강한 압력차를 만들 수 있다고 한다. 압력이 더 낮은 진공을 만들기 위해서 위와 같은 아스피레이터를 여러 단계로 설치할 수 있다고 한다. 어쨌든 간단한 쇳덩어리와 수도꼭지 만으로 어느 정도의 압력차를 만들어 냈으니 곁가지 같은 구멍을 고무호스로 깔때기 쪽에 연결해 주면 보다 빠른 거름이 가능할 것이다.

아스피레이터 사용을 위한 깔때기 모습 - 출처: erowid.org

지금까지 깔때기의 진화형이라기보다는 간단한 진공펌프에 대한 이야기를 주로했는데, 이 아스피레이터를 사용해서 거르기를 하는 방법에 대해서 살펴보자. 아스피레이터의 진공이 발생하는 부분을 그냥 바로 깔때기에 연결하면 물론 압력차이가 바로 가해져서 거름은 잘 되겠지만, 빨려 나온 용액이 그대로 하수구로 직행한다는 문제가 있다. 화학실험에서 사용되는 용액 중에 중금속이 들어있는 경우도 많은데 이런 중금속을 그대로 하수구로 버리면 안 되기 때문이다. 그래서 위의 그림과 같이 조금 복잡해 보이는 깔때기 구조를 사용하게 된다. 위의 그림에서 (c)부분에 아스피레이터의 진공 발생 부분을 연결해준다. 그러면 깔때기의 아래쪽에 붙어 있는 플라스크가 전체적으로 압력이 낮아지면서 깔때기 위의 용액을 간접적으로 빨아들이는 효과가 생기게 된다. 아스피레이터를 설치하고 나서는 (a)와 (d) 같은 부분에서 공기가 새지 않는지 잘 체크해야 하고, 실제 거르기 전에 깔때기를 손바닥으로 덮어 보아서 압력차가 제대로 걸리는지 확인도 해봐야 한다. 용액을 거름종이에 부었는데, 압력차가 제대로 안 걸려있었다면 마치 막힌 화장실을 보는 것과 같은 기분을 느끼게 된다.

이렇게 간접적으로 거르는 이유는 환경오염 이외에 또 하나가 있다. 합성을 했다고 해서 반응이 제대로 갔다는 것은 눈으로 봐서 잘 알기가 쉽지 않다. 때로는 걸러내려고 깔때기에 용액을 부었는데 거름종이 위에 아무 것도 남지 않고 모든 용액이 아래로 빠져버리는 경우도 있다. 이럴 때 아래 쪽으로 빠진 용액을 다시 모아서 어떻게든 실패한 실험을 되살릴 수도 있기 때문이다. 물론 내 경험에 비추어 볼 때 이 정도로 실험이 망하면 그걸 모아서 어떻게 살려볼 생각 보다는 그냥 하루 자고 일어나서 새로운 마음으로 처음부터 실험을 다시 하게 된다. 그 밖에 거르는 과정에서 깔때기 벽면에 붙은 것들을 모은다고 증류수를 벽면에 흘려주기도 하는데, 이 때 실수로 증류수 대신 알콜이 든 병을 사용하면 역시 잘 걸러져 있던 화합물일 그대로 녹아서 쓸려 내려가는 것을 보게 된다. 거르는 과정은 단일 단계 합성 실험에서는 거의 마지막 수순이자, 내가 합성한 물질을 깔끔하게 모아서 눈으로 볼 수 있는 첫 순간이라 여러모로 희비가 교차하는 과정이 되기도 하는 것 같다.

