<하늘과 바람과 별과 인간>1장~3장 요약정리 및 발췌
샛별BOOK연구소
교양인문 <하늘과 바람과 별과 인간>, 김상욱, 바다출판사, 2023.(397쪽 분량)
-원자에서 인간까지-
[낭독&필사클럽] 10기 책입니다. 제목도 근사한 <하늘과 바람과 별과 인간>입니다. 제목은 시처럼 낭만적인데 내용은 원자, 물리, 화학, 생물, 지구... 음 물화생지를 배우는 것처럼 무척 어려웠어요. 함께 필사하고 ZOOM으로 만나 낭독했더니 그나마 조금 더 이해하게 되더라고요. 장마다 요약정리를 했는데 블로그에 실어봅니다. 이 책은 꼭 재독, 삼독해야 이해할 수 있어요. 과학용어가 수두룩하고, 근본적인 원리 설명이 많습니다. 세상이 어떻게 생겨났는지 그 근원에 대한 과학적 질문과 물리학자의 답을 적어놓은 책입니다. 그래도 원자가 이 세상의 만물이라는 걸 알게 되었으니 큰 소득이네요. ㅎㅎ 우선 1장-3장까지 요약정리 올립니다.
함께 낭독&필사해 주신 샘들 고맙습니다.
[낭독&필사클럽] 10기 샘들~ 표지 찍어주셔서 감사합니다.
1장 '원자는 어떻게 만물이 되는가' 요약정리
-원자라는 불온한 사상
-원자는 숫자놀이의 산물
-원자는 어떻게 생겼나?
-파울리 배타 원리
-주기율표의 비밀
-원자가 우주에 대해 알려준 것
■ 원자는 물리학자가 아닌 화학자들이 발견.
-화학자 라부아지에는 101일 동안 증류실험을 한다./단두대 처형
-물을 끓이면 흙으로 변한다는 생각으로 실험.
-그러나 침전물(흙)은 실험장치의 일부나 물에 녹아 나온 것으로 밝혀짐.
-원자의 존재는 기체연구에서 밝혀졌다.
-1774년 조지프 프리스틀리가 산소 발견/추후 미국으로 도망쳐야 했음.
-1776년 헨리 개번디시가 수소 발견
-수소 2리터 + 산소 1리터 = 수증기 2리터 발견
-산소원자가 수소 원자보다 16배 무겁다는 사실 발견.
-기체의 부피는 원자하나의 크기나 모양과는 상관없고 오직 원자의 개수와 관계가 있다.
-이처럼 어떤 비를 정의할 때 ‘원자’라는 최소단위가 있다는 것을 의미.
-데모크리토스가 말한 대로 만물은 쪼개지지 않는 원자로 되어 있는 것이다.(p.28)
■ 그렇다면 원자는 어떻게 생겼을까? 물리학자의 등장
-원자= 원자핵+전자
-1897년 조지프 톰슨이 전자 발견
-1911년 어니스트 러더퍼드가 원자핵 발견
-1913년 닐스 보어가 러더퍼드의 실험결과를 바탕으로 원자의 구조 이론설명.
-1925년 베르너 하이젠베르크는 보어의 이론에 등장하는 양자역학 수학을 확립
-1926년 에르빈 슈뢰딩거 전자의 운동을 기술하는 파동 방정식 발견.
이렇게 탄생한 새로운 물리학을 ‘양자역학’이라 부른다.(p.30)
'수소를 간접적으로 느끼고 싶다면 물을 만져보시라. 물을 이루는 원자의 3분의 2가 수소니까.'(p.54)
■ 수소는 가장 단순한 원자다.(p.31)
-원자핵은 양성자 하나 +전자 하나
-수소 원자에는 전자가 하나 있다.
-‘태양이 원자 핵이라면 지구는 전자다’(p.38)
-‘객실 하나에 전자 2개까지 들어간다는 말이다. 이것을‘파울리의 배타 원리’라고 한다.(p.37)
-‘방 하나에 전자 2개가 들어간다는 파울리의 배타 원리는 물질세계를 이해하는 데 가장 중요한 규칙이다.’(p.39)
-‘세상 만물은 원자로 되어 있고, 원자는 양자역학의 수학으로 기술된다.’(p.41)
■ 주기율표의 비밀
-1869년 러시아 화학자 드미트리 멘델레예프가 주기율표 만듦.
-‘주기율표’란 원자들을 질량순으로 늘어놓은 표.
