“더 이상 쪼개지지 않는 알갱이”
[12day] 존 돌턴 (1766–1844)
날씨를 사랑했던 시골 선생님, 원자론으로 화학을 완성하다
[Today's Scientist] 존 돌턴은 평생을 교사로 일하며 가난하고 검소하게 살았습니다. 그는 화려한 실험 도구 대신 투박한 그릇 몇 개로 연구했지만, 그의 머릿속에는 우주의 비밀이 들어있었습니다. 그는 물질이 연속적인 덩어리가 아니라 ‘원자(Atom)’라는 쪼개지지 않는 입자로 이루어져 있다고 주장하며 현대 원자론을 확립했습니다. 오늘날 우리는 그의 이름을 딴 단위 ‘달톤(Da)’으로 원자의 질량을 셉니다.
[교과과정 연계]
중학교 3학년 [화학 반응의 규칙] 돌턴의 원자설, 배수 비례 법칙
고등학교 화학Ⅰ [원자의 구조] 원자 모형의 변천사
1. 57년 동안 쓴 날씨 일기
돌턴은 지독한 날씨광이었습니다. 그는 죽기 전날까지 무려 57년 동안 매일매일 기온, 기압, 강수량을 기록해 20만 건의 데이터를 남겼습니다. "공기는 왜 섞여 있을까? 비는 왜 올까?" 대기를 연구하던 그는 공기가 한 덩어리가 아니라, 서로 다른 종류의 작은 입자들이 섞여 있는 상태라고 생각했습니다. 이 기상학적 호기심이 물질의 근본인 ‘원자’에 대한 아이디어로 이어졌습니다.
2. 원자설: 레고 블록의 규칙
그는 라부아지에와 프루스트의 법칙을 설명하기 위해 4가지 가설을 세웠습니다.
물질은 더 이상 쪼개지지 않는 원자로 구성된다.
같은 종류의 원자는 크기와 질량이 같고, 다른 종류는 다르다.
원자는 없어지거나 새로 생기지 않는다. (질량 보존 설명!)
화합물은 원자들이 정수비(1:1, 1:2 등)로 결합해 만들어진다. (일정 성분비 설명!) 마치 레고 블록처럼, 세상 만물은 이 작은 블록들의 조립품이라는 것입니다.
3. 새로운 발견: 배수 비례 법칙
돌턴은 자신의 원자설을 증명하기 위해 새로운 법칙을 찾아냈습니다. 탄소(C)와 산소(O)가 만날 때, 꼭 한 가지 비율로만 만나는 건 아닙니다.
탄소 1개 + 산소 1개 = 일산화탄소 (CO)
탄소 1개 + 산소 2개 = 이산화탄소 (CO2) 산소의 양이 1배, 2배처럼 딱 떨어지는 정수배로 늘어납니다. 원자가 쪼개지지 않는 덩어리이기 때문에 1.5개 같은 결합은 불가능하다는 것을 보여준 결정적 증거입니다.
[개념 심화 박스]
돌턴의 기호: 동그라미 속의 그림
지금은 원소를 알파벳(H, O, C)으로 쓰지만, 돌턴은 동그라미 안에 그림을 그려서 표현했습니다.
산소: 빈 동그라미 ○
수소: 점찍은 동그라미 ⊙
탄소: 까만 동그라미 ● 그는 이 그림들을 오려 붙여가며 물, 암모니아 같은 분자 모형을 만들었습니다. 비록 모양은 투박했지만, 눈에 보이지 않는 미시 세계를 시각화하려 했던 최초의 시도였습니다.
[시각 자료 '캡션']
[그림 1: 딱딱한 공 모형] 돌턴이 생각한 원자의 모습. 더 이상 깨질 수 없는 단단한 구(공) 모양의 입자들이 모여 화합물을 이루는 모식도.
[그림 2: 배수 비례 법칙] 일산화탄소, 이산화탄소 비교. 산소 원자의 개수가 정확히 1:2 비율이 되는 것을 보여주는 블록 그림.
[사이드 박스 (TMI 코너)]
최초의 색맹 연구자: 돌턴은 붉은색과 초록색을 구별하지 못했습니다. 그는 자신의 눈이 남들과 다르다는 것을 깨닫고, 스스로를 연구 대상으로 삼아 최초로 색맹에 관한 논문을 썼습니다. 그래서 서양에서는 색맹을 ‘돌터니즘(Daltonism)’이라고 부르기도 합니다.
소박한 퀘이커 교도: 그는 평생 술과 담배를 하지 않고 검소하게 산 퀘이커 교도였습니다. 왕립학회에서 메달을 주려 하자 "이런 건 내 옷에 어울리지 않는다"며 거절했고, 결국 친구들이 억지로 받게 했다고 합니다.
[연결 고리] 돌턴의 원자설은 완벽해 보였지만, 딱 하나 설명하지 못한 게 있었습니다. 바로 9day 게이뤼삭의 기체 반응 법칙(부피비)이었습니다. "원자가 안 쪼개진다면서, 수소 기체랑 산소 기체가 반응할 때는 왜 부피가 반으로 줄어들어?" 이 모순을 해결하기 위해 "원자 말고 분자!"를 외치며 등장한 천재가 있었으니, 바로 다음 날 만날 [13day] 아메데오 아보가드로입니다.