보이지 않는 공기에서 시작된 위대한 과학의 여정!

 

『공기의 탐구』는 공기를 생명의 기운이나 신비로운 존재로 여기던 시대부터, 갈릴레이, 토리첼리, 보일, 라부아지에 등 과학자들이 끊임없는 실험과 관측으로 공기의 무게와 압력, 성분과 성질을 밝혀낸 과정을 흥미진진하게 따라간다.

 

공기의 무게와 진공, 대기압과 기압계의 발명부터 산소와 질소의 발견, 기구를 이용한 고공 탐사와 대기의 구조, 고도에 따른 공기의 성분과 온도 변화까지, 우리가 당연하게 여겼던 공기의 비밀이 하나씩 모습을 드러낸다. 나아가 온실 효과와 지구온난화, 오존층 파괴에 이르기까지 공기를 둘러싼 과학적 발견이 오늘날의 환경 문제와 어떻게 이어지는지도 살펴본다.

 

오랫동안 굳게 믿어 온 관념에 의문을 품고 진실을 파헤친 과학자들의 치열한 탐구는 결국 보이지 않는 공기의 실체를 밝혀냈다. 『공기의 탐구』는 눈에 보이지 않는 공기를 통해 과학의 역사를 읽고, 자연을 이해하기 위해 끊임없이 질문하고 탐구해 온 인간의 여정을 따라간다.

[목 차]

머리말

 

자연을 어떻게 이해할 것인가

1 눈에 보이지 않는 물질

2 공기도 무게가 있다

3 우리를 둘러싸고 있는 대기의 힘

4 기체의 개념과 어원

5 기체의 부피는 압력에 따라 변한다

6 마그데부르크에서의 실험

7 탄다는 것의 의미

8 원소에 대한 견해

9 연소설의 과오

10 굳는 공기, 이산화탄소의 발견

11 독이 있는 공기, 질소의 발견

12 연소가 없는 공기, 산소의 발견

13 산소를 발견한 또 한 사람, 셸레

14 근대 화학의 아버지, 라부아지에

15 사람을 싫어했던 캐번디시

16 물질의 무게는 소실되지 않는다

17 물질을 이루는 원소

18 화합물이란 무엇인가

19 공기는 화합물일까

20 배수 비례의 법칙

21 원자설의 탄생

22 게이뤼삭과 기구

23 기체의 팽창 계수는 일정하다

24 기체 반응의 법칙

25아보가드로의 분자설

26 아르곤의 발견

27 게으름뱅이 아르곤

28 태양에 있는 물질, 헬륨

29 헬륨과 방사성 원소

30 오존, 냄새나는 기체

31 오존과 자외선

32 이산화탄소, 생명의 근원

33 유기 화합물이란 무엇인가?

34 숯불의 파란 불꽃

35 공기 중의 혼합물

36 공기에도 색이 있다

37 공기는 액체로 변할 수 있다

38 대기 압력은 높이에 따라 변한다

39 공기의 성분 비율이 변하는 높이

40 대기의 온도

41 온실 효과

42 오존층

 

맺음말

[본 문]

바람은 눈으로 볼 수 없고 손으로 잡을 수도 없다. 다만 바람이 세차게 불면 날려갈 것 같거나, 솔솔 불어오는 바람이 이마나 볼을 스칠 때는 기분이 좋아지기도 한다. 눈에 보이지 않지만 주변을 스쳐 가는 것만은 틀림없이 감지할 수 있다. 사람들은 이것에 공기라는 이름을 붙였다. 그러나 책상이나 잉크와는 달리 공기를 물건이라고 해야 할지 물질이라고 해야 좋을지 어떨지를 알게 된 것은 약 300년 전이다. _17쪽

 