The simplest things are often the truest. — Richard Bach (Author of “Jonathan Livingstone Seagull”)

가장 단순한 것이 때로는 가장 진실에 가깝다. — 리차드 바흐 (“갈매기 조나단” 저자)

EDTA 구조식 - 출처: Wikipedia

화학에서 분자식을 쓰는 방법은 여러가지가 있다. 가장 기본적으로 한 분자 속에 들어있는 원자들의 개수를 전부 종합해서 어떤 원자들이 어떤 비율로 들어있는지만 알 수 있게 쓸 수가 있다. 예를 들어 에탄올이라면, 한 분자 안에 탄소 2개, 수소 6개, 산소 1개가 들어있으므로, C₂H₆O라고 쓰면 된다. 하지만 똑같은 비율의 원자가 조합되더라도 어떤 원자가 어디에 붙느냐에 따라서 분자의 성격은 판이하게 달라진다. 따라서 이렇게 쓰면 산소가 어디에 붙어있는지, 전반적인 물질의 성격이 어떨지 짐작하기가 어렵다. 따라서 C2H5OH와 같이 특징적인 -OH 부분을 따로 표시하기도 한다. 하지만 이 방법도 분자가 복잡해지면 직관적으로 이해하기 어렵기는 마찬가지다. 이번에 EDTA를 생각해 보자. [CH₂N(CH₂CO₂H)₂]₂도 EDTA를 나타내는 식이고, 화학에 대한 배경지식이 있으면 어떻게 생겼을지 대강 상상할 수 있긴 하다. 하지만 역시 이렇게 알파벳의 나열을 보는 것과 그림으로 각 원자들이 어떻게 연결되어 있는지 보는 것은 분명 차이가 있다.

공사 중인 건물 - 출처: gaia-pro.co.jp

분자 구조식이라고 하면 흔히 위의 그림과 같이 꺾어진 선들이 복잡하게 나열되어 있는 그림을 말한다. 다양한 화학식은 같은 분자를 서로 다른 맥락에서 보다 쉽게 이해하기 위해서 사용된다. 건물을 짓는 것에 비유해보자. 어떤 건물이든 그것을 짓기 위해서 필요한 자재를 일일이 나열하는 방식으로 표현할 수 있다. “이 건물을 짓는데는 벽돌 30,000장, 시멘트 1,000포대, 물 50,000리터, 철근 1,000개가 필요하다”와 같이 말이다. 한편, 건물을 보다 세부적인 구성요소의 종류로 표현할 수도 있을 것이다. “시멘트와 물을 1:3 비율로 섞은 것이 5톤, 그리고 이것과 철근이 m:n 비율로 결합된 기둥이 100개가 필요하다”는 식이다. 마지막으로, 건물의 전체 설계도가 필요할 때도 있다. 벽돌이 각각 시멘트와 어디서 어떻게 붙어 있는지, 철근과 콘크리트는 건물 전체의 어디에 위치해 있는지를 알고 싶을 때가 있는 것이다.

EDTA 구조식으로 보는 화학 구조식

그러면 분자 구조식을 어떻게 읽는지 방법을 간단히 알아보자. 보통 구조식은 유기 화합물을 나타내는데 주로 사용된다. 유기 화합물이란 “탄소”를 주요 뼈대로 이루어진 화합물을 말한다. 우리 몸이나 생물체의 경우 탄소가 기본 골격을 이루고 있다고 보면 된다. 탄소가 주요 구성 요소이기 때문에 구조식을 그릴 때도 탄소를 의미하는 “C”를 매우 반복해서 쓰는 것은 귀찮은 일이 된다. 보통 구조식에서 별다른 표시 없이 꺾인 꼭지점은 탄소가 있는 부분이라고 생각하면 된다. 탄소가 아닌 다른 원자가 있는 위치에는 그 원자의 원소기호를 써주게 된다. 꼭지점이 원자들을 나타낸다면, 선들은 원자들 사이의 결합을 나타낸다. 탄소의 경우 팔이 네 개 달려 있고, 질소는 세 개, 산소는 두 개 달려 있다. 이 팔들이 서로 이어진 것을 선분으로 표현한 것이다. 경우에 따라서 이중, 삼중 결합을 하기도 하는데 이럴 때는 선을 겹쳐서 그려주게 된다.

