화학

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1. 개요
2. 어원
2.1. chemistry
2.2. 化學
3. 역사
4. 세부 분야
5. 물리학과의 관계
6. 공학에 응용
7. 대한민국에서의 화학교육과정
7.1. 중등교육과정
7.2. 대학교육과정
8. 화학자
9. 학회
10. 특이한 화학 실험들
10.1. 티오시안산 제2수은의 열분해
10.2. 과산화수소와 아이오딘화칼륨의 혼합
10.3. 이크로뮴산 암모늄의 가열
10.4. 글루콘산칼슘의 가열
10.5. 황산설탕의 혼합
10.6. 갈륨 숟가락 녹이기
10.7. 리튬의 연소
10.8. 글리신과 질산염의 혼합
11. 관련 어록
12. 관련 항목

1. 개요

化學 / Chemistry

보통 화학은 물질의 구조, 조성, 성질, 변화(제법 포함) 등을 연구하는 자연과학의 한 분야라고 소개된다. 주로 분자 수준의 물질에서 일어나는 현상에 대해 연구한다. 하지만 최근에는 물리학, 생물학 등과의 학제간 연구가 활발해지고 있어, 화학에서 다루는 영역은 점점 넓어지고 있으며, 따라서 화학이 무엇인지 확실히 정의내리는 것은 힘들어 지고 있다. 미국의 물리화학자 길버트 뉴턴 루이스는 아예 "화학자들이 하는 게 화학이다" (Chemistry is what chemists do)라고 말하기도 했다.

일반인들이 '과학자' 하면 떠올리는 하얀 가운에 시험관 들고 어디에 불 붙이면서 현란한 실험을 하는 모습이 바로 화학자들의 모습이다. 초등학생 대상의 과학 캠프에서 등장하는 대부분의 실험 역시 화학 실험이다. 아마도 물리 실험은 정교한 측정기기가 필요하고 생물 실험은 시간이 오래 걸리거나 현미경등의 아이들이 쉽게 다루기 어려운 도구가 필요해서 그런듯 하다. 지구과학 실험은... 더 이상의 자세한 설명은 생략한다핵물리학은 실험이 국가단위다

특히 대중매체에 나오는, 흰 가운을 입고 있고 실험대에는 비커에 색깔 있는 액체가 끓고 있고 그런 액체를 섞었더니 펑 터지는 그런 과학자와 과학 실험은 화학 중에서도 유기합성화학이나 분석화학과 핵물리학의 이미지에 가장 가깝다. 물론 상대적으로 가깝다는 것이지, 실제 화학실험과는 다르다. 간혹 터지는 경우도 있기는 있으나, 그러면 누군가 죽거나 크게 다친다 물론 이 경우 지켜야 할 것을 지키지 않아 터지는 안전사고인 경우가 많다 실험시 조교나 교수님 말 좀 잘 듣자

화학과 교수님들이 수업 중 과거 어느 회사에서 화학과 관련없는 것을 가져오면 거금을 주겠노라 한 적이 있으나 아무도 상금을 가져갈 수 없었다(...)는 예시를 들며 화학이 영향을 미치는 범위가 상상을 초월한다는 점을 강조하시곤 한다. 진공을 만들어 가져가면 어떨까! 당장에 옷, 음식, 전자 기기, 약, 심지어 지구까지 전부 화학의 손길이 거치지 않는 것이 없다. 때문에 사람들이 무언가에 화학물질[1]이 들어가는 것을 기피한다는 말을 들으면 전공자들이 쓰게 웃는 것은 바로 이 때문. 화학 덩어리에 또 화학이 섞여봤자 화학이지 않은가.

또, 오늘날에는 기기분석과 레이저, 컴퓨터 시뮬레이션을 도구로 사용하는 화학자의 비중도 그 어느때보다 높다.[2] 그러나 화학자가 아닌 대부분의 다른 과학자는 전혀 다른 환경에서, 전혀 다른 복장으로, 전혀 다른 실험을 하며, 그나마 화학자와 인상착의, 연구 장비, 연구 환경이 비슷한 건 분석화학자나 생화학자 정도가 있다.

2. 어원

2.1. chemistry

화학을 뜻하는 영어 'chemistry'는 납과 같은 평범한 금속을 금과 같은 귀금속으로 변환시키겠다는 '연금술'에서 유래된 것이고, 연금술을 뜻하는 'alchemy'는 '함께 주조하다'는 의미의 아랍어 '알키미아'(al-kimia)에서 유래됐다. 동양에도 서양의 연금술과 비슷한 '연단술'이 있었다. 귀금속이 아니라 불로장생의 명약을 만들려는 시도였다. 고대의 야금술·철학·점성술·천문학·의술·신비술이 모두 연단술의 일종이었다.#

2.2. 化學

오늘날 우리가 사용하는 '화학'(化學)이라는 용어는 1856년 중국 상하이에서 활동하던 영국 선교사 윌리암슨이 '격물탐원'이라는 책에서 처음 사용했다. 화학의 대표적인 상징인 물질의 변환을 '되다' 또는 '달라지다'를 뜻하는 '化'로 표현한 것이다. 1857년 중국인 번역가 왕도도 자신의 일기에서 '화학'이라는 용어를 사용했고, 1871년에는 청의 과학자 서수는 영국의 화학 교재를 중국어로 번역한 '화학감원'을 발간했다.

네덜란드로부터 서양의 과학을 '난학'이라는 이름으로 받아들이기 시작했던 19세기 일본에서는 화학을 네덜란드어 'Chemie'(헤이미)의 발음을 따라 '세이미'라고 불렀다. 대표적인 난학자였던 우다가와 요안이 1840년에 서양의 화학을 소개한 '세이미 가이소'를 발간했다. 우다가와는 지금도 사용되고 있는 산소·수소·질소·탄소·백금·산화·환원·포화·용해·분석·원소 등의 용어도 만들었다. 그러나 오늘날 일본도 중국의 '화학'을 쓰고 있다.#

3. 역사

  • 이 부분의 본문은 화학/역사 입니다. 화학사가 화학 공부에 중요한 만큼 중요한 부분만 여기 적고 나머지는 본문에 적어주세요.