공기를 연구하고 있는 프랑스인 라부아지에 / 101일 동안 증류실험을 하는 모습입니다. 물을 밀폐 상태에서 가열하고 식히고 반복하면 침전물, 즉 흙이 되지 않을까 생각해서 실험을 하고 있습니다. 그러나 그 침전물은 결국 흙이 아닌 실험장치의 일부가 녹아서 나온 것이라고 밝혀집니다. 라부아지에는 프랑스혁명 때 세금징수와 관련된 회사에서 일했다며 단두에서 처형을 당합니다. 이를 두고 수학자 라그랑주는 "라부아지에의 머리를 베어버리는 것은 순간이지만 프랑스에서 그와 같은 두뇌를 만들려면 100년도 넘게 걸릴 것이다"(p.29)라고 말했다고 합니다.
2장 '내 이름은 원자' 요약정리
-나는 수소
-내 이름은 탄소
-나를 질소라고 부를 것이다
-저는 산소랍니다
-만물은 원자로 되어 있다
■ 나는 수소
-‘수소는 양성자 하나, 전자 하나로 구성된다.’(p.53)
-수소는 우주에서 가장 중요한 원자다.
-우주의 75%가 수소이다.
-태양의 73%가 수소, 25%가 헬륨이다.
-물을 이루는 원자의 3분의 2가 수소이다.
-지구는 주로 질소와 산소로 되어 있다.
-수소는 가볍다.
-‘수소가 전자를 잃으면 수소 이온이 된다.’(p.55)
-‘식물의 광합성은 태양 빛으로 물분자를 분해시켜 수소 이온과 산소 이온을 만드는 과정이 핵심이다’(p.56)
-광합성은 태양광을 이용하여 물을 수소와 산소로 분해하는 과정이다.
-식물은 생존을 위해 태양빛과 물을 필요로 한다.
-식물은 물을 분해해 수소 이온을 에너지로 쓰고, 산소는 버린다.
-동물도 수소 이온을 이용해 에너지를 얻는다.
-‘수소 이온은 생명의 에너지원이다.’(p.56)
탄소의 동소체, 흑연(좌)과 다이아몬드(우)
■ 내 이름은 탄소
-‘탄소의 원자 번호는 6번, 원자 기호는 C다.’ (p.57)
-탄소는 소시지가 4개 있으니 수소 4개가 결합이 가능. =메테인(CH4)
-탄소는 4개의 팔을 가진 괴물과 비슷하다.
-우리 몸에 필요한 3대 영양소= 탄수화물, 지질, 단백질.
-탄수화물= 탄소와 수소의 화합물
-지질은 딱 봐도 탄소가 줄줄이 연결되어 끈처럼 된 구조다.
-단백질은 생명의 물질이다. =콩에 많이 있음.
-‘효소는 단백질이다’ (p.59)
-다세포 생물은 대개 산소로 호흡해 에너지원을 얻는다.
-탄수화물, 지질을 산소로 태워 에너지를 얻는다. 이 과정에서 이산화탄소가 발생한다.
-동물은 식물을 먹고 탄소를 얻고 이산화탄소를 배출한다.
-식물은 동물이 뱉은 이산화탄소를 먹고 탄소를 얻는다.
-‘생명의 원자인 탄소는 동물과 식물 사이를 오가며 여러 가지 물질의 일부가 될 뿐 결코 사라지거나 만들어지 않는다.’(p.61)
-탄소에 수소가 주르륵 달리면 휘발유, 플라스틱, 석탄이 된다.
-인간의 연료인 화석연료는 탄소 화합물이다.
-증기기관은 석탄을 태우고, 자동차는 휘발유를 태운다.
-‘탄다는 것은 화학적으로 산소와 결합하는 것을 말한다’(p.62)
탄소(C) 원자가 주변 4개의 탄소와 공유결합한 가장 단단하고 투명한 등축정계의 고압 광물이다.
(갖고 싶어요ㅋㅋ)
■ 나를 질소라고 부를 것이다
-질소의 원자 번호는 7번, 원자 기호는 N이다.
-질소는 팔이 3개. 수소와 결합하면 암모니아(NH3)
-질소는 강하고 깨기가 힘들다.
-‘단백질 골격의 절반이 질소다’(p.63)
-공기의 80%가 질소.
-생산성이 떨어진 밭은 질소 고갈 때문이다. 밭에 콩을 심으면 해결된다.