갈릴레이는 우선 커다란 유리병 안에 펌프로 공기를 압축시켜 넣었다. 이 유리병을 저울 위에 올려놓고 반대편에 추를 올려 저울대가 평형이 되도록 했다. 그다음 유리병의 마개를 열어 다시 저울에 올려놓은 결과, 추를 올려놓은 쪽으로 저울대가 기울어졌다. 유리병에 압축시켜 넣은 공기 일부가 밖으로 나오면서 그 빠져나간 공기의 무게만큼 병의 무게가 가벼워진 것이다. 공기에 무게가 있다는 사실을 알고 나니, 공기의 무게를 물과 비교하고 싶어졌다. 갈릴레이는 곧 공기의 비중(무게 비율)을 재보기로 했다. _22쪽

 

토리첼리의 진공이 만들어지고 ‘자연은 진공을 싫어한다’라는 전혀 근거 없는 신념이 무너지자, 토리첼리와는 다른 방법으로 진공을 만들려는 시도가 이뤄졌다. 이를 위해 진공 펌프를 만든 이가 독일의 물리학자 오토 폰 게리케(Otto von Guericke, 1602~1686)다. 게리케는 지름 1m 정도의 튼튼한 구리로 반구 두 개 만들고, 두 반구의 주둥이를 서로 밀착시킨 다음 그가 발명한 진공 펌프를 작동시켜 두 반구 안의 공기를 빼냈다. 그랬더니 이게 웬일인가? 이 두 개의 반구는 서로 굳게 달라붙어 여덟 마리의 말이 양쪽에서 끌어당겨야만 겨우 떼 놓을 수 있었다. 이 실험은 마그데부르크라고 하는 작은 도시에서 시행됐기 때문에 오늘날까지 ‘마그데부르크의 반구 실험’으로 알려져 있다. _32쪽

 

대기 중의 질소와 암모니아를 분해해 얻어낸 질소의 밀도는 차이가 있었는데, 공기 중의 질소가 약 1/200만큼 무겁게 측정된 것이다. 이때 레일리의 측정값은 1/10,000까지 정확할 만큼 정밀했으므로 1/200의 차이는 단순한 실험 오차로 보아 넘길 수 없었다. 영국의 화학자 윌리엄 램지(William Ramsay, 1852~1916)는 이 의문을 해결하려고 마음먹었다. 그는 우선 공기로부터 산소와 이산화탄소를 완전히 제거해 순수하다고 생각되는 질소를 얻어냈다. 다음으로 이 질소를 가열한 마그네슘에 몇 번이고 되풀이해 통과시켰다. 이렇게 하면 질소 기체가 마그네슘과 결합하여 질소의 양이 점차 줄어든다. 이렇게 가열한 마그네슘에 몇 번이고 통과시키고 난 다음 질소의 비중을 쟀더니, 마그네슘에 통과시키기 전보다 무거워져서 수소의 14배가 아니라 거의 15배나 되는 무게가 됐다. 이는 램지가 1894년 5월에 실시한 실험값이다. _82~83쪽

 

1828년 독일의 화학자 프리드리히 뵐러(Friedrich Wöhler, 1800~1882)가 그때까지 생물체 안에서만 만들어진다고 여기던 요소(오줌 안에 들어 있는 성분 물질)를 무기 화합물인 시안산암모늄으로부터 만들어 냈다. 이로써 유기 화합물과 무기 화합물을 가로막았던 관념의 장벽이 흔들리기 시작했다. 실험실의 플라스크나 시험관 안에서도 유기 화합물을 만들어 낼 수 있다는 사실이 알려진 것이다. 이렇게 현재는 수만 가지의 유기 화합물이 실험실에서 만들어지고 있다. _102쪽

 

무엇이 지구와 금성 사이에 이토록 큰 차이를 만들어 냈을까? 이 의문의 열쇠 가운데 하나는 이산화탄소다. 금성의 대기는 96%가 이산화탄소이지만, 지구의 대기에는 0.04% 들어 있다. 행성의 대기 성분은 태양으로 인해 데워진 지표면에서 방출되는 적외선을 잡아 둔다. 금성은 짙게 덮여 있는 이산화탄소로 인해 과도한 온실 효과가 생겨 현재의 고온의 환경이 형성됐다. _121쪽