고대 그리스 자연철학에서는 물질의 근본 요소와 변환에 대해 많은 논의가 이어졌는데, 현대의 관점에서 그나마 의미있는 주장은 데모크리토스의 에피쿠로스의 원자론이다. 일단은 아리스토텔레스의 이론이 고대 지중해 세계에서는 주류 이론이 되었지만, 원자론도 결코 잊혀진 상태는 아니었다.

이후 8세기~13세기 이슬람 과학이 꽃필 시기에는 아랍, 페르시아의 화학자가 화학과 약학의 발전에 많은 공헌을 했다. 그리스 과학을 단순히 이어받는 것을 넘어서 물질의 구성에 관한 새로운 이론이 추가되었고 여러 실험 기법이 정리되었다. 연금술은 화학과 같은 지식체계를 가지고 있지는 않지만, 방법론적으로 화학의 발전 기반을 마련했다. [3]

한편, 12세기 이후 무역과 전쟁을 통해 이슬람 과학의 성과가 이탈리아 등지로 조금씩 확산되었고 점차 유럽이 화학의 중심지로 자리잡았다. 16세기에는 파라켈소스{필리푸스 파라켈수스(Philippus Paracelsus)로 본명은 필리푸스 아우레올루스}가 의약 화학(iatrochemistry)를 발전시켰고 리바비우스가 최초의 화학 교과서를 저술하였다.

17세기는 근대 화학의 태동기로, 1661년에는 로버트 보일이 원자, 분자, 화학 반응에 대한 개념을 정리했다. 이후 17, 18, 19세기 내내 분리분석기술과 합성 방법, 화학 및 물리학 이론의 발전을 바탕으로 원소와 간단한 구조의 화합물이 수없이 발견되었고, 열화학과 기체에 대한 이론을 비롯해 이론적 배경도 비교적 튼실해졌다. 18세기 말 '근대 화학의 아버지'라는 별명이 붙은 앙투안 라부아지에질량 보존의 법칙원소의 개념을 정립하였으며 분석 화학과 화학 명명법의 발전에 기여하였다. 1803년, 존 돌턴이 근대적 원자설을 발표한 것 또한 화학 역사에서 중요한 이정표가 되었다. 이어서 1811년에는 아메데오 아보가드로가 아보가드로의 원리와 분자설을 발표했다.

이 외에도 19세기에는 이성질체가 발견되고 화학평형의 개념이 탄생했으며 생화학과 유기화학, 배위화학이 발전하였으며 화학도들의 아이돌 멘델레예프에 의해 주기율표가 작성되는 등 화학이 동시대의 다른 분야처럼 빠르게 발전하였다. 또, 19세기 중반 이후로는 화학이 의사와 약제사를 위한 학문에서 오늘날과 같이 기술과 산업의 근간이 되는 학문으로 자리잡기 시작하였다. 19세기 말에서 20세기 초의 기간은 물리화학이 태동한 시기로서, 1876년 깁스에 의해 화학 평형의 물리적 근원이 해명되었고, 1927년 양자역학이 비로소 개발됨과 동시에 화학 결합과 분자의 전자기적 구조에 대한 이해가 놀라울 정도로 깊어졌다.

1953년에 DNA의 나선 구조 중 하나가 발견된 것을 시작으로, Na/K-ATPase, 미오글로빈 등 생체고분자의 구조와 반응에 대한 연구도 빠르게 진행되었다. 1970년대 이후로는 컴퓨터의 발전과 함께 계산화학이라는 새로운 분야가 태어났다.

4. 세부 분야

화학의 전통적인 분류 방식은 물리화학, 유기화학, 무기화학, 분석화학의 네 분야로 나누는 것이지만, 20세기 후반에 들어와 각 세부 분야의 학제간 연구와 응용이 넓어짐에 따라 경계가 많이 사라졌다. 21세기 들어서는 위의 네 분야에 고분자화학을 넣어서 다섯 분야의 핵심영역(Core area), 그리고 농업/환경/지구화학, 생(명)화학, 재료/나노화학 등의 학제간 영역(Multidisciplinary area) 등으로 분류한다. [4]

몇 가지 주요 분야를 들자면 아래와 같다.

4.1. 물리화학

Physical Chemistry

물리화학

해양에서 일어나는 각종 현상을 물리학 지식을 이용하여 이해하는 분야가 해양물리학이고, 천체에서 일어나는 각종 현상을 물리학 지식을 이용하여 이해하려는 학문이 천체물리학이듯이, 물리화학은 화학적 현상을 물리학 지식을 이용해서 이해하려는 분야이다. 물리학 쪽에서는 화학물리학이라고 한다.

주된 분야로는 양자화학, 화학 통계열역학, 화학 반응 속도론이 있다. 화학 현상의 물리적 근원을 다룬다는 것은, 거시적으로 나타나는 물질의 현상을 원자, 전자, 분자, 에너지와 같은 물리학의 용어로서 설명한다는 뜻이다. 따라서 물질의 에너지 준위는 어떠한지(양자화학), 전자, 분자가 그러한 에너지 준위에 어떻게 분포해 있으며(통계역학), 그로 인해 화학 반응은 어떤 방향으로 일어나고(열역학), 또 그 속도와 메커니즘은 어떠한지(반응속도론)와 같은 질문이 물리화학이 근본적으로 답하고자 하는 물음이 되는 것은 자연스럽다. 그러나 물리화학이 단지 다른 화학 분야의 이론적 바탕을 제공하기 위해 존재하는 분야는 아니며, 오늘날 산업에서 쓰이는 수많은 소재와 촉매 개발을 촉진하여 인류 생활을 윤택하게 한 고마운 분야이다.

