원소(Element) 정의의 역사
원소는 모든 물질을 구성하는 기본적인 요소로, 화학적 방법으로 더 이상 분해되지 않는 한 종류의 원자로만 이루어진 물질을 원소라고 합니다.
원소에 대한 현대적 정의가 내려지기 전, 과거에는 물질에 대한 구성을 어떻게 정의했었을까요?
이번 시간에는 원소에 대한 정의를 내린 여러 인물들과 그들의 주장에 대해 알아보겠습니다.
탈레스의 기본 원소
지금으로부터 약 2,500년 전 그리스 과학자들은 물질을 이루는 공통의 원소가 있다고 믿고 그것을 '기본 원소'라고 불렀습니다.
최초로 기본 원소에 대해 생각한 사람은 고대 그리스의 철학자인 탈레스(Thales)였습니다.
밀레토스 학파의 창시자이자 최초의 철학자, 최초의 수학자, 최초의 고대 그리스 7대 현인이라는 별명으로 유명한 그는 기본 원소가 물이라고 생각했습니다.
고대 그리스의 철학자 탈레스(Thales)
출처 : Wikipedia
https://en.wikipedia.org/wiki/Thales_of_Miletus
탈레스는 물은 세상의 모든 생물에게 없어서는 안 될 귀중한 원소이므로 모든 생물이나 사물은 물로 이루어져 있다고 생각했으며, 물로 이루어진 모든 사물들이 다른 모양을 하는 것을 물이 세 가지의 모습을 가지고 있기 때문이라고 주장했습니다.
물은 추워지면 돌처럼 딱딱한 성질을 갖고, 평상시에는 냇물처럼 흐르는 성질을 갖고, 뜨거워지면 수증기가 되어 위로 올라가는 성질을 갖기 때문에 물질이 어떤 모양의 물로 이루어져 있는가에 따라 모양이 달라진다고 생각했습니다.
탈레스가 생각한 세 종류의 물은 고체와 액체, 기체, 즉, 물의 세 가지 상태였던 것입니다.
플라톤의 기하학적 원소
탈레스 이후, 원소에 대한 이론을 제시한 사람은 고대 그리스의 철학자인 플라톤(Plato)입니다.
소크라테스, 아리스토텔레스와 함께 고대 그리스 시대의 가장 영향력 있는 철학자인 그는 4가지 기본 원소에 모양을 붙여 기하학적으로 나타냈습니다.
고대 그리스의 철학자 플라톤(Plato)
출처 : Wikipedia
https://en.wikipedia.org/wiki/Plato
그는 4가지 기본 원소를 정다면체라고 생각했는데, 불은 정사면체, 흙은 정육면체, 공기는 정팔면체, 물은 정이십면체 모양이라고 생각했습니다.
불은 정사면체의 모양으로 가장 작고 날카로워 잘 움직인다고 생각했으며, 모든 면이 정삼각형으로 이루어져 있는 물과 불, 공기는 서로 다른 원소로 쉽게 변할 수 있지만 정사각형으로 이루어져 있는 흙으로는 변할 수 없고, 흙은 다른 원소들로 쉽게 바뀌지 않는 가장 안정된 원소라고 생각했습니다.
아리스토텔레스의 4원소
원소에 대한 또 다른 이론을 제시한 사람은 고대 그리스 철학자인 아리스토텔레스(Aristotle)입니다.
플라톤의 제자이자 알렉산더 대왕의 스승인 그는 플라톤의 이론을 그대로 인정하며 물, 불, 공기, 흙의 기본 원소에 차가움과 뜨거움, 습함과 건조함 성질을 더했습니다.
고대 그리스의 철학자 아리스토텔레스(Aristotle)
출처 : Wikipedia
https://en.wikipedia.org/wiki/Aristotle
아리스토텔레스가 제시한 4가지 원소는 아래와 같습니다.
- 뜨겁고 건조한 성질을 지닌 불
- 뜨겁고 습한 성질을 가진 공기
- 차갑고 건조한 성지을 가진 흙
- 차갑고 습한 성질을 가진 물
그는 이 4가지 기본 원소들이 합쳐지거나 분리됨으로써 여러 가지 물질이 만들어진다고 생각했으며, 물질 속의 4가지 기본 원소의 비율에 따라 물질이 변한다고 생각했습니다.
예를 들어 물의 두 가지 성질 중 습한 성질이 건조한 성질로 변하면 흙의 성질을 띤 물이 되는데, 그것이 바로 얼음이라고 생각했습니다.
4가지 원소가 가지고 있는 4가지 성질 중, 하나만 바뀌어도 다른 원소로 바뀔 수 있다는 것을 간접적으로 표현한 것은 중세 연금술의 이론적 근거가 되기도 했습니다.
그는 사람이 병에 걸리는 것도 이런 기본 원소의 비율이 변했기 때문이라고 생각했는데, 예를 들어 사람의 뼈는 불과 물, 흙이 4 : 2 : 2의 비율로 이루어져 있고, 피와 살은 불, 공기, 물, 흙이 1 : 1 : 1 : 1의 비율로 이루어져 있기 때문에 이 비율이 달라지게 되면 병에 걸린다고 주장했습니다.
또한 아리스토텔레스는 4원소 사이에는 그 무게에 따라 계급성이 있어 무거운 원소는 아래로 향하고, 가벼운 원소는 위로 향하게 된다고 생각했습니다.
