화학의 사색: 물리·유기·무기·분석화학

 

아침에 일어나 눈을 뜨고 다시 잠자리에 들기까지 우리는 수많은 물질과 접촉합니다. 우리가 숨을 쉬는 데 없어서는 안 될 공기, 잠을 깨기 위해 마신 커피 한 잔 등이 그 예시지요. 우리의 일상을 가득 채우고 있는 것들은 대부분 화학물질로 이루어져 있습니다. 물론, 아주 드문 경우를 제외하고 말이죠.

매일 우리와 더불어 살아가는 화학은 자연 과학의 한 분야인데요. 오늘은 화학이라는 큰 덩어리를 네 개의 분야로 나누어 살펴보려고 합니다. 그럼, 지금 바로 화학의 사색(四色)에 잠겨 볼까요? 

 

 

01

화학의 뿌리, 물리화학

   

 

물질의 성질과 구조, 그 변화를 다루는 화학의 중심에는 물리화학(Physical chemistry)이 있다고 해도 과언이 아닙니다. 간단한 분자부터 복잡한 구조의 고분자까지 다양한 물질의 성질과 원자들 사이에서 일어나는 여러 화학 현상을 물리학의 법칙을 기반으로 연구하는 학문이기 때문이죠.

물리화학은 크게 네 가지 분야로 나누어집니다. 화학 변화 과정에서 발생하는 에너지를 다루는 열역학, 양자 역학의 이론을 활용하여 원자와 분자 등 물질의 미시적인 화학적 성질과 현상을 이해하는 양자화학, 열역학과 양자화학의 사이를 이어주는 통계역학, 화학 반응의 속도를 연구하는 반응속도론이 그 주인공이죠. 앞서 말씀드린 것을 토대로 쉽게 정리하자면, 물리화학은 다양한 분자의 구조, 에너지와 그 반응에 관해 종합적으로 연구하는 학문입니다.

물리학의 법칙과 수학을 기반으로 화학 현상의 원리를 밝히는 물리화학! 이와 더불어 물리화학은 생명, 의학, 소재와 관련된 학문과의 복합적인 연구를 통해 현재 우리 사회가 마주하고 있는 환경·에너지·질병 등의 문제 해결에도 도움이 된답니다.

▶물리화학의 대표적인 분야 중 하나인 열역학을 알아보자!

[쉽게 읽는 과학 1] 열역학 0법칙

 

 

02

대부분의 탄소화합물을 연구하는 유기화학

  

 

우리의 눈을 사로잡는 다이아몬드와 일상에서 꼭 필요한 석유의 공통점이 무엇인지 아시나요? 바로, 탄소(Carbon·C)로 이루어져 있다는 것입니다. 우주에서 여섯 번째로 많은 물질인 탄소는 수소·산소·질소 등의 원소와 안정적으로 쉽게 결합합니다. 

탄소의 산화물이나 금속의 탄산염 등을 제외한 탄소 화합물을 유기 화합물이라고 하는데요. 유기화학(Organic chemistry)은 이런 유기 화합물의 성질과 반응, 용도 등을 연구하는 분야입니다. 즉, 탄소가 중심이 되는 물질에 관한 학문이죠. 유기화학에서는 유기 화합물을 연구하며 알게 된 물질의 반응성을 바탕으로 새로운 유기 반응을 이끌어 내고, 효율적인 분자 구조를 디자인합니다. 

그렇기 때문에 우리의 주변을 살펴보면 유기화학과 관련된 제품이 참 많은데요. 옷의 소재로 사용되는 나일론이나 폴리에스터, 스마트폰의 OLED 디스플레이, 화장품, 의약품 등 광범위한 분야의 제품들이 탄소를 포함한 유기 화합물이기 때문에 유기화학과 관련이 있답니다.

 

 

03

역사적으로 가장 오래된 무기화학

   

 

19세기 초까지 유기 화합물은 동·식물과 같은 생물에 의해서만 만들어진다고 알려져 있었기 때문에 유기(organic)* 화합물로 정의했습니다. 그와 반대로 생명이 없는 광물체로부터 얻는 화합물을 무기(inorganic) 화합물이라고 구분했습니다. 물론, 1828년 독일의 화학자 프리드리히 뵐러(Friedrich Wohler)가 무기물로부터 유기 화합물의 합성 가능성을 주장한 이후에 이러한 구분법은 타파되었지만요. 

일반적으로 알려진 유기 화합물을 제외한 모든 화합물에 대한 구조와 화학적 성질, 화학 반응 등을 연구하는 분야가 무기화학입니다. 모든 원소와 무기화합물을 다루기 때문에 화학 분야에서 역사가 가장 긴 학문이라고 볼 수 있죠.

무기화학은 고전적으로 배위화학**과 촉매화학, 유기금속화학 등을 연구하며, 촉매, 계면활성제, 항암제 등 의약품, 배터리, 비료와 같이 화학 산업의 전반적인 부분을 다룹니다. 덧붙여 전자 재료와 소재 개발 등 산업적 응용성을 갖고 새로운 영역으로 확장되고 있답니다.

*유기: 생명을 가지며, 생활 기능이나 생활력을 갖추고 있음
**배위화학: 금속 이온과 다른 분자·이온의 결합에 의해 생기는 배위 화합물에 관한 화학.

 

 

04

화학 분석 방법을 탐구하는 분석화학

   

 

물질의 성질과 구조, 그리고 그 변화를 탐구하는 것이 바로 화학인데요. 분석화학은 여러 화학적 접근을 통해 다양한 물질의 성질과 구조 등의 특성을 알아내기 위한 방법을 탐구합니다. 즉, 물질을 분석하는 기술과 방법, 이론 등을 연구하는 것이죠. 

분석화학은 분석하는 물질에 따라 무기분석과 유기분석으로 나뉘고, 분석하는 방법에 따라 화학분석과 물리분석으로 구별되기도 합니다. 또한, 분석하는 목적에 따라 정성분석과 정량분석 등으로 나눠지기도 하죠. 많고 많은 분석 방법과 이론을 바탕으로 여러 물질의 특성을 연구하는 분석화학은 화학의 기반이 된다고 봐도 무방합니다.

빠르게 변화하는 세상에서 분석화학을 위한 기기와 그 기술은 급격히 발전하고 있습니다. 발전된 분석화학 기술은 다양한 소재나 새로운 나노 수준의 물질 등을 연구하는 데 도움이 되며, 광전자 소재 개발 등 현 사회에서 분석화학을 필요로 하는 영역에 기여하고 있습니다.

 

▶화학 분석이 궁금하다면?

화학 분석의 프로세스 이해하기

 

 

오늘은 화학의 사색(四色)에 잠겨 화학의 갈래 중 그 근본이 되는 분야에 관해 알아보았는데, 어떠셨나요? 광범위한 영역에서 무궁무진하게 응용할 수 있는 화학이기 때문에 우리는 늘 화학과 함께할 수밖에 없는 것 같습니다. 그럼 다음에는 더 유익한 화학 이야기로 돌아오겠습니다.

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종합 케미칼 & 에너지 리더,

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