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도대체 왜 우리는 화학을 어려워하고,
제대로 이해하지 못하는 것일까?

학교에서 배우는 과학은 초반만 지나면 어려워진다. 물·이·생·지 어느 쪽이든 마찬가지다. 그러다가 학년이 올라갈수록 과학 과목 중에서도 선택을 해야 하는 순간이 온다. 보통 외우는 게 자신 있으면 생물, 추상적인 내용이나 복잡한 계산이 좋다면 물리라고 한다. 매해 조금씩 다르지만 우리나라 학생들이 수능을 위해 선택하는 과학 과목 중 가장 많은 게 지구과학, 가장 적은 건 물리라고 한다. 그렇다면 화학은? 애매하게 중간에 걸쳐 있는 과목이다. 물리만큼은 아니지만 추상적인 내용이 많고 계산 문제도 적지 않다. 거기다 생물이나 지구과학처럼 외워야만 하는 내용이 어느 정도는 있다.
하지만 이 책 『한 번 읽으면 절대 잊을 수 없는 화학 교과서』는 힘들게 계산하고 외우는 것이 아닌 화학을 설명해준다. 화학이 어려워도 친해지고 싶었던 사람, 당장 화학을 공부해야 하는데 도대체 뭔 소린지 모르겠는 사람을 위한 책이다. 화학은 결국 ‘원자의 이야기’이기 때문에, 눈으로 볼 수 없는 원자를 상상할 수 있도록 글과 그림으로 친절하고 자세하게 설명한다.

고대의 연금술에서 현대의 연금술까지,
화학이 걸어온 역사를 되짚고
눈에 보이지 않는 세계를 설명한다!

화학은 ‘어려운 학문’이다. 왜 어려울까? 단순히 어려워서 어려운 게 아니다. 모든 과학이 그렇듯이, 우리가 눈으로 보지 못하는 세계를 상상해야 하기 때문에 어렵다. 하지만 눈에 보이지 않는 세계를 눈으로 볼 수 있는 것으로 나타낼 때, 화학은 더 이상 어려운 것이 아닌 흥미진진한 것이 된다. 『한 번 읽으면 잊을 수 없는 화학 교과서』는 고등학교 과정의 화학을 새롭게 구성한 책이다. 화학은 ‘원자를 둘러싼 모든 이야기’이기 때문에, 원자를 주인공으로 각 단원을 재구성해 해설하고 있다. 단순히 화학 입문서가 아니라 화학과 관련된 이야기책이다.
화학을 한마디로 표현하면, ‘물질의 변화’를 연구하는 것이다. 변화한다는 것은 단순히 외우는 것만으로는 이해할 수 없는 영역이라는 말이다. 이건 반대로 말하면 이해하기만 하면 힘들게 외우지 않아도 된다는 뜻이기도 하다. 이해만 한다면 100개에 육박하는 주기율표를 통째로 외우지 않아도 된다. 더구나 이 책에서는 보통 화학식과 화학 반응식에 수없이 등장하는 10개 정도만 외우면 된다고 말한다. 우리가 흔히 아는 수소, 탄소, 산소 등을 말이다.

원자의 모험을 하나의 스토리로 이해하고,
화학을 차근차근 한 계단식 스텝업 하자!

화학의 역사는 “모든 것은 무엇으로 이루어져 있는가?”라는 물음에 답하려던 고대 그리스 철학자들로부터 시작되었다. 일상생활에서는 관계가 없는 학문인 것 같지만, 우리는 화학 및 화학공업과 관련된 제품 및 물질에 둘러싸여 살아간다. 최근의 핫이슈인 초전도체 ‘LK-99’도 화학과 관련이 깊다. 고려대학교 연구진이 발표한 자료 중 LK-99의 화학식[Pb9Cu(PO4)6]이 그렇다. 만약 LK-99가 진짜 초전도로 밝혀진다면 아마도 많은 사람들이 저 화학식을 외우게 되지 않을까? 그만큼 우리 생활에서 화학은 멀지 않다.
이 책은 일본 고등학교 과정을 기본으로 했지만, 우리나라 고등학교 화학 과정과도 비슷하다. 서장에서는 물질, 즉 원자란 무엇이고 어떤 물질로 이루어져 있는지 특징을 이야기한다. 1장은 원자의 상태와 물질의 변화, 그리고 그것을 나타내는 화학 반응식 등을 다룬다. 2장에서는 현대 화학의 근간인 화학 역사를 되짚는다. 고대 그리스 시대부터 18세기의 화학 혁명, 그리고 19세기의 주기율표 탄생을 정리한다. 3장에서는 주기율표를 낱낱이 분석하고, 4장에서는 주기율표에서 가장 많이 쓰이는 10개의 원소를 집중 탐구한다. 5장에서는 화학에서 측정의 기본이 되는 단위인 ‘몰(mol)’을 차근차근 설명한다. 6장에서는 산화환원 반응을 세세하게 다루고, 마지막 7장에서는 유기물의 세계를 탐구한다.