따라서 가장 가벼운 원소인 불은 가장 높은 곳을 차지하며, 그 아래로 공기, 물, 흙이 차례대로 자리할 것이고 이것이 바로 4원소가 원래 차지하고 있어야 할 자리라고 생각했습니다.
연금술과 슈탈의 플로지스톤 이론
중세 초기에 아랍에서 연금술은 아리스토텔레스의 4원소설을 이론적 근거로 원소가 서로 전환될 수 있다고 생각했습니다.
그러나 연금술이 발달해 가는 과정에서 후기 아랍의 연금술사들이나 13세기 이후의 유럽의 연금술사들은 모든 금속은 수은과 황으로 이루어졌다는 가설을 만들었습니다.
여기에 소금을 추가해 연금술사들은 수은, 황, 소금으로 된 3원소설을 만들게 되었습니다.
게오르크 에른스트 슈탈(Georg Ernst Stahl)은 17세기 독일의 화학자 및 연금술사로 그의 스승인 요한 요하임 베커(Johann Joachim Becher)의 이론을 이어 연소에 대한 플로지스톤 이론을 제시했습니다.
독일의 연금술사 및 화학자 게오르크 에른스트 슈탈(Georg Ernst Stahl)
출처 : Wikipedia
https://en.wikipedia.org/wiki/Georg_Ernst_Stahl
그리스어로 불꽃을 뜻하는 플로지스톤은 가연성을 대표하는 원소로, 가연 물질이나 금속은 모두 이것을 함유하고 있으며, 특히 숯이나 황, 기름과 같은 연소하기 쉬운 물질은 대부분 플로지스톤으로 이루어져 있다고 주장했습니다.
연소할 때는 원래의 물질에서 플로지스톤이 빠져나간 뒤 재가 남으며, 금속의 산화도 같은 현상이라고 설명했습니다.
플로지스톤 이론은 연소를 화학 현상으로 설명한 최초의 이론으로 알려져 있습니다.
보일의 원자론
로버트 보일(Robert Boyle)은 17세기 영국의 화학자로 온도가 동일한 상황에서 기체의 부피는 압력에 반비례한다는 보일의 법칙을 발견한 인물로, 실험을 바탕으로 하는 근대 화학의 기초를 이루었다고 평가받는 사람입니다.
영국의 화학자 로버트 보일(Robert Boyle)
출처 : Wikipedia
https://en.wikipedia.org/wiki/Robert_Boyle
보일은 고대 그리스 시대의 4원소설은 물질 그 자체를 말하는 것이 아니라 그 성질을 추상적으로 생각한 것에 불과하다고 주장했습니다.
보일은 대표적인 두 가지 실험을 통해 원자를 정의했습니다.
첫 번째로, 그은 투명한 유리 상자 안에 촛불을 켜 놓고 공기 펌프를 이용해 공기를 빼는 실험을 진행했습니다.
잠시 후 촛불이 약해지고 이내 꺼져버리자 그는 공기 속에는 물질이 타도록 돕는 원소가 있기 때문이라고 생각했습니다.
두 번째로, 그는 공기를 채운 유리 상자에 시계를 넣은 후, 공기를 빼는 실험을 진행했습니다.
잠시 후, 상자 안이 진공상태가 되어 시계 소리가 들리지 않자 그는 소리를 전달할 수 있는 원소들이 없기 때문이라고 생각했습니다.
이렇게 공기는 어떠한 성질을 가진 원소들로 이루어져 있으며, 물질을 불, 물, 공기, 흙으로 나눈 4원소설은 옳지 않다고 주장했습니다.
그는 원소를 더 이상 분해되지 않으며 물질을 이루는 기본 성분이라고 정의했습니다.
라부아지에 원소의 정리
앙투안 라부아지에(Antoine-Laurent de Lavoisier)는 18세기 프랑스의 화학자로, 근대 화학의 아버지라고 불리는 사람입니다.
프랑스의 화학자 앙투안 라부아지에(Antoine-Laurent de Lavoisier)
출처 : Wikipedia
https://en.wikipedia.org/wiki/Antoine_Lavoisier
라부아지에는 플로지스톤 이론을 부정하며 화학 반응에서의 질량 보존의 법칙을 확립하였으며, 원소와 화합물을 구분해 근대 호합물 명명법의 기초를 마련하였습니다.
라부아지에는 물의 분석과 합성에 관한 실험을 진행했는데, 고열을 이용해 물을 수소와 산소로 분리하는데 성공했으며, 반대로 수소와 산소 기체를 이용해 물을 합성하기도 했습니다.
또한 물을 생성하는데 필요한 수소와 산소의 질량을 측정하기도 했습니다.
이를 통해 라부아지에는 물은 원소가 아니며, 서로 다른 두 원소의 화합물임을 입증했습니다.
또한 그는 연소이론을 통해 물질의 연소와 산화는 모두 물질과 산소의 결합이라고 주장하며 산소와 연관된 여러 가지 반응을 입증했습니다.
라부아지에는 1789년 발간한 '화학의 원리'에서 보일이 제시한 방법에 의한 원소를 다시 한번 정리하면서 이미 발견된 기체의 일종이라던 산소를 독립된 원소로 정의하고, 같은 방법으로 수소와 질소 등 33개의 근대적 원소들을 확정했습니다.
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