4.2. 유기화학

Organic Chemistry

유기화학에 기반을 둔 화학공장

엔돌핀의 분자구조

일반화학을 제외하고 모든 화학 분야를 통틀어 가장 많이 접하는 분야.

전통적인 유기화학은 탄소-탄소 결합으로 분자를 만들어내는 유기합성에서 시작했다. 유태의 탄소[5]나 탄소를 포함한 합금 같은 것은 전통적인 유기화학의 영역 밖이다. 금속은 유기화학의 영역 밖이었으나, 20세기 후반 들어 유기합성에서 유기금속촉매의 중요도[6]가 많이 높아지면서 유기화학의 영역으로 들어오게 된다(무기화학의 영역이라고 볼 수 있지만). 이처럼 전반적인 화학 분야 사이의 장벽이 사라지면서 유기화학의 분야도 점점 넓어지고 있다. 이쯤 되면 유기화학 교과서에 나오는 내용이 유기화학이라고 믿는 것이 가장 마음 편할 듯. 요새 유기화학책은 단백질이랑 DNA도 다루는데요 제발 그만 추가해

20세기 석유 화학과 고분자 화학, 생화학, 식품 화학 등의 발달에 크게 기여한 분야이기도 하다. 생물 분자의 대부분이 유기물이고 현재까지 연구된 생리 활성 물질도 대부분 유기물이므로 생물학, 약학, 의학에 대한 기초 학문의 역할을 한다. 무엇보다도 뭔가를 만들어내는 게 기본 개념이라, 화학 중에서 수요가 가장 많은 분야 중 하나이다. 가장 오래된 분야이기 때문에 전공 서적이 가장 크고 아름답다.

4.3. 무기화학

Inorganic Chemistry

무기화학 절대 무기를 만드는 학문이 아니다

유기화학에서 다루지 않는 화합물, 그러니까 각종 배위화합물과 이온성 화합물, 금속, 주족 원소 화합물 등 온갖 잡다한 내용을 다 포함한다. 하지만 그중에서도 금속 원자나 이온에 유기 배위자가 배위한 형태의 화합물에 관한 화학인 배위화학 및 유기금속화학이 가장 널리 연구된다. 유기금속화학에서는 , 커플링반응을 많이 배운다.[7] 옥텟 규칙과 같은 고전적인 화학 법칙이 비교적 잘 적용되는 유기화학과 달리 무기화학에서 등장하는 원소의 반응을 정확히 기술하기 위해서는 현대 양자화학적인 접근이 필요해서 유기화학에 비해서는 물리화학적인 이해가 필요하다.

배위화학, 유기금속화학, 고체화학, 생물무기화학 등의 하위 분야가 있으며, 지금은 거의 독립된 분야가 된 나노화학도 원래 이쪽에서 연구하던 주제 중 하나였다.

중금속을 다루는 경우가 있으므로, 의학 쪽으로도 다양하게 적용 가능하다. 예를 들면 중금속 중독 시 치료에 쓰이는 EDTA라든가.

4.4. 분석화학

Analytical Chemistry

혼합물을 물리적 특성[8]을 이용해 순물질로 분리(purify)하고 동정(identify), 정량(quantify)하는 일에 관한 화학이다. 정확(accurate), 정밀(precise), 고감도(sensitive)야말로 이 분야의 알파요 오메가라고 할 수 있다[9].

고전적으로는 정성 분석과 정량 분석으로 나눌 수 있는데, 정성 분석은 '무엇이 있는가'를 알아내고 정량 분석은 '얼마나 있는가'를 알아낸다. 분리는 그 자체로도 중요하지만[10], 향후 분석을 위한 일종의 준비 단계이기도 하다다. 저울과 뷰렛 등을 이용한 고전적인 분석 실험을 할 일도 있지만, 나노화학, 물리화학, 생화학 등 다른 분야와 연계하여 크로마토그래피, 분광분석, 질량분석, 전극, 현미경, 센서, lab-on-a-chip 등을 연구한다. 분야의 특성상 기기에 대한 의존도가 특히 높으며[11] 아예 새로운 실험 기법과 장비 등 화학 실험 자체에 대해서도 다루기 때문에, 화학에서 가장 공돌이스러운 분야이다[12]. 물질의 정성, 정량 분석이 필요한 예는 무궁무진하게 많지만 특히 식품의약 분야와 환경, 재료공학, 법과학, 나노공학에서 항시 수요가 많다.

요즘엔 워낙 분석할 만한 물질은 이미 다 분석이 끝나서 아주 아주 아주 작고 극미량의 특정물질을 분석하는 단계다. 때문에 분석 기기 값은 마구 뛰는 중(...). 정확함과 세밀함이 요구되는 매력적인 분야다.

4.5. 생화학

Biochemistry

생물체에서 일어나는 화학 반응에 대해 연구하는 분야이다. 즉, 유전, 대사, 합성, 물질 수송, 신호 전달과 같은 생명 현상을 화학적으로 관찰하고 해석한다.[13] 생화학 책 목차에서도 알 수 있듯이, 오늘날에는 개별 분자 보다는 전체 시스템에 초점이 맞춰져 있다. 분자생물학이나 생물물리학, 유전학과도 관계가 깊다. 19세기 초까지는 유기화학과 구분하기 어려웠으나, 19세기에 효소가 발견되고 세포 내 화학 반응에 대한 연구가 진행되면서 20세기 초에 오면 독립된 분야로 거듭나게 된다. 최근엔 이름이 아주 비슷한 화학생물학(Chemical biology)이라는 분야가 갈라져 나오는 추세. 생화학과 화학생물학의 차이를 설명해 보자면 생화학은 생명현상을 수많은 화학 반응들의 집합체라고 생각, 그 원리를 찾아가는 과정이라면 화학생물학은 화학, 특히 유기화학을 도구로 생명현상을 연구하는 것이라 할 수 있다. 생명 현상에서 일어나는 화학반응이 대부분 효소의 촉매작용으로 일어나는 만큼 생화학자들을 일반적으로 단백질을 정제하고 성질을 분석하는 방향으로 접근을 한다면 화학생물학자는 다양한 화합물(의약품 포함)을 합성, 이런 물질들을 생명체에 투입함으로서 생명현상에 개입했을 때의 반응을 관찰하는 방식으로 접근한다. 즉, 둘 다 생물학과 화학의 경계에 걸쳐 있는 분야지만, 방법론상 생화학은 생물학에, 화학생물학은 화학에 좀 더 가까운 편이다.[14] 물리화학과 화학물리학의 관계랑 같다

4.6. 기타

이 외의 분야는 대체로 학부 과정 보다는 대학원에서 다뤄지는, 좀 더 전문적이고 세부적인 분야이다.