-‘질소가 부족하면 탄소나 산소가 아무리 많아도 생물은 생존할 수 없다.’(p.64)
-땅에 콩을 심으면 질소고정박테리아가 공기 중의 질소분자를 고정 질소로 바꿔준다.
-우리는 이런 땅을 비옥하다고 한다.
-거름에는 인간과 가축의 배설물도 있다.(고정 질소포함)
-‘20세기 초 독일의 프리츠 하버와 카를 보슈는 고정 질소를 만드는 화학적 방법을 개발’(p.67)
-‘하버-보슈법’ 질소를 화학적 방법으로 개발.
-거름이 필요한 인간은 중화학공업을 탄생시킨다.
-2023년 세계 인구 80억/ 하버-보슈법이 없었으면 30억 명 이상 먹여살릴 수 없었음.
■ 저는 산소랍니다.
-산소의 원자 번호는 8번. 원자 기호는 O다.
-산소원자 = 수소원자 2개. 물 H2O
-산소야말로 생명의 기체다.
-‘산소는 전자만 보면 환장한다’(p.69)
-산소와 결합하는 것을 산화(酸化)라 부른다.
-전자를 좋아하는 산소와 결합하는 다른 원자입장에서는 전자를 빼앗기는 셈.
-산소와 철이 만나면 녹이 쓴다.
-광합성을 하는 ‘시아노박테리아’가 탄생
-초기 지구 생명체에게 시아노박테이라는 최악의 ‘빌런’이었던 셈.
-산소 호흡을 하지 못하는 생명체는 현미경으로 볼 수 있는 단세포 생물들뿐이다.
나트륨(Na)과 염소(Cl)가 정육면체 모양의 격자에 벌갈아 놓이면 ‘소금(NaCl)’이라 불리는 물질이 된다.(p.75)
3장 '물질을 만드는 세 가지 방법' 요약정리
-이온결합: 전자를 버리거나 줍거나
-공유결합: 전자 나누어 갖기
-금속결합: 양자역학이 필요해
-화학으로 본 세상
-물리학자에게 신이란
3장 ‘물질을 만드는 세 가지 방법’
-‘세상 만물은 주기율표의 원자들이 모여 만들어진 것이다’(p.75)
-나트륨(Na)과 염소(Cl)가 정육면체 모양의 격자에 벌갈아 놓이면 ‘소금(NaCl)’이라 불리는 물질이 된다.(p.75)
-원자가 모인 것을 분자라고 한다.
-원자결합의 주인공은 전자다. 이온결합/ 공유결합/ 금속결합.
■이온결합: 전자를 버리거나 줍거나
-전자가 한 원자를 완전히 떠나 다른 원자로 이동하여 결합이 만들어지면 ‘이온결합’
-소금을 생각해보면 나트륨에서 전자를 빼서 양이온을 만들고 염소에 전자를 더해서 음이온을 만들면 된다.
-소금의 경우 나트륨은 전자를 떼어내기 쉽고, 염소는 전자를 받기 쉽다. (p.78)
-염소기체는 혈관을 타고 폐로 들어가 조직을 손상시킨다.(p.82)
‘나트륨이 생존에 중요하기에 우리는 짠맛에서 행복을 느끼고 쉽게 중독된다. 아니, 짠맛에 심드렁했다면 생존하기 힘들었을 것이다.’(p.79)
■공유결합: 전자 나누어 갖기
-전자가 결합에 참여하는 두 원자 사이에서 사이좋게 공유되면 ‘공유결합’
-공유결합은 단단하고 구조를 바꾸기 어렵다.
-‘탄소의 공유결합으로 만들어진 다이아몬드가 그 예다.’(p.86)
-연필심으로 사용되는 흑연도 탄소의 공유결합.
■금속결합: 양자역학이 필요해
-금속은 인류에게 중요한 물질이다.
-인간문명사를 청동기, 철기 시대라고 불렀음
-금속의 이용에 중요한 것은 부식과 용융이다.