하지만, 탄소는 팔이 네 개 달려 있다고 했는데 위의 구조식에서 보면 탄소끼리 연결된 부분들 중에 팔이 두 개 밖에 사용되지 않은 탄소들이 많이 보인다. 각 원자들은 자기에게 할당된 팔은 모두 사용해야 한다. 그러면 무엇이 잘못된 것일까? 유기 화합물에서 탄소가 주요 골격을 이루고 있다면, 가장 많은 원자는 수소일 것이다. 탄소는 주요 골격이라서 생략할 수는 없지만 “C”를 쓰기 귀찮아서 꺾은 선으로만 표시했다면, 수소는 너무 많은데, 다들 곁다리로만 붙어 있어서 아예 생략해 버린다. 수소는 팔이 하나만 달려 있기 때문에 탄소나 다른 원자들 중에 팔이 남는 것이 있다면 모두 수소가 붙어있다고 보면 된다. 보통 탄소가 이중결합이 아닌 단일결합으로 쭉 이어져 있다면, 양 끝의 탄소들을 제외한 중간에 있는 탄소들은 두 손은 다른 탄소와 잡고 있고 나머지 두 손은 수소(H)와 잡고 있다는 것이다.

비타민 A와 DNA의 Adenine의 구조식

요즘은 정말 컴퓨터의 시대라고 해도 좋을 정도로 대부분의 문서가 컴퓨터로 작성된다. 글자 뿐만 아니라 수식도 컴퓨터로 표현하는 것이 크게 어렵지 않은 시대다. 이런 시대에 분자 구조식만 손으로 그릴 수는 없는 노릇이고, 당연히 분자 구조식을 손쉽게 그려주는 프로그램들도 나와있다. ACD라는 곳에서 만든 ChemSketch는 무료로 사용 가능한 구조식 그리기 프로그램이다. 분자 구조식을 그리면 3D로 돌려볼 수 있는 기능도 제공한다. 우리가 말로만 들었던 비타민A, B, C, D 등 다양한 분자의 구조식도 템플릿으로 제공하기 때문에 평소에 이름만 들었던 화합물의 구조식을 이리저리 만져보고 3D로도 구경할 수 있다. 프로그램은 여기에서 이름, 메일 주소 등을 입력한 후에 다운로드 받을 수 있다. 마지막으로 이 프로그램을 사용해서 주변 생활에서 흔히 볼 수 있는 화합물들의 구조식을 몇 가지 그려보았다.

“The hypotheses we accept ought to explain phenomena which we have observed. But they ought to do more than this: our hypotheses ought to foretell phenomena which have not yet been observed.” — William Whewell (1794-1866) English mathematician, philosopher.

“우리가 받아들이는 가설이 우리가 관찰해 온 현상을 설명하는 것은 당연하다. 하지만 가설은 그 보다 더 나아가서 아직 관찰되지 않은 현상도 예측할 수 있어야 한다.” — 윌리엄 웨웰 (1794-1866) 영국 수학자, 철학자

1. 돌턴 - 원자설

원자 모형은 약 200년에 걸쳐서 서서히 정교하게 발전해 왔다. 원자 모형 발달한 과정만큼 과학에서 가설 설정과 검증 과정을 잘 보여주는 것이 또 있나 싶다. 19세기 초에 돌턴이라는 사람이 처음으로 원자라는 개념에 대한 이론을 제시하였다. 돌턴의 원자설의 핵심적인 내용은 모든 물질은 더 이상 쪼개질 수 없는 “원자”라는 기본 단위로 이루어져 있으며, 화학 변화가 일어날 때 원자의 종류 자체는 변하지 않고 원자 간의 결합만 바뀐다는 것이었다. 지금으로서는 중학교에서 배우는 기본적인 내용이지만, 당시로서는 걸작이라고 할 수 있을만한 통찰력이 아니었나 싶다. 내 생각에는 연금술에서 현대 화학으로 넘어오는 전환점이 바로 이 돌턴의 원자설이었던 것 같다. 연금술에서는 고철로 금을 만들려고 하고 있었는데, 돌턴의 원자설이 화학 반응을 통해서 원자의 종류가 바뀌는 것은 불가능하다고 못 박았기 때문이다. 당시 기술로는 원자가 어떻게 구성되어 있는지 아는 것은 불가능했을 것이다.