  • 분광학 : 광화학이 빛과의 상호작용을 통해 합성이나 에너지를 방출하는 것을 의도한다면 분광학은 이라는 도구를 이용하여 물질을 분석하는 데에 목적이 있다. 정확히는 분자에 적절한 빛[15]을 가하여 결과로서 흡광량이나 주파수 이동을 측정하여 분자의 특성을 연구하는 학문이다. 이미 많은 연구가 진행되어 NMR, IR, UV-Vis는 실험실에서 자주 볼수 있는 실험기구가 되었고, ESR같이 특수한 분석법도 연구소에서는 활발히 연구가 진행되고 있다.
  • 계산화학: 화학 문제에 대한 이론적 계산 모델을 세워서 컴퓨터를 이용해 계산해 답을 얻는다. 양자화학/반응동력학 계열과 통계역학 계열이 있다. 양자화학 계열에서는 분자의 입체구조, 에너지, 전자구조, 분광학적/광화학적 특성, 화학 반응의 양자 수준의 동역학과 메커니즘이 전통적인 연구 주제이며, 통계역학 계열에서는 용액 등 응집물질의 구조와 응축상에서의 반응속도론이 전통적인 연구 주제이다. 원래는 연구자가 밑바탕부터 코딩을 해야 했고 아직 그런 게 필요한 연구실도 있지만 특히 양자화학이나 분자동역학(molecular dynamics)을 연구하는 경우 전문화된 상용 패키지를 사용하는 경우가 많다.
  • 고분자화학: 작고 반복적인 단위체가 대규모로 결합해 만들어진 거대 분자, 즉 고분자를 다루는 화학이다. 우리 몸을 이루는 생체 고분자를 비롯해, 플라스틱, 고무, 합성 섬유 등의 인공 고분자의 성질과 합성을 연구한다. 통계역학을 통한 이론적 해석이 중요하므로 물리화학과의 연관성이 높지만 대부분 유기 고분자가 산업에 응용되므로 유기화학과의 연관성도 높은 편이다. 화학 전문분야 중에서 산업에서의 수요가 특히 높은 분야 중 하나.
  • 광화학: 물질과 빛의 상호작용, 즉 빛의 흡수로 인해 일어나는 화학반응 혹은 화학반응으로 인한 발광 현상을 연구한다. 고전적인 광화학은 유기화학에서 다뤄졌으나, 이제는 고분자에서 일어나는 광중합이라든가 광합성의 명반응과 반딧불이의 루시퍼레이즈 등에 의한 생광화학 분야로 넓어졌다. 레이저를 사용한 연구를 할 일이 많다.
  • 기계화학(Mechanochemistry): 기계적인 변형과 화학 반응의 상호 작용을 연구하는 학문. 기계공학과 화학의 접점이다. 마찰이나 압력, 진동, 충격파가 있을 때 일어나는 화학 반응에 대한 연구, 분자 기계에 대한 연구 등을 포함한다.
  • 나노화학: 나노 수준의 길이, 단면적, 부피를 가진 물질을 합성하거나 그런 물질을 화학 반응에 사용하는 법을 연구하는 학문이다. 거시적인 물체와는 달리 나노 수준의 물질에서는 양자역학의 원리에 따라 전기적, 자기적, 광학적으로 특별한 성질이 나타나므로 향후 그 응용 면에서 주목받고 있다. 즉, 연구비를 받기 좋다.
  • 농업화학: 화학적 방법으로 토양과 환경을 보존하고, 농작물의 건강과 생산성을 향상시키며, 생산물을 일차적으로 처리하는 방법에 관해 연구하는 화학의 한 응용 분야.
  • 대기화학: 대기의 화학적 조성을 규명하고 대기 중의 화합물이 서로, 혹은 지권, 수권, 생물권과 어떻게 상호작용하는가를 연구하는 학문. 화학보다는 지구과학, 대기과학의 하위 분야로 취급된다.
  • 반응 속도론: 화학 반응에서 반응의 속도와 경로, 메커니즘에 대해 탐구하고 이것을 실제 화학반응에 적용하는 것을 연구하는 학문, 공업적으로 큰 의미를 가지고 있으며 실생활에 광범위적으로 적용된다.
  • 생물리화학: 생명 현상에 대한 물리화학적 해석을 추구하는 분야. 하지만 화학=분자물리학이라고 (잘못) 생각하는 물리학자들에 의해 대개는 생체 분자에 관한 생물물리학과 동의어로 쓰인다.
  • 유기금속화학: 공유결합성이 높은 금속-탄소 결합을 가지는 물질에 관한 학문이다. 유기금속화합물 중에 유기합성 반응 등을 효과적으로 촉매할 수 있는 물질이 여럿 발견되면서 특히 주목을 받은 분야이다. 특히 전통적으로 불가능한 유기화학 반응을 일으킬 수 있다는 점에서 많은 주목을 받았다. 예를 들자면, 벤젠에 친핵성 물질을 붙이는 것이 있다. 좀 더 자세한 반응들을 알고 싶다면 커플링을 참고하면 좋을 것이다. 그렇다고 커플끼리 끼는 반지를 생각하면 지는 거다.
  • 의약화학: 말 그대로 의약품을 만드는 화학이다. 여기서 말하는 약은 보통 저분자화합물에 국한되고, 백신이나 기타등등 생물적으로 만든것과는 다른것이다. 생리적 활성을 지니는 물질(보통 천연물)로 부터 비슷한 구조를 가지는 유도체를 합성하여 활성을 증가시킨다거나 독성을 감소시키거나 물리화학적 속성을 변화시키거나 하여 약처럼 만드는 것이다! 유기화학적 지식이 기본적으로 필요하고, 리셉터-리간드, 효소-기질 등의 약학, 생화학적지식이 필요하다.
