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플로지스톤에서 정밀성까지: 산소 이론의 혁명과 현대 화학의 여명

by 대기업오너 2024. 4. 5.

라부아지에의 산소는 어떤 면에서는 플로지스톤의 반대였습니다. 가연성 또는 금속은 어떤 것을 방출하기보다는 지금 라부아지에가 산화라고 부르는 과정에서 산소를 흡수(더 정확하게는 화학적으로 결합)했습니다. 그는 대기 중의 공기가 산소와 그가 아조테 또는 질소라고 부르는 생리적으로 비활성인 가스(프리스틀리에 의해 알려져 있음)의 두 가지 주요 성분의 혼합물이라는 것을 보여주었습니다. 그는 또한 물이 산소와 캐번디시가 "염증성 공기"라고 불렀던 두 가지 물질의 화학적 화합물이라는 것을 보여주었습니다. 후자의 가스는 이제 수소 ("물 생산자")로 이름이 바뀌었습니다. 블랙의 고정된 공기는 산화된 탄소, 즉 이산화탄소의 기체 형태라는 것이 증명되었습니다. 라부아지에의 새로운 시스템의 다양한 부분들이 아름답게 어울리기 시작했습니다. 라부아지에의 성공의 열쇠는 두 가지였습니다. 첫째, 그는 가능한 한 가장 정밀하게 무게를 추적함으로써 자신이 연구한 화학 반응에 들어가고 나오는 가스를 포함한 모든 물질을 주의 깊게 설명했습니다. 그는 부분적으로 블랙의 사례를 통해 이 작업을 수행하는 것을 알았지만, 그는 과학이 이전에 본 적이 없는 숙달을 계속했습니다. 둘째, 그는 화학 원소, 즉 어떤 화학 반응의 결과로도 무게가 줄어들 수 없는 물질에 대한 간단한 작동 정의를 확립했습니다. 이제 산소, 탄소, 철, 황은 거의 30가지 다른 물질과 함께 원소로 간주되었습니다. 라부아지에는 프랑스 혁명이 시작된 같은 해에 등장한 새로운 산소주의 화학, 즉 Traélémentaire de Chimie (1789)를 홍보하는 교과서를 썼습니다. 그와 그의 동료들은 또한 새로운 저널과 함께 오늘날 무기 화합물에 사용되는 새로운 명명법을 개발했습니다. 고대 레짐의 귀족이자 세금 징수 기관의 투자자였던 라부아지에는 공포의 시대에 처형되었지만, 그 무렵(1794) 그가 시작한 화학 혁명은 플로지스톤 화학을 대체하는 데 크게 성공했습니다. 원자 분자론: 라부아지에의 일련의 화학 원소들과 화학적 조성을 이해하는 새로운 방법은 분석 화학과 무기 화학에 매우 귀중한 것으로 증명되었지만, 실질적인 의미에서 화학 혁명은 막 시작되었을 뿐입니다. 세기가 바뀔 무렵, 영국 퀘이커 교도인 존 돌턴(John Dalton) 교사는 이러한 원소 물질들 각각이 구성될 수 있는 눈에 보이지 않는 작은 궁극의 입자들에 대해 궁금해하기 시작했습니다. 그는 각 원소의 원자가 서로 다르다면, 각 원소에 고유한 별개의 무게를 특징으로 해야 한다고 생각했습니다. 비록 이 원자들이 개별적으로 무게를 내기에는 너무 작았지만, 그는 예를 들어 이러한 원소들의 거시적인 양의 반응하는 무게를 조사함으로써 서로에 대한 그들의 무게, 즉 산소 원자와 수소 원자의 무게 비율을 추론할 수 있다는 것을 깨달았습니다. 사실, 화학량론(원소의 무게를 합친 것)의 법칙은 막 개발되고 있었고, 돌턴은 이러한 규칙성을 자신의 추론을 정당화하기 위해 사용했습니다. 이러한 문제에 대한 그의 첫 번째 논의는 1803년으로 거슬러 올라가며, 그는 화학 철학의 다권류 체계(1808–27)에서 그의 원자 이론을 제시했습니다. 돌턴의 원자론은 화학사에서 획기적인 사건이었지만 결정적인 결함이 있었습니다. 그의 절차는 원소들의 결합에서 비롯된 단순한 화합물의 공식을 알아야 했습니다. 예를 들어, 당시의 분석 자료에 따르면 물은 산소 7중량부와 수소 1중량부의 결합에서 비롯되었습니다. 만약 생성된 물 분자가 HO였다면, 이들 원소의 원자들의 무게비는 7대 1로 같아야 합니다. 그러나 공식이 H2O라면 산소 원자의 무게는 수소 원자의 14배가 되어야만 했습니다. 그 당시에는 단순히 분자 공식을 결정할 방법이 없었기 때문에 돌턴은 자연의 단순함에 근거하여 가정을 했습니다. 그는 물 공식으로 HO를 선택했고, 따라서 산소의 상대적인 원자량으로 7을 선택했습니다. 그 후 몇 년 동안, 몇몇의 선도적인 화학자들은 돌턴 이론의 필수 요소들을 채택했지만, 많은 사람들은 방금 설명한 가설적인 요소들에 반대했고, 일부는 눈에 보이지 않게 작은 것들의 세계를 조사할 수 있는 바로 그 가능성을 의심했습니다. 1808년 프랑스의 화학자 요제프 루이 게이뤼삭은 기체가 화학적으로 결합할 때 부피에 따라 작은 적분 배수로 결합한다는 것을 발견했습니다. 3년 후 이탈리아의 물리학자 아메데오 아보가드로는 이 사실이 같은 부피의 기체가 같은 수의 구성 입자(아보가드로의 법칙)를 포함하고 물리적 조건이 같다는 것을 시사한다고 주장했습니다. 이 아이디어는 특정 분자 공식을 결정하는 물리적 방법을 제공했습니다. 예를 들어, 게이뤼삭은 정확히 두 부피의 수소가 정확히 산소 한 개와 결합하여 물을 형성한다고 지적했습니다. 아보가드로가 옳다면, 물의 공식은 H2O여야만 했습니다. 그러나 이러한 추론 방식은 또한 기본 기체가 다원자 분자(O2, H2 등)를 가지고 있다는 불편한 개념으로 이어졌고, 따라서 많은 화학자들은 아보가드로의 가설을 거부했습니다. 초기 원자론자들 중 단연코 가장 위대한 사람은 스웨덴의 욘스 야코브 베르셀리우스로, 아보가드로의 아이디어의 일부를 받아들여 1826년까지 화학 원자론의 정교한 버전을 개발했습니다. 1813년에 원소, 원자, 분자의 공식을 나타내는 알파벳 체계를 제안한 사람은 베르셀리우스였고, 1830년경 화학적 조성과 반응을 연구하는 데 도움이 되는 공식의 사용이 꽃을 피우기 시작했습니다. 그러나 서로 다른 화학자들은 여전히 물과 같은 단순한 화합물의 공식에 대해 서로 다른 가정을 하고 있었기 때문에 수십 년 동안 여러 유럽 국가에서 원자량과 공식의 다양한 불일치 체계가 사용되었습니다.