2. 톰슨 - 전자 발견 후, 푸딩 원자 모델 제안 (Wikipedia)

그로부터 100년 뒤에 톰슨이라는 과학자가 원자보다 더 작은 전자라는 입자를 관찰하는데 성공한다. 원자의 구조를 알아내는 첫 걸음을 디딘 것이다. 20세기에 꽃피운 전기전자공학의 서막을 알리는 발견이었다. 이로써 전자를 화면에 쏘아서 그림을 만들어내는 브라운관을 사용한 텔레비전도 가능해진 것이다. 톰슨경은 이 전자의 발견으로 노벨상까지 받게 된다. 일단 전자가 발견되었으니 기존의 돌턴 원자모형의 수정은 불가피해졌다. 톰슨이 제시한 모형은 이른바 푸딩 모델이었다. 전자라는 입자가 있는 것은 알겠는데, 원자 자체는 전체적으로 중성이니까 전자의 (-)를 중화할 수 있는 뭔가가 원자에 또 있는 것은 분명했다. 그래서 마치 푸딩에 건포도가 쏙쏙 박혀있는 것과 같은 원자 모형을 제시한 것이다. 전자를 제외한 원자는 푸딩처럼 (+) 전하를 전체적으로 나누어서 띄고 있는 모습이다. 하지만, 이 모델은 얼마 지나지 않아 수정되게 된다.

3. 러더포드 - 원자핵 발견

우선 골드슈타인에 의해서 양성자가 발견되면서 푸딩 모델은 1차적으로 수정되었다. (+)전하가 푸딩에 넓게 퍼져있는 것이 아니라, (+) 전하를 띠는 양성자와 (-) 전하를 띠는 전자라는 알맹이들이 어떻게 엉겨붙어 있는 모델로 바뀐다. 여기에서 양성자들은 원자 한 가운데 모여있고 전자가 그 주변에 있다는 모델로 바뀌는 실험이 흥미롭다. 러더포드라는 과학자가 실험을 했다. 우선 금으로 매우 얇은 호일을 만들어서 세워 놓는다. 너무 얇아서 원자 수준에서 봤을 때도 서너 겹 정도 밖에 안 될 정도로 얇게 만든다. 여기에 (+) 전하를 띤 알파 입자를 쏴서 그 입자가 어디로 튀는지 관찰하는 실험이었다. 이전 원자 모델처럼 (+) 전하가 원자 내부에 불규칙적으로 존재한다면, 알파 입자는 특별한 규칙 없이 아무렇게나 산란되어야 했다. 하지만 실험 결과에 따르면 대부분의 알파 입자는 금박을 관통했으며, 아주 극소수만 거의 정반대로 튀거나 아주 큰 각도로 산란되었다고 한다. 이를 두고, “종이에 대고 총을 쐈는데 총알이 튕겨서 되돌아 오는” 것에 비유했다고 한다. 이 실험에 따라 원자 내부는 대부분 텅 비어 있고, 아주 작은 부분에 (+) 전하가 모여 있다는 가설이 더 적합하게 된 것이다.

4. 보어 - 전자 궤도

이제 원자 내부 구조에서 (+) 전하를 띄는 쪽은 원자핵에 모여있다는 식으로 대강 정리가 됐다. 이제 다시 전자에 대해서 생각해 볼 차례였다. 전자는 그럼 그냥 원자핵 주변을 지구 주변의 인공위성들처럼 아무 위치에서나 그냥 돌고 있는 것인가? 이에 대해서 보어가 새로운 가설을 내 놨다. 원자 내에서 전자가 돌 수 있는 궤도는 딱 정해져 있다는 것이다. 예를 들어, 이는 마치 지구 주변의 인공위성은 고도가 100km, 200km와 같은 곳에서만 돌아야 한다고 규정하는 것과 같은 것이다. 보어가 이런 원자 모형을 내 놓은데에는 그와 관련된 실험이 있었다. 원자는 빛과 같은 에너지를 흡수하면 그냥 흡수하고 끝나는 것이 아니라 그 에너지를 다시 방출한다. 그런데 흡수하고 방출하는 에너지의 크기가 일정하게 딱딱 끊어지는 것을 관찰했던 것이다. 이를 설명하기 위해서 보어는 전자가 돌고 있는 궤도가 일정하게 정해져 있으며, 그 궤도 이외에서는 전자가 존재할 수 없다는 가설을 세우게 된다. 이 가설은 관찰된 수소원자 스펙트럼을 너무 딱 맞게 설명해냈다.