  • 식품화학: 식품의 조리 또는 가공 과정에서의 변화를 화학적 관점에서 고찰하는 응용 분야. 음식을 만드는 과정은 그 자체가 화학 반응의 향연이라 해도 과언이 아니다. 예를 들어 고깃국을 만들 때 물을 붓기 전에 고기를 먼저 볶아야 하는 이유, 벤조피렌이 최소화되는 공정을 연구하는 것 등에는 모두 각각 마이야르 반응, 완전 연소라는 화학적인 원리가 들어있다. 최근 들어 유행을 타고 있는 분자요리는 이 분야의 발전을 바탕으로 구현이 가능해졌다.
  • 재료화학: 유용한 성질을 가지는 응집물질, 즉 재료 물질을 발견하고 합성, 처리, 응용하는 화학의 응용 분야이다. 다른 화학 분야에 비해 응집물질의 창발적, 통계적 성질이 많이 주목받는다는 특성이 있다.
  • 전기화학: 전류의 발생을 동반하는 형태로 구성되거나 설계된 모든 화학 반응 및 이에 관련된 기기에 대한 학문. 화학 전지, 전극, 부식, 전기분해 반응이 주로 등장한다. 산화 환원 반응을 이해하고 연구한는 데 꼭 필요하다. 화석 에너지 외에 대체 에너지원을 찾는 연구에서는 에너지를 주로 전기로 변환하고 저장하기 때문에 그런 연구에서 필수적이다. 또, 전위차를 측정하여 물질의 활동도를 정밀하게 측정할 수 있기 때문에 화학 분석에서도 매우 중요하다. 인체의 신경망 등 생물체에서도 전위차를 활용하므로 이와 관련된 응용도 꽤 있다. 대학교 학부 수준에서는 분석화학의 일부로 배운다.
  • 천연물화학: 생물로부터 얻을 수 있는 화합물, 특히 단백질이나 핵산 같은 고분자가 아닌, 이른바 소규모 분자의 분리와 합성에 관한 화학이다. 이런 화합물에 관한 연구는 그 생리적, 약학적 특성에 주목해서 이루어지는 경우가 많으나 그냥 복잡한 물질의 구조를 밝혀서 합성해보고자 하는 순수한 도전 정신에 의한 경우도 많다. 생화학은 생명 현상의 화학적 규명이 목표라면, 천연물화학에서는 천연물 분자 자체가 주인공이다.
  • 천체화학: 우주 공간이나 천체의 화학적 구성을 규명하고 또 그곳에서 일어나는 화학 반응을 연구하는 학문이다.
  • 초분자화학: 각종 분자 간 상호작용을 통해 자기조직화된 분자 복합체에 관한 화학. 자기조립, 주인-손님 복합체(Host-guest complex), 분자 매듭, 주형물질을 이용한 선택적 합성을 비롯해 분자 를 부품으로 분자 기계를 만드는 데까지 나아간 바 있다. 머릿속에서 레고 블록이나 끈 같은 걸 서로 엮어서 만든 뭔가를 구상한 다음 그걸 분자 수준에서 구체화한다고 생각하면 된다.
  • 펨토초화학(femtochemistry): 두 개의 아주 짧은 레이저 펄스(펌프, 프로브)를 펨토초 간격으로 내보내 화학 반응을 연구하는 펌프-프로브 분광법을 통해 마치 동영상을 찍듯이 실시간으로 화학 반응을 기록하고 연구하는 분야. 요새는 아토초(10^-18 초) 단위로도 내려가고 있다.
  • 표면화학: 고체를 비롯한 응집상의 표면에서 일어나는 화학 반응을 연구하는 분야. 특히 표면과 표면에 흡착된 화학종 간의, 또는 흡착된 화학종 간의 반응을 연구한다. 불균일 촉매 연구, 나노화학, 및 대기화학에서 중요한 부분을 차지한다.
  • 핵화학: 간단히 말해 방사성 동위원소에 대한 화학이다. 핵물리학처럼 근본 원리나 구조에 대해 파고드는 것 보다는 방사성 폐기물 보관과 재처리, 방사선이 생체 조직에 미치는 영향을 연구하는 등의 응용을 주로 목표로 삼는다. 틈새 시장을 노리는 거다. 방사능과 물질의 상호작용, 핵 붕괴 과정에서 나온, 고에너지 상태의 원자, 이온, 혹은 불안정한 동위원소의 화학 반응, 방사성 동위 원소를 통한 화학적 표지, 방사능 연대 측정법 등이 이 분야가 다루는 주요 내용이다.
  • 화학정보학: 정보과학 이론을 통해 화학 연구에 관련된 정보를 다루는 학문. 이른바 molecular mining.
  • 고체화학: Solid state chemistry. 금속, 이온성 고체,분자성 고체같은 무기 고체(inorganic solid)의 구조, 화학-물리적 성질을 다룬다. 화학 결합과 전자 구조간의 관계를 다루며, 결정성(crystalline), 비결정질(amorphous) 고체에서 원자 배열을 다룬다. 학부 3,4학년에서 배운다.
  • 생무기화학: 생체내에서 금속의 역할을 무기화학 관점에서 바라본다. 예를 들면 헤모글로빈의 철(Fe)원자, 광합성에서 엽록체의 마그네슘(Mg)원자등의 역할을 무기화학 관점에서 바라봄으로서 생명현상, 질병등을 규명하고, 나아가 치료법, 대체에너지, 공업적 이용을 연구하는 분야이다.
  • 석유화학: 석유화학은 연료가 아니라, 석유의 성분인 탄화수소 등을 합성원료로 해서 각종의 유기화합물을 만들어 내는 공업이다. 석유화학공업은 제2차 세계대전 이후 급속히 발전하여, 오늘날 석유는 화학공업의 큰 지주(支柱)의 하나로 되었다. 석유의 전 소비량에 비하면 합성 원료로서 쓰이는 양은 아직 10% 정도에 지나지 않지만, 이 부분문의 석유 사용량은 매년 증가하고 있다. 특히 폴리에틸렌(polyethylene)·나일론(nylon) 따위의 플라스틱이나 합성섬유 등 석유를 원료로 하는 분야에서 크게 증가하고 있다.

