[과학사] 원자설에 외면받던 분자설을 연구한 청년

원자로 설명할 수 없었던 기체 반응, 아보가드로와 분자 개념의 탄생

보이지 않는 '분자'의 세계를 상상해 낸 이탈리아의 천재 과학자

산소 기체 1리터와 수소 기체 1리터 속에는 과연 몇 개의 알갱이가 들어 있을까요?
기체의 종류가 달라도 같은 공간 안에는 항상 똑같은 개수의 알갱이가 존재한다는 이 마법 같은 법칙은, 당시 과학계를 대혼란에 빠뜨렸던 '원자'의 치명적인 모순을 완벽하게 해결한 위대한 상상력에서 출발했습니다.

19세기 초반의 화학계는 보이지 않는 미시 세계의 규칙을 두고 거대한 모순에 빠져 있었습니다. 영국의 존 돌턴이 제안한 절대 쪼개지지 않는 '원자설'과, 프랑스의 게이뤼삭이 실험으로 증명한 '기체 반응의 법칙'이 서로 충돌하고 있었기 때문입니다. 이 혼란 속에서 '분자(Molecule)'라는 완전히 새로운 개념을 도입해 과학계의 엉킨 실타래를 풀어낸 이탈리아의 물리학자 아메데오 아보가드로(Amedeo Avogadro)의 이야기를 시작하겠습니다.

STEP 01

원자설과 기체 반응 법칙의 거대한 충돌

당시 화학자들은 돌턴의 원자설을 절대적인 진리로 믿었습니다. 돌턴은 물질을 쪼개고 쪼개면 더 이상 쪼개지지 않는 가장 작은 알갱이인 '원자'만 남는다고 주장했습니다. 그런데 게이뤼삭이 실제 기체들을 섞는 실험을 통해 이상한 결과를 발표합니다. 수소 기체 2부피와 산소 기체 1부피가 결합하면 수증기 2부피가 만들어진다는 것이었습니다.

Insight : 산소 원자가 반으로 쪼개져야 한다?

돌턴의 원자설대로라면, 산소 원자 1개가 두 개의 수증기 덩어리로 나뉘어 들어가기 위해서는 산소 원자가 정확히 반으로 쪼개져야만 했습니다. 절대로 쪼개질 수 없다던 원자가 쪼개져야만 설명이 되는 이 치명적인 모순 때문에 당대 최고의 과학자들은 깊은 혼란에 빠졌습니다.

STEP 02

분자(Molecule)라는 위대한 상상력

이 거대한 모순을 단번에 해결한 구원자는 바로 아보가드로였습니다. 1811년, 그는 실험실의 데이터가 아니라 오직 순수한 수학적 사고력만으로 놀라운 가설을 제안합니다. 자연계의 기체들은 원자 혼자서 둥둥 떠다니는 것이 아니라, 원자 몇 개가 손을 잡고 뭉쳐 다니는 '분자(Molecule)' 형태로 존재한다는 것이었습니다.

아보가르도 법칙

Insight : 아보가드로의 법칙 (Avogadro's Law)

아보가드로는 원자와 분자를 완벽하게 구분 지으며 다음과 같이 선언했습니다.

• 산소 기체는 산소 원자 하나가 아니라, 산소 원자 두 개가 끈끈하게 결합한 '산소 분자' 형태로 존재합니다.
• 따라서 화학 반응이 일어날 때 분자를 구성하던 원자들이 떨어져서 다시 재배열될 뿐, 원자 자체가 반으로 쪼개지는 것은 결코 아닙니다.
• 이를 바탕으로 그는 '모든 기체는 같은 온도, 같은 압력, 같은 부피 속에 항상 같은 수의 분자를 가진다'는 아보가드로의 법칙을 정립했습니다.

STEP 03

50년 만에 빛을 본 불운의 천재

그러나 당대의 권위 있던 과학자들은 눈에 보이지도 않는 '분자'라는 새로운 개념을 터무니없는 억측이라며 철저히 무시했습니다. 아보가드로의 위대한 논문은 학계의 차가운 외면 속에 서랍장 깊은 곳에서 먼지만 쌓여갔고, 결국 그는 자신의 훌륭한 이론이 인정받는 것을 보지 못한 채 씁쓸하게 세상을 떠났습니다.

그로부터 약 50년이 흐른 1860년, 국제 화학자 회의에서 이탈리아의 화학자 스타니슬라오 칸니차로가 아보가드로의 낡은 논문을 다시 꺼내어 그 완벽한 논리를 증명해 냈습니다. 비로소 전 세계의 과학자들은 기립 박수를 치며 그의 천재성을 인정했습니다. 오늘날 화학에서 물질의 양을 세는 가장 절대적인 기준인 '아보가드로수(6.022 × 10²³)'는 이 불운했던 천재의 업적을 영원히 기억하기 위해 붙여진 헌사입니다.

"원자는 쪼개지지 않는다.
그러나 원자들은 서로 손을 잡고 분자가 되어 우주를 떠돈다."

가장 완벽하다고 믿었던 이론의 모순을 마주했을 때, 이를 덮어두지 않고 새로운 차원의 입자인 '분자'를 상상해 낸 아보가드로. 눈에 보이지 않는 세계를 꿰뚫어 본 그의 위대한 사고력은 오늘날 현대 화학을 떠받치는 가장 튼튼한 기둥이 되었습니다.

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위대한 과학적 통찰은 기존의 법칙들이 서로 부딪히는 모순 속에서, 두 이론을 완벽하게 품을 수 있는 상위 개념을 상상해 내는 '사고력'에서 시작됩니다. 아보가드로가 원자설의 한계를 넘어 분자를 상상해 냈듯, 얽힌 문제 속에서 나만의 논리적인 해결책을 도출하는 방법이 궁금하시다면 청랑북스의 추천 도서를 확인해 보세요.

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