5. 양자역학 - 파동으로서의 전자

하지만, 보어의 원자모형은 결정적인 결함을 가지고 있었다. 전하를 띠는 입자는 가속도 운동을 할 경우에 전자기파를 방출한다. 원운동은 가속도 운동이고, 전자기파는 그 자체가 에너지다. 결국 전자가 궤도를 돌면서 전자기파를 방출하게 되면, 에너지를 서서히 잃으면서 원자핵으로 충돌해서 원자 자체가 붕괴 되어야 한다. 그런데 다들 멀쩡하게 살고 있는 것이 현실이다. 보어는 이 문제를 “전자가 정해진 특정 궤도에서 돌 때는 전자기파를 방출하지 않는다”라는 조건을 달아서 넘어갔다. 하지만 당연히 석연찮다. 그 뒤로 양자역학이 태동하고 발전하기 시작했다. 모든 물질과 에너지는 파동성과 입자성을 동시에 가지고 있으며, 전자도 예외는 아니라는 것이 양자역학의 설명이다. 전자가 지구처럼 덩어리로 태양 주변을 돌고 있는 것이 아니라, 파동으로서 원자 주변의 지정된 궤도를 중심으로 확률적으로 존재한다는 것이다. 이 가설은 전자현미경이 실현되면서 검증된다. 즉, 전자들은 원자핵 주변을 돌고 있는 것이 아니다. 마치 분신술을 쓴 것처럼 원자핵 주변의 정해진 구역 내의 모든 지점에 동시에 존재할 뿐이다. 이를 전자구름이라고 부른다.

(그림 출처: http://darkwing.uoregon.edu/~ch111/L5.htm)

“The Milky Way is nothing else but a mass of innumerable stars planted together in clusters.” - Galileo Galilei

“은하수는 별게 아니고 셀 수 없이 많은 별들이 한데 모여있는 것이다.” – 갈릴레오 갈릴레이

Amedeo Avogadro - Wikipedia

화학에는 사람 이름을 딴 법칙들이 꽤 있다. 화학의 기본적인 법칙 중 하나인 아보가드로 법칙도 그 예다. 위의 그림이 이 법칙(또는 가설)을 처음 세운 아메데오 아보가드로라는 과학자다. 이름이 해괴해서 그렇지 법칙 자체는 생각보다 간단하다. “기체의 종류에 관계 없이, 같은 온도와 같은 압력 조건에서는, 같은 부피 속에 들어 있는 기체 입자의 개수는 일정하다”는 것이 그 내용이다. 물론 세상이 그렇게 단순한 건 아니었고, 과학 측정 기술이 발달하면서 실제로 기체의 종류에 따라 개수가 조금씩 달라진다. 하지만 그렇다고 큰 아이디어까지 부정할 필요는 없다. 대체로 같은 부피의 기체 속에는 같은 수의 입자가 있다고 봐도 무방하다는 것이다. 기체의 종류도 상관이 없다. 즉, 기체의 부피에 영향을 주는 요소는 크게 세 가지 (압력, 온도, 기체 입자 개수) 밖에 없는 것이라고 상황을 단순화할 수 있다는 것이 이 법칙의 유용함이다.