5. 물리학과의 관계

물리학 역시 물질을 연구[16]한다. 따라서 화학과 물리학의 차이가 궁금할 수 있을텐데, 우선 화학은 주로 분자 수준의 물질에서 일어나는 현상을 연구하는데 반해, 물리학은 분자 수준의 물질은 물론이고, 분자보다 작은 물질(원자, 소립자[17]) 및 분자보다 큰 물질(응집물질[18]), 그리고 기타 물질(플라스마)에서 일어나는 현상에 대해서도 연구한다. 즉, 연구 대상의 관점에서 보면 화학은 분자 수준의 물질에서 일어나는 자연 현상에 특화된 학문이라고 할 수 있다.

그리고 화학은 특정 지식을 추구하는 현상과학인데 반해, 물리학은 보편 지식을 추구하는 이론과학이다.(이를 쉽게 설명한 현직 교수의 글이 있다. - 해당 글의 마지막 3문단만 봐도 된다.) 물리학자들은 모든 자연 현상은 결국 '물질의 운동'이다고 보기 때문에[19], 운동에 관한 법칙을 찾아내고, 그것으로 모든 자연 현상을 설명·예측하고자 한다. 실제로 화학자들이 발견한 각종 현상들이나 각종 원리들도 대부분 좀 더 보편적(일반적) 지식이라고 할 수 있는 물리학 이론(가령 양자역학)으로 설명가능하다. 그리고 그것을 전문적으로 하는 학문도 있다. 즉, 분자 수준의 물질에서 일어나는 각종 현상(화학 현상)을 물리학 이론을 이용하여 설명하는 학문이 있는데, 이를 화학물리학 또는 물리화학이라고 한다.[20] 전자는 물리학 쪽에서 부르는 이름이고, 후자는 화학 쪽에서 부르는 이름이다. 물리화학은 모든 대학의 화학과에서 전공필수로 가르치고 있다. 때문에 양자화학으로 고통받는다! 팡팡 터지는 실험하다가 슈뢰딩거를 공부하면 뇌가 팡팡 터지는 기분이 든다

영국의 물리학자이자 노벨화학상을 수상한 어니스트 러더퍼드는 "자연과학은 물리학이거나 아니면 우표수집이다.(Science is either physics or stamp collecting.)"라는 말을 남겼다.자기가 받은상은 우표수집상인가보다[21] 이 말의 뜻을 오해하기 쉬운데, 이 말은 물리학 외 다른 자연과학을 폄하하는 것이 아니라, 이론과학인 물리학 외에 다른 과학은 자료를 모으는 활동이라는 뜻이다.[22] 즉, 과학은 보편지식 체계를 구축하는 이론과학과 현상을 기술하는 현상론(phenomenology)으로 구분할 수 있다는 뜻이다.#

소위 환원론자들은 '화학은 물리학의 용용이다'고 말한다. 하지만 과학철학계에선 이에 대한 반론도 많다. (가령 「고인석, 《화학은 물리학으로 환원되는가?》, 과학철학 8권, 1호, pp.57-80」 등 참조). 참고로 환원론자들은 생물학에 대해선 '화학의 응용이다', 심리학에 대해선 '생물학(특히 신경생물학, 뇌과학)의 응용이다'고 말한다.

6. 공학에 응용

화학공학, 생명공학, 재료공학이 화학에 기초한다.

현재는 나노과학분야를 토대로 화학, 화학공학, 재료공학 등의 연구분야가 겹치는 경우가 많다. 특히, 대학원 진학시, 여기에다 화학교육과와 함께, 네 전공이 같은 분야를 연구하기도 한다.

7. 대한민국에서의 화학교육과정

7.1. 중등교육과정

7.2. 대학교육과정

화학과 항목 참조

8. 화학자

화학자 문서 참조

9. 학회

10. 특이한 화학 실험들

  • 관련 전공자 위키러가 계신다면 해당 실험들에 대한 보다 구체적인 설명들도 추가바람.

10.1. 티오시안산 제2수은의 열분해

티오시안산 제이수은[27]의 열분해 장면. 약간 혐오 주의! 서양에서는 파라오의 뱀(Pharaoh's Serpent)이라고 알려져 있다. #

티오시안산 제이수은 (Hg(SCN)2)는 흰 불용성 고체이다. 이게 가열되면 열분해가 되는데, 그 과정에서 크고 아름다운 갈색 덩어리(C3N4)가 폭발적으로 생긴다.

2Hg(SCN)2 → 2HgS + CS2 + C3N4

하지만, 반응은 여기서 멈추지 않고 계속된다. CS2는 연소해서 이산화탄소(CO2)와 이산화황이(SO2) 생기고, 가열된 C3N4는 부분적으로 질소가스(N2)와 다이사이안(Dicyan, (CN)2)으로 분해된다.또, HgS는 주변의 산소와 반응해서 수은증기와 이산화황을 내뿜는다.

CS2 + 3O2 → CO2 + 2SO2

2C3N4 → 3(CN)2 + N2

HgS + O2 → Hg + SO2

이 실험을 할 때는 반드시 밖에서 아님 퓸 후드 안에서 하자. 여기서 생겨나는 것들은 거의 다 독성이 강하다. SO2만 해도 독성이 강한데, (CN)2와 수은은 그냥 청산가리랑 쎄쎄쎄 할 정도로 맹독이다.