시작하며_화학은 ‘원자가 주인공인 이야기’다!
[homeroom ①] 왜 화학을 어려워하는 사람이 많을까?
[homeroom ②] 화학 공부의 기본: 화학은 원자의 이야기!
[homeroom ③] 화학의 안내지도, 주기율표
[homeroom ④] 주기율표 원소 배치는 모두 의미가 있다!
[homeroom ⑤] 화학식·화학 반응식에 등장하는 원소기호는 10개까지만

서장 원자란 무엇인가?
[물체와 물질] 대체 물질이란 무엇일까?
[원자의 성질 ①] 모든 물질은 원자로 이루어져 있다
[원자의 성질 ②] 원자는 화학 변화를 반복하더라도, 변하지 않는다

제1장 원자의 재구성
제1장 요약
[순물질과 혼합물] 혼합물을 분리하면 순물질을 얻게 된다
[홑원소 물질과 화합물] 홑원소 물질인가 화합물인가에 따라 원소명은 달라진다
[물질의 상태(3태)] 고체·액체·기체는 분자 연결 상태가 다르다
[상태 변화와 녹는점·끓는점] 물은 ‘고체↔액체↔기체’가 되지만 물질 자체는 변하지 않는다
[화학 변화] 본래의 물질에서 새로운 물질로 변하는 화학 변화
[질량 보존의 법칙] 질량 보존 법칙은 물리 변화와 화학 변화, 둘 다 성립한다
[화학 반응] 화학 반응에는 발열 반응과 흡열 반응이 있다
[화학식] 우선은 원소기호와 화학식만!
[계수] 5H2O는 ‘H2O가 5개 있다’는 뜻이다
[화학 반응식 ①] 탄소의 연소를 화학 반응식으로 나타내기
[화학 반응식 ②] 메테인의 연소를 화학 반응식으로 나타내기
[화학 반응식 ③] 금속의 산화·연소를 화학 반응식으로 나타내기

제2장 주기율표가 만들어지기까지 화학의 역사
제2장 요약
[화학의 시작] 모든 것은 불에서 시작되었다
[원자론] 고대 그리스의 원자론과 4원소설
[연금술] 2000년 동안 융성해온 연금술은 화학의 주춧돌이었다
[가스(기체)] 공기와 비슷한 기체의 정체는 가스였다
[화학 혁명] 연소의 올바른 이론이 확립되며 화학 혁명이 일어나다
[고정 공기] 이산화탄소, 질소, 산소, 수소가 차례대로 발견되다
[원자량] 라부아지에의 화학 혁명에 이은 돌턴의 원자론
[주기율표의 탄생] 원소가 주기율표로 정리되며 물질계의 지도가 탄생했다

제3장 화학의 안내지도 주기율표
제3장 요약
[원자핵의 구조] 원소는 ‘원자핵 속 양성자의 수’로 구별
[전자배치] 원자는 비활성 기체의 전자배치에 가까워지려 한다
[이온성 화합물] 양이온과 음이온이 전기적으로 균형을 맞추는 이온성 화합물
[공유 결합] 비금속 원소는 공유 결합을 통해 분자가 된다
[금속 결합] 금속 원소끼리 결합하는 금속 결합
[3대 물질] 세상의 물질은 크게 세 가지로 나뉜다
[수소 결합] 우리에게 친숙하지만 무척이나 특이한 성질을 지닌 물