고체, 액체, 기체 - 출처: t2i2edu.com

그러면 어떻게 이런 극단적으로 단순한 법칙이 대강이나마 맞아 들어갈 수 있을까? 그 실마리는 기체라는 물질의 상태를 살펴봄으로써 찾을 수 있다. 물질은 보통 고체, 액체, 기체의 세 가지 상태로 존재한다. 고체가 입자들이 질서정연하게 서로 연결된 상태라면, 액체는 중간 중간에 끊어진 부분이 있는 것이고, 기체는 입자들이 전부 제멋대로 돌아다니는 상태라고 볼 수 있다. 온도가 높아지면서 고체가 녹아 액체가 되면, 입자들이 질서 정연하게 있다가 부분적으로만 뭉쳐있게 되면서 부피가 증가한다. 이 때 증가하는 정도라고 해봐야 거의 눈에 띄지 않는다. 하지만 액체가 기체로 변할 때는 부피가 거의 1000배 가까이 증가하게 된다. 모든 입자가 완전히 자유롭게 알아서 날뛰는 상태기 때문이다. 고체는 군기가 강하게 잡힌 군인들, 액체는 군기 빠진 상태, 기체는 당나라 군대라고 보면 된다. 따라서, 물질은 기체가 되는 순간 “부피”라는 측면에 있어서는 개개의 입자의 특성이 별로 상관이 없게 된다. 입자 자체가 무겁든 가볍든 크든 작든 날뛰는 정도는 거의 동일하기 때문이다.

굴비 한 두름 = 12마리, 1몰 = 6*10^23개 - 출처: cofarm.kr

그렇다면 압력과 온도가 같을 때 부피와 기체 입자 개수가 비례하는 것은 사실이라 놓았을 때, 실제로 1L 부피의 기체 안에는 입자가 몇 개 들어 있을까? 당연히 한 두개 들어 있는 정도는 아니다. 어렸을 때 배웠던 큰 단위의 수를 세는 몇 억, 몇 조, 몇 경 등의 단위로 서술하기에도 입자의 개수는 너무 많다. 여기에서 새로운 단위가 하나 등장한다. 몰(mole, 단위로 쓸 때는 mol)이 그것이다. 1몰은 탄소 12g에 들어있는 탄소 원자의 개수로 정의된다. 이건 또 뭔 헛소리인가. 그 개수가 얼마인지 궁금한 것인데 말이다. 정의는 정의고, 보통은 1몰은 6.02X10^23개 (0이 23개 있는 수)를 세는 것이라고 생각해 두어도 여태까지 시험보고 살면서 별 지장은 없었다. 이 “몰”이라는 단위는 화학에서 상당히 많이 쓰이는 단위다. 셀 수 없을만큼 많은 수의 분자의 개수를 손쉽게 표현해 주기 때문이다. 조기 스무 마리 엮어 놓은 것을 한 두름이라고 부르는 것 처럼, 6.02X10^23개를 1몰이라고 생각하자. 이상기체식에 따르면 일상적인 온도와 압력에서 22.4L의 부피 안에 1몰의 기체 입자가 들어 있다.

주기율표의 일부분, 길쭉한 네모 속에 있는 숫자들이 원자량 - 출처: fermat.csci.unt.edu/~mikler

주기율표를 보면 원자마다 원자량이라는 숫자가 함께 적혀있다. 위에서 “몰”의 정의를 이야기 할 때, 12g의 탄소 속에 1몰의 탄소 원자가 들어 있다고 했다. 즉, 원자량은 그 원자를 1몰만큼 모았을 때 질량이 몇 g이나 나가는지 써 놓은 것이다. 위의 그림에서 볼 수 있듯이 원자번호가 커짐에 따라서 원자량도 함께 커짐을 알 수 있다. 탄소의 원자량은 12.011, 수은의 원자량은 200.59니까 같은 개수만큼 원자를 모아 놓으면 수은이 탄소보다 약 16배 정도 더 무겁다는 것도 함께 알 수 있다. 탄소의 원자량이 딱 12가 아니고 12.011과 같이 어정쩡하게 되어 있는 이유는 세상에 탄소 원자들 중에 모두 원자량이 딱 12인 것들만 있는 것이 아니라, 가끔 원자량이 13이거나 14인 것들도 존재하기 때문이다. 12.011이라는 값은 이런 서로 다른 원자량들을 존재 비율을 가중치 삼아서 평균값을 구해서 나온 것이다.