10.2. 과산화수소와 아이오딘화칼륨의 혼합

과산화수소와 아이오딘화칼륨의 혼합. 서양에서는 코끼리치약(Elephant's Toothpaste)이라고도 한다.

사실 저 실험엔 비눗물도 함께 들어간다. 이오딘화포타슘은 과산화수소를 물과 산소로 분해시키는 훌륭한 촉매인데, 그렇게 하여 발생한 산소가 비눗물에 의해 작고 많은 비눗방울에 갇히면서 저런 치약모양이 되는 것이다. 추가 실험으로 저 치약같은 거에 꺼져가는 향불을 넣기도 하는데 당연히 거품 안에는 산소로 가득하니 잘 탄다. 실내에서 실험한다면 반드시 환기를 잘 시켜주자. 산소중독으로 죽는 수가 있다!

여담이지만, 초등학교 6학년 2학기 과학 4단원 '연소와 소화' 단원의 첫 실험이 이 실험이다.

10.3. 이크로뮴산 암모늄의 가열

이크롬산 암모늄[28]의 가열 장면. 화산 폭발처럼 분화하던 것이 좀 진정되는가 싶은 순간 튀어나오는 것은...[29] 마법의 가루다

10.4. 글루콘산칼슘의 가열

글루콘산칼슘[30]의 가열 장면.

10.5. 황산설탕의 혼합

황산설탕의 혼합. 이쪽은 꽤나 잘 알려져 있는 화학반응이다.

진한 황산은 탈수성질이 있어, 탄"수화"물에서 물을 없애 탄소만 남게 한다.

10.6. 갈륨 숟가락 녹이기

갈륨으로 만든 숟가락이 따뜻한 물에 녹는 모습. 이 역시 유명하다.

갈륨은 녹는점이 약 29.7 °C 정도로, 금속치고는 매우 낮다.[31] 그 때문에 끓는 물에서 녹는 것.

하지만, 신기하다고 만지지는 말자. 오래 만지면 피부가 어두운 색으로 변색될 수 있다는 게 함정

10.7. 리튬의 연소

리튬이 연소하는 모습을 느린 화면으로 촬영한 것.

더 격렬한 반응을 볼 수도 있다.

리튬은 주기율표에서 1족에 속하는 알칼리 금속으로, 매우 반응성이 높다. 그래서 금속이 연소하는 모습을 볼 수 있는 것이다.

특히, 칼륨, 칼슘, 나트륨, 루비듐, 세슘, 바륨 등의 1~2족 금속을 물에 넣으면 불이 붙는 것을 넘어 폭발하기도 한다.

10.8. 글리신과 질산염의 혼합

글리신과 질산염의 혼합.

11. 관련 어록

어떻게 보더라도, 화학자들의 공로로 우리 문명의 수준이 높아졌고, 나라의 생산 역량이 증대된 것은 사실이다.

- 캘빈 쿨리지, 1924년 4월 미국화학회를 대상으로 한 연설에서

화학의 목적은 시대에 따라 크게 변하였다. 한때 화학은 생명의 이론으로 불렸으며, 다른 때는 야금술의 한 분야였다; 그리고 한때는 연소에 관한 학문이었으며, 또 다른 때에는 의학의 조수였고, 한때는 원소라는 한 단어를 정의하기 위한 시도였으며, 다른 때에는 모든 현상에 대한 불변의 기초를 찾기 위한 탐구였다. 화학은 때로는 수공예로, 때로는 철학으로, 때로는 신비로, 그리고 때로는 과학으로 나타났다.

- 패티슨 뮤어, A History of Chemical Theories and Laws(1906)

화학을 처음 배우는 학생은 흔히 화학을 무식하게 암기해야 하는 단절된 사실의 단순한 집합으로 치부하곤 한다. 전혀! 제대로 살펴보기만 한다면 모든 것이 서로 잘 들어맞고 말이 될 것이다. 물론, 제대로 하는 법을 배우는 게 늘 쉽지만은 않다.[32]