제4장 무기물질의 세계
제4장 요약
[수소] H: 가장 작은 원자·분자로 지구상에서는 물의 형태로 존재
[탄소] C: 생물의 주요 구성 원소로 유기 화합물의 세계를 형성
[질소] N: 공기의 약 78%를 차지하는 질소
[산소] O: 여러 원소와 화합해 산화물을 형성하는 산소
[염소] Cl: 인류 최초의 독가스 무기, 염소
[황] S: 태우면 유독한 아황산가스가 발생
[소듐(나트륨)] Na: 커터칼로 쉽게 자를 수 있는 무른 금속
[마그네슘] Mg: 눈부신 빛과 함께 불타며 산화마그네슘으로 변하는 금속
[칼슘] Ca: 뼈, 치아, 껍데기 등을 형성하는 생체의 주요 성분 중 하나
[알루미늄] Al: 알루미늄은 경금속의 대표 주자
[철] Fe: 지금도 철제 문명 시대
[구리] Cu: 철, 알루미늄에 이어 사용량 3위의 금속
[아연] Zn: 함석이나 건전지의 음극으로 쓰이는 아연

제5장 밀도는 몰 등의 양으로 계산
제5장 요약
[밀도] 무겁다·가볍다의 또 다른 의미는 단위 부피당 질량
[원자 질량 단위] 원자량에 대해 알아볼 때, 수소 원자 1개의 질량에 원자 질량 단위 u를 붙인다
[몰] 몰은 미시적 세계와 거시적 세계를 연결하는 개수의 단위
[퍼센트 농도] 용액의 농도를 나타내는 방식: 퍼센트 농도와 ppm, ppb
[몰농도] 퍼센트 농도 외에 몰농도라는 방식으로도 나타낼 수 있다
[아보가드로의 법칙] 기체 1mol의 부피는 물질의 종류와 무관하게 동일하다
[보일·샤를의 법칙] 보일·샤를의 법칙으로 기체의 분자 운동과 절대온도를 알 수 있다!
[이상 기체와 실제 기체] 이상적인 기체와 실제의 기체를 구별해서 생각하기

제6장 산·염기와 산화환원
제6장 요약
[산·염기] 고등학교 화학 시간에 배우는 내용은 대부분 아레니우스의 산·염기의 정의
[수소 이온H＋] 물속에 수소 이온H＋은 존재하지 않는다
[pH(수소 이온 농도 지수)] 온도가 일정하다면 물의 이온곱은 일정하다
[중화] 산과 염기의 중화를 통해 염과 물이 생겨난다
[중화 적정] 산과 염기가 완전히 중화될 때 성립되는 관계식
[산화환원] 산소를 빼고 생각해보는 산화환원
[산화수] 산화수에 따라 그 반응이 산화인지 환원인지를 판단할 수 있다
[전지] 다니엘 전지의 구조를 통해 전지에 대해 알아보자
[전기분해] 물을 전기분해할 때는 수산화소듐 수용액을 사용한다
[용융염 전해] 이온화 경향이 강한 금속은 용융염 전해로 얻을 수 있다

제7장 유기물의 세계
제7장 요약
[인공적인 유기물] 무기물에서 유기물을 만드는 데 성공하다
[활성화 에너지] 유기물을 인공적으로 만들기 어려웠던 이유는?
[전기음성도] 전기음성도 수치에서 드러나는 원소의 성질
[원자의 결합] 결합손 4개로 유기물의 뼈대를 만들어내는 탄소 원자
[치환 반응·첨가 반응] 에틸렌은 사슬형 불포화 탄화수소 중 구조가 가장 간단한 물질이다
[벤젠의 구조식] 수수께끼의 벤젠 구조식을 밝혀낸 케쿨레
[작용기] 작용기를 통해 대략적인 성질을 알 수 있다
[축합반응·탈수축합반응] 메탄올, 에탄올의 성질을 물과 비교해보자
[알코올의 산화] 취기와 숙취는 모두 에탄올의 소행이다
[첨가 중합] 고분자 화합물의 이해, 에틸렌에서 폴리에틸렌으로 이어지는 첨가 중합부터