출처: National Geographic

이제 원래의 질문으로 돌아가보자. 아보가드로 법칙에 따라서 22.4L짜리 풍선 속에는 딱 1몰 만큼의 입자(분자 또는 원자)가 들어 있다. 풍선이 헬륨 풍선이든, 자전거 펌프로 바람을 넣은 풍선이든, 입으로 불어서 만든 이산화탄소 풍선이든, 심지어 수은 증기로 만든 풍선이든 종류는 상관 없는 것이다. 헬륨 풍선이라면 22.4L 속에 헬륨 원자가 1몰 들어 있을 것이고, 수은 풍선이면 수은 원자가 1몰 들어 있을 것이다. 온도와 압력이 일정하면 기체의 부피는 입자의 개수와 비례하므로, 1L 풍선 안에는 1/22.4몰만큼의 입자가 들어 있을 것이다. 즉, 약 3X10^22개의 입자가 1L의 풍선 속에는 들어 있는 것이다. 평상시에 쓰는 말로하면 300해개만큼의 헬륨 원자가 1L 헬륨 풍선 안에 들어 있는 것이다. 지구에 있는 모래알 개수를 센 기록이 있는지 모르겠지만, 1L의 풍선 안에 든 기체 입자 개수가 그에 필적할 것이라는 생각은 든다.

적정 (Titration) - 출처: wikipedia

화학실험을 한다고 할 때 대표적으로 떠올리는 모습 중의 하나가 위의 사진과 같은 이미지이다. 분석화학에서 주로 하는 실험 중에 하나가 적정(titration)이라는 것인데, 이것부터 먼저 간단히 설명을 하고 넘어가자. 적정은 정량적 화학분석 방법의 하나로 어떤 용액 속에 특정 물질이 얼마나 들어있는지 알아보기 위한 실험이다. 예를 들어 위의 사진에서 아래 놓인 플라스크에 농도는 모르는 산(acid) 용액이 들어있다고 생각해 보자. 그러면 위의 길쭉하게 생긴 관에 농도를 알고 있는 염기 용액을 채워 놓고, 한 방울씩 넣기 시작한다. 염기가 점점 들어감에 따라서 아래 용액 속에 있는 산의 농도는 낮아진다. 그렇게 계속 넣다가 산이 다 없어지는 시점까지 염기가 얼마나 들어갔는지 확인하여 미지의 산 용액의 농도를 알아내는 것이다. 산이 다 없어지는 순간을 포착하기 위해서, 보통 아래 들어있는 용액에 지시약이라는 것을 넣어놓아서 산에서 염기로 바뀌는 순간에 용액의 색이 변하도록 해 놓는다.

뷰렛으로 적정하는 모습 - 출처: fao.org

결국 이 적정 실험을 하기 위해서는 위에서 용액을 떨어뜨리는 도구가 필요하다. 이 도구의 조건으로는 첫째로 용액이 얼마나 들어갔는지 쉽게 알 수 있어야 하고, 둘째로 흘러내리는 용액의 양을 손쉽게 조정할 수 있어야 한다. 만약 저번에 소개했던 피펫이라는 도구로 적정을 하게 되면, 얼마나 들어갔는지는 알 수 있을지 몰라도 들어가는 용액의 양을 미세하게 조절하기에는 어려움이 있다. 그래서 이를 위해 사용하는 도구가 오늘 소개할 뷰렛 (Burette)이다. 뷰렛의 기본적인 생김새는 길쭉한 유리관이다. 다양한 부피가 있던 피펫과 달리 뷰렛은 거의 50ml 짜리였던 것 같다. 길이가 거의 1m 가까이 되어서 생각보다 거추장스럽게 길다. 긴 유리관의 표면에는 50ml에 해당하는 눈금이 인쇄되어 있다. 그리고 한 쪽 끝은 그냥 뚫려있고, 다른 한 쪽 끝은 뾰족하게 되어 있다. 뽀죡한 끝 쪽에 용액의 흐름을 조절하기 위한 밸브가 달려있다. 그러면 뷰렛의 눈금 읽는 법과 밸브 조절하는 법을 차례로 살펴보자.