- 아이작 아시모프[33], <From Earth to Heaven(1966)>

-이온화 경향

12. 관련 항목


  1. [1] MSG라든가 파라벤이라던가
  2. [2] 노벨상 수상자 중 분석 프로그램을 만든 사람이 나올 정도다.
  3. [3] 예컨대 증류기라든가..
  4. [4] 5년마다 환태평양 국가의 화학회들이 공동 주관하는 학술대회인 Pacifichem의 분야 분류법.
  5. [5] 흑연이나 다이아몬드, 그래핀
  6. [6] 입체이성질체를 선택적으로 합성하는 비대칭합성의 필수요소이다.
  7. [7] 물론 학과에 따라 분량은 다를 수 있다. 유기화학에서 배우는 경우도 있다.
  8. [8] 흡광도, 반응성, 전하, 전도도, 형광, 끓는점/녹는점, 용해도, 분자간 힘, 분자의 크기와 모양, 분자의 무게, 전자 밀도와 결정 구조...
  9. [9] 현대기기분석이 다루는 분석 범위는 실로 미세해서, 예컨대 최첨단 질량분석기들은 이제는 attomole~zeptomole 수준의 미량을 감지할 수 있다. 이쯤되면 거의 분자를 하나하나 세는 수준.
  10. [10] 원하는 분자만을 선택적으로 모으는 건 해당 분자를 뭔가에 쓰기 위한 필수 단계
  11. [11] 아마 계산화학 다음으로
  12. [12] 기기분석같은 수업을 듣다보면 어느새 회로를 짜고 있는 자신을 발견할 수 있다...
  13. [13] 펩타이드와 같은 생체 화합물이라고 해도 그것이 생체 내에서 가지는 화학적 성질에 관한 게 아니면 유기화학으로 쳐주는 경우가 많으며, 또 약물, 영양소, 독극물과 같은 비교적 인공적인 화합물도 그 생리적 활성에 관해서는 생화학에서 연구한다.
  14. [14] 실제로 많은 연구기관에서 생물화학과(Biological Chemistry)는 생명과학부에 소속되어 있고, 화학생물학(Chemical Biology)은 화학부에 소속되어 있는 편.
  15. [15] 예를 들자면 염화수소의 결합길이가 알고 싶다면 회전에 필요한 에너지를 가한다.
  16. [16] 연구대상 물질의 크기에 따라 입자물리학(particle physics), 핵물리학(nuclear physics), 원자분자물리학(atomic and molecular physics), 응집물질물리학(condensed matter physics), 플라스마물리학(plasma physics) 등으로 분류할 수 있다.
  17. [17] 렙톤(전자, 중성미자 등), 하드론(양성자, 중성자), 쿼크, 게이지입자(광자, 중력자, 글루온 등)
  18. [18] 수 많은 원자나 분자가 모여서 우리의 감각기관으로 인지할 수 있는 물질을 이루는데, 이것을 응집물질(condensed matter)이라고 한다. 생물체도 응집물질에 속한다.
  19. [19] 다만 현대 물리학에서는 물질 대신 장(field)이라는 개념이 등장하여, '장의 운동'이라는 관점에서 바라보기도 한다.
  20. [20] 물리학의 세부 분과 중 원자분자물리학(atomic and molecular physics), 그 중에서도 분자물리학과 밀접한 관련이 있다.
  21. [21] 그런데 사실 뭐, 러더퍼드의 노벨상 수상 업적은 '원소의 분열(변화)과 방사능 물질에 대한 연구'로서, 이 분야는 엄밀히 말하면 물리학의 영역인데다가, 러더퍼드 본인도 '노벨 화학상을 받게된 것이 원소의 변화보다 신비롭다'고 얘기하긴 했다(...). 다만 러더퍼드가 노벨상을 수상할 당시, 물리학은 이제 막 원자 구조 등 미시세계에 그 관심을 넓혀가던 때로서, 그 연구들은 화학의 발전에 큰 도움이 되었다. 따라서 러더퍼드나 마리 퀴리 등 물리학자들의 연구에 노벨 화학상이 수여되는 것이 사실 크게 이상한 일은 아니다. 오늘날에도 전자현미경을 개발하여 화학의 발전에 큰 기여를 한 물리학자나 공학자가 노벨 화학상을 수상하기도 한다.
  22. [22] 과학에서 자료를 모으는 활동의 중요성은 굳이 설명할 필요 없을 것이다. 과학은 기본적으로 귀납적 학문이라는 점을 생각해보면 알 것이다.
  23. [23] 물/화/지는 합쳐져 있어 딱히 어디라고 말할 수 없다(...)
  24. [24] 2010학년도 고등학교 입학생까지 적용되었던 7차 화학Ⅰ은 대부분의 대학교 화학과 학부생들과 화학 인강 강사들은 이걸 기술가정 II로 취급하지 절대 화학으로 인정하지 않았다. 이후 교육과정이 개편되면서 '이제서야 화학의 본 모습을 갖추었다'라는 평. 하지만 수학Ⅲ
  25. [25] 참고로 고급화학 앞 장을 펴보면 '고교와 대학일반화학과정 중간사이...'라고 다루는 범위 및 난이도를 적어놓았는데,,, 막상 보면 일반화학보다 더 어렵다. 일반화학 문제를 눈으로 풀 정도라도 고급화학 문제는 손으로도 못푼다. 하지만 과고에 입학하고 책만 받지 펴보는 일은 없기 때문에 큰 주목을 못 받는다. 화학 실험은 그래도 보고서를 써야 하기 때문에 자주 보게 되지만...
  26. [26] 대학교 화학 과정을 미리 배운다지만, 난이도는 대한민국 교육과정의 화학Ⅱ 보다 쉽거나 비슷한 수준. 다만 원자오비탈이 아닌 분자오비탈을 다루게 되면 얘기가 약간이나마 달라진다.
  27. [27] Hg(SCN)2
  28. [28] (NH4)2Cr2O7. 과거에는 중크롬산 암모늄이라고 불렸다고 한다.
  29. [29] 사실 저 촉수같은 것은 위의 티오시안산 제이수은실험과 같은 것이다.
  30. [30] Ca(C6H11O7)2. 칼슘 보충용 영양제로 쓰인다.
  31. [31] 녹는점이 가장 낮은 금속은 아니다. 미묘하게 더 낮은 세슘이 있으며, 수은아예 기본 상태가 액체이다(영하 40도쯤 가야 고체가 된다).
  32. [32] 이 구절에 공감한다면 당신은 진정한 화학자의 길을 걷고 있는 것이다.
  33. [33] 참고로 작가이자 생화학자였다.
  34. [34] 공업화학이나 반응기설계/반응속도론 등 응용화학과 연관된 분야가 있다. 다만, 모든 화학공학 분야들이 화학과 관계가 있는건 아니다. 특히 화공과 학부 수준에서는 공업화학이나 촉매 응용분야 등 응용화학 분야보단 열역학과 유체역학, 열전달, 물질전달, 그리고 필연적으로 마스터하게 되는 수치해석 등 응용물리학을 더 중요하게 다룬다.
  35. [35] 재료공학은 금속학과 무기재료공학(반도체, 순수무기재료) 및 고분자공학(고분자화학,물리 및 생체재료)의 통합적 학문이어서 어느 분야를 택하냐에 따라 응용화학이 될 수도, 반대로 기계과만큼이나 화학과 더 관련이 없을 수도 있다. 특히 금속학을 택하면 열역학과 결정학, 또는 고체역학을, 반도체재료를 택하면 양자물리, 전자기학, 고체물리학을 하게 되어서 완전히 응용물리로 빠지게 된다. '재료화학'이라는 화학의 하위 분야도 있지만 이 분야는 딱히 전공으로 분리되어있지 않고 대학원 수준에서 화학과 화공과 재료과에 애매하게 걸쳐서 연구가 진행되는 분야다.

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