-‘은, 금, 백금이 전자를 가장 내놓지 않으려고 하니까 잘 녹슬지 않는다.’(p.94)
■화학으로 본 세상
-화학물보다 천연물이 좋다고 생각한다. 화학 공장은 혐오시설이고, 화학은 환경 오염이나 일으키는 더러운 과학일까.(p.97)
발췌
세상은 원자와 진공으로 이루어져 있다. 존재하는 만물은 100여 종류의 원자들이 마치 레고 블록같이 여러 가지 방식으로 결합하여 만들어진다. 20세기 탄생한 양자역학은 개별 원자들의 특성뿐 아니라 이들이 결합하는 방식까지 설명해 준다. 만물이 원자로 되어 있으니 양자역학은 만물을 설명한다고 할 수 있다. 고대 그리스 철학자들이 간절히 알고자 했던 “만물의 근원은 무엇인가?”라는 질문에 대해 이제 우리는 당당히 답할 수 있다. 답은 원자, 바로 중세의 불온사상이다. (p.11)
원자가 어떻게 결합하는지 탐구하는 학문을 화학이라고 한다. 양자역학은 원자가 그렇게 결합하는 이유를 설명한다. 원자의 정수는 원자핵이다. 원자핵이 가진 양성자의 수가 원자의 정체성을 결정한다. 전자는 그것을 보호하듯이 감싸 안고 있다. 따라서 외부에서 보는 원자의 모든 특성은 전자가 결정한다. 전자는 양자역학이 허용하는 특별한 상태를 가진다. 이때 파울리의 배타 원리는 중요한 역할을 한다.(p.47)
수소는 우주에서 가장 중요한 원자다. 우주에서 존재하는 원자의 무려 75퍼센트가 수소이기 때문이다(암흑 물질이나 암흑 에너지는 무시했다.) 나머지 25퍼센트는 원자 번호 2번인 헬륨이다. 둘을 더해서 완전히 100퍼센트가 아니기에 다른 원자들도 존재할 수 있다. 원자 번호 1번과 2번 원자가 우주에서 가장 많은 것은 우연이 아니다. 빅뱅으로부터 시작된 우주의 역사에서 핵반응을 통해 가장 단순한 구조의 원자가 먼저 만들어졌기 때문이다. 태양계도 대부분 수소다. 태양의 73퍼센트가 수소, 25퍼센트가 헬륨이니까. (p.54)
[낭독&필사클럽] 10기 샘들~ 필사 감사합니다.
이 지구상의 다세포 생물은 대개 산소 호흡으로 에너지를 얻는다. 앞서 이야기한 탄수화물, 지질을 산소로 태워 에너지를 얻는 것이다. 이 과정에서 이산화탄소가 발생한다. 호흡의 부산물이다. 우리가 탄소를 자연에 되돌려주는 과정이기도 하다. 우리 같은 동물은 다른 동물이나 식물을 먹어서 탄소를 얻는다. 식물도 생물이니 탄소가 필요하다. 식물은 동물이 배출한 이산화탄소에서 탄소를 얻는다. 원자는 영원불멸한다. 생명의 원자인 탄소는 동물과 식물 사이를 오가며 여러 가지 물질의 일부가 될 뿐 결코 사라지거나 만들어지지 않는다. 동물과 식물은 이산화탄소를 통해 탄소를 주고받는다. 동식물 간 원활한 탄소 교환이 가능한 것은 이산화탄소가 기체이기 때문이다.(p.61)
‘전자가 어떤 역할을 하느냐에 따라 원자 결합은 크게 세 종류로 나뉜다. 전자가 한 원자를 완전히 떠나 다른 원자로 이동하여 결합이 만들어지면 ‘이온결합’, 전자가 결합에 참여하는 두 원자 사이에서 사이좋게 공유되면 ‘공유결합’, 원자에서 떨어져 나온 전자들이 집단적으로 원자들의 결합을 매개하면 ‘금속결합’이다. 우리 몸을 이루고 있는 탄수화물, 지질, 단백질 분자와 주변에 널려있는 플라스틱의 탄소 뼈대는 공유결합의 산물이고, 부엌에 있는 칼이나 수저 같은 금속은 금속결합 물질이며, 소금, 분필(CaCO3), 제설제(CaCl2), 비누(NaOH)등은 이온결합 물질이다.(p.77)
‘공유결합은 단단하고 구조를 바꾸기 어렵다. 예를 들어 탄소의 공유결합으로 만들어진 다이아몬드가 그 예다. 다이아몬드는 탄소의 정사면체 소시지가 다른 탄소의 정사면체 소시지와 겹쳐 공유결합을 형성하여 그물같은 촘촘한 구조를 갖는다. 연필심으로 사용되는 흑연도 탄소의 공유결합으로 되어 있다. 흑연은 마치 A4용지가 쌓여 있는 것처럼 평평한 판들이 층층이 쌓인 구조를 갖는다. 여기서 공유결합은 평평한 판 모양의 구조물을 형성하는 데에만 기여한다. (p.86)