뷰렛에 표시된 눈금 읽기 - 출처: csudh.edu

뷰렛에는 보통 50ml의 부피를 0.1ml 단위로 나눠서 눈금을 표시해 놓았다. 뷰렛에 수은을 채우고 적정을 하지 않는 이상 위의 사진과 같이 용액의 윗부분이 아래로 볼록한 모양을 하게 된다. 뷰렛은 절대적인 눈금 값을 통해서 용액의 양을 측정하는 것이 아니라 두 눈금의 차이로 용액의 양을 측정하기 때문에, 흔히 과학시간에 배우듯이 볼록한 정점에서 눈금을 읽지 않고 용액 표면의 제일 높은 위치에서 눈금을 읽어도 일관되게만 읽으면 별 상관은 없다. 하지만, 유리벽에 달라 붙는 높이가 테두리를 따라 조금씩 달라지므로 역시 오목한 제일 아랫부분에서 읽는 것을 추천한다. 위 사진과 같이 배경이 있으면 눈금 읽기가 조금 어렵게 된다. 이럴 때는 뒤에 흰 종이를 대고 읽으면 조금 더 편해진다. 이렇게 적정을 시작하기 전에 눈금을 읽어 놓고 적정이 끝났을 때의 눈금을 읽으면 그 차이가 들어간 용액의 부피가 되는 것이다. 가끔 적정을 시작하기 전에 눈금을 안 읽어놔서 다시 적정을 해야 하는 삽질을 할 수 있으니 주의해야 한다.

뷰렛 밸브를 조절하는 모습 - 출처: csudh.edu

이제 용액이 흘러내리는 것을 컨트롤하는 부분을 살펴보자. 뷰렛의 뾰족한 끝 부분에 달린 밸브를 돌리면 긴 관 속에 들어있는 용액이 흘러내려 떨어지게 된다. 위의 사진에서는 오른손으로 밸브를 잡고 있는데, 내 경험으로는 왼손의 검지와 중지 사이에 뷰렛 관을 끼우고 엄지를 함께 사용하여 컨트롤하는 것이 훨씬 안정적이었던 것 같다. 적정이라는 것이 실험자에 따라서 정확도가 크게 달라지는 이유가 이 밸브 컨트롤 때문이다. 뷰렛의 눈금은 0.1ml 단위지만, 한 방울은 보통 0.05ml 정도 된다. 거기에 숙련도가 높아지면 반 방울 또는 1/4 방울까지 컨트롤하게 된다. 한 방울을 반으로 쪼개는 방법은 밸브를 미세하게 열어서 뷰렛의 끝에 물방울이 살짝 맺히게 한 후, 밸브를 닫고 그 맺힌 방울만 플라스크에 묻혀서 집어 넣는 식이다. 실제 적정을 해 보면 한 방울을 딱 넣는 순간에 용액 색깔이 빨간색에서 노란색으로 확 변해버린다. 그 중간인 주황색에서 적정을 멈출려면 결국 반 방울 이하로 컨트롤하는 법을 익히긴 해야 한다.

뷰렛은 그 길쭉한 모양과 좁은 입구 때문에 처음에 채울 때 깔때기를 사용한다. 이 때 밸브가 닫혀져 있는지 꼭 먼저 확인하자. 밸브가 열려 있으면 위에서 붓는 족족 아래로 흘러내린다. 만약 그 액체가 피부에 닿아서 유해하다면 큰일나는 것이다. 뷰렛을 사용할 때 가끔하는 삽질 중에 하나가 용액을 채워놓고 바로 눈금을 읽고 실험을 시작하는 것이다. 용액을 채운 후에는 밸브를 돌려서 용액이 뷰렛의 뾰족한 끝까지 흘러내려서 채우도록 한 후에 눈금을 읽어야 한다. 마지막으로 실험이 끝나고면 뷰렛을 씻어야 하는데, 역시 길쭉한 모양 때문에 수세미 같은 것을 쓰기 힘들어서 증류수를 담아서 눕힌 후에 좌우로 이리저리 흔들어주면서 헹구게 된다. 이 때 씻은 물은 뾰족한 쪽으로 흘려보낸다. 밸브 주변에도 용액이 묻어있었기 때문에 밸브도 여러 번 돌려주자. 뷰렛을 닦기 위해서 길고 가는 모양의 수세미가 있기는 한데, 수용액으로 실험을 했다면 그냥 헹구는 것만으로도 큰 문제는 없었던 것 같다.

(참고: 뷰렛을 사용하는 방법에 대한 힌트)