“자연의 레시피는 정해져 있다”
[11day] 조제프 프루스트 (1754–1826)
물을 만들려면 수소 1, 산소 8이 필요해
[Today's Scientist] 프루스트는 프랑스의 화학자로, 화합물을 구성하는 성분들의 질량비는 항상 일정하다는 ‘일정 성분비 법칙’을 발견했습니다. 당시에는 "대충 섞으면 대충 섞인 물질이 나온다"라고 믿는 과학자(베르톨레)들이 많았지만, 프루스트는 9년에 걸친 논쟁 끝에 “화합물은 자연이 정한 엄격한 비율로만 만들어진다”는 사실을 증명해 냈습니다.
[교과과정 연계]
중학교 3학년 [화학 반응의 규칙] 화합물을 구성하는 성분의 질량비 (일정 성분비 법칙)
고등학교 화학Ⅰ [화학의 첫걸음] 몰(mole)과 화학 식량
1. 한강 물이나 센강 물이나 똑같다
프루스트는 스페인의 광산에서 구리 광석을 분석하다가 놀라운 사실을 발견했습니다. 천연에서 캔 구리 광석이나, 실험실에서 인공적으로 만든 구리 화합물이나, 그 안에 들어있는 구리와 산소의 비율이 똑같았던 것입니다. 물도 마찬가지입니다. 한국의 한강 물이든, 프랑스의 센강 물이든, 실험실에서 만든 물이든, 순수한 물이라면 수소와 산소의 질량 비율은 언제나 1 : 8입니다. 자연은 물질을 만들 때 어설프게 대충 섞지 않고, 항상 똑같은 ‘고정된 레시피’를 쓴다는 뜻입니다.
2. 설탕물 vs 설탕 (혼합물과 화합물의 차이)
이 법칙은 ‘섞는 것(혼합)’과 ‘결합하는 것(화합)’의 차이를 명확하게 보여줍니다.
설탕물(혼합물): 내 맘대로 만들 수 있습니다. 설탕을 조금 넣으면 밍밍하고, 많이 넣으면 달달합니다. 비율이 정해져 있지 않습니다.
설탕(화합물): 내 맘대로 못 만듭니다. 탄소, 수소, 산소가 정해진 질량 비율로 결합해야만 ‘설탕’이 됩니다. 비율이 조금만 틀려도 아예 다른 물질이 되어버립니다.
3. 9년의 논쟁 끝에 승리하다
당대 유명한 화학자 베르톨레는 "반응할 때 재료를 많이 넣으면 그만큼 많이 섞인 화합물이 나온다"고 주장했습니다. 프루스트는 이에 맞서 9년 동안이나 편지와 논문으로 논쟁을 벌였습니다. "소금을 만들 때 나트륨을 아무리 많이 넣어도, 염소와 반응하는 양은 정해져 있습니다. 남은 나트륨은 반응하지 않고 그대로 남을 뿐입니다." 결국 정밀한 분석 결과 프루스트의 말이 옳았음이 증명되었고, 화학은 '정량적인 과학'으로 한 걸음 더 나아갔습니다.
[개념 심화 박스]
왜 비율이 정해져 있을까? (볼트와 너트)
일정 성분비 법칙이 성립하는 이유는 무엇일까요? 바로 물질이 '원자'라는 쪼개지지 않는 덩어리로 이루어져 있기 때문입니다. 볼트(B) 1개에 너트(N) 1개를 끼워야 'BN'이라는 제품이 된다고 칩시다. 너트를 100개 쏟아부어도, 볼트가 1개밖에 없으면 제품은 딱 1개만 만들어집니다. 원자가 0.5개, 0.3개씩 결합할 수는 없기 때문에 질량비도 딱딱 떨어지는 것입니다. (이 개념은 내일 12day 돌턴이 확실하게 정리합니다!)
[시각 자료 '캡션']
[그림 1: 물 분자 저울] 수소 원자 8개(가벼움)와 산소 원자 1개(무거움)가 저울에 올려져 있고, 그 질량비가 1:8 임을 보여주는 인포그래픽.
[그림 2: 볼트와 너트 비유] 볼트 1개와 너트 2개로만 조립되는 기계를 보여주며, 남는 너트는 결합하지 못하고 바닥에 굴러다니는 그림. (한계 반응물 개념)
[사이드 박스 (TMI 코너)]
아름다운 라이벌: 프루스트와 베르톨레의 논쟁은 과학사에서 가장 신사적인 논쟁으로 유명합니다. 서로 인신공격을 하지 않고 오직 실험 데이터로만 대화했습니다. 훗날 베르톨레는 자신의 패배를 깨끗하게 인정했고, 프루스트의 생활이 어려워지자 그를 돕기 위해 애썼다고 합니다.
나폴레옹의 러브콜: 나폴레옹(1769-1821)은 프루스트(Joseph Louis Proust)의 설탕 연구(포도당 발견)에 감명받아 그를 프랑스로 초청하고 거액의 연금을 주어 연구를 지원했습니다.