마치며

이산화탄소는 식물이 광합성을 할 때 원료로 빨아들이고, 일부는 물에 녹아 있다가 생물의 몸에 유입되기도 합니다. 식물이 광합성으로 만들어낸 유기물은 지구상의 동물이나 우리 인간의 식량이 되죠. 따라서 우리가 먹는 음식물의 ‘근본’을 거슬러 올라가보면 공기 중의 이산화탄소였다고 할 수 있습니다. 이산화탄소 속의 탄소는 이처럼 소멸되지 않고 지구상을 빙글빙글 순환하는 셈입니다.
_서장

염화소듐은 염소 원자와 소듐 원자가 정해진 상대와 결합한 것이 아니라 각자 주변의 여러 소듐 원자, 염소 원자들과 결합한 상태입니다. 좀 더 자세히 설명하자면 소듐은 소듐 이온이라는 양이온으로, 염소는 염화물 이온이라는 음이온으로 변하는데, 둘은 양전기와 음전기의 정전기력(쿨롱 힘)으로 서로를 끌어당겨 결정을 형성합니다.
_1장

1774년 영국의 조지프 프리스틀리(1733~1804)가 『다양한 공기에 대한 실험과 관찰』이라는 책을 냈습니다. 프리스틀리는 물과 치환하는 수상치환이 아니라 수은과 치환하는 방법으로 다양한 기체를 모아서 성질을 조사했습니다. 물에 잘 녹아서 수상치환으로는 모을 수 없는 기체도 이 방법이라면 모을 수 있었죠. 프리스틀리는 염화수소(물에 녹이면 염산이 된다)와 암모니아도 조사하는 데 성공했습니다. 하지만 프리스틀리의 가장 큰 발견은 누가 뭐래도 산소였죠.
_2장

원자에서 전자가 방출되거나 유입되는 경향은 주기율표의 위치를 보면 알 수 있습니다. 원자핵과 가장 바깥 껍질의 거리와 관련이 있죠. 원자핵에서 가장 바깥 껍질이 멀수록 가장 바깥 껍질의 전자를 내보내기 쉬워지고, 원자핵에서 가장 바깥 껍질이 가까울수록 가장 바깥 껍질로 전자를 받아들이기 쉬워집니다. 주기율표의 중앙에 자리한 제3주기에서는 알루미늄을 기준으로 크게 금속 원소와 비금속 원소의 두 가지로 나뉩니다. 금속 원소와 비금속 원소가 반응하면 대부분의 경우 이온성 화합물(이온 결정)이 형성됩니다.
_3장

인간의 몸을 구성하는 중요 영양소로는 단백질이 있습니다. 단백질은 질소 원자가 함유된 아미노산이 다수 결합하면서 생겨난 매우 큰 분자(고분자＝폴리머)입니다. 아미노산의 특징은 구성 원소로 탄소, 수소, 산소 외에 질소가 반드시 포함된다는 점입니다. 황이 포함된 아미노산도 있습니다. 우리 몸의 모발, 피부, 내장이나 힘줄 등의 연조직은 모두 단백질로 이루어져 있습니다. 또한 체내의 다양한 화학반응을 진행시키는 효소 역시 단백질로 이루어져 있죠.
_4장

아보가드로의 법칙은 ‘어떠한 기체든 온도와 압력이 동일하다면 같은 부피 안에 동일한 수의 분자를 갖는다. 예를 들어 0℃, 1.013×105Pa(＝1013hPa)에서 1mol인 기체는 모두 22.4L를 점유한다’는 내용이었습니다. 또한 보일·샤를의 법칙 역시 기체의 종류를 불문하고 성립한다는 말씀을 드렸죠. 기체의 상태 방정식 역시 샤를-보일의 법칙에서 도출됩니다. 샤를의 법칙에 따르면 기체의 부피는 기체의 종류와 무관하게 일정한 압력하에서 온도 1℃가 높아지고 낮아짐에 따라 0℃일 때의 부피에서 1/273씩 증가하거나 감소합니다.
_5장

구리와 산소의 반응, 구리와 염소의 반응 모두 구리가 전자를 방출하고 구리(Ⅱ) 이온으로 변합니다. 산화환원을 전자의 이동이라는 관점에서 보면 전자를 잃는(방출하는) 것을 산화, 반대로 전자를 얻는(건네받는) 것을 환원이라고 합니다. 이렇게 화학자들은 산화와 환원이라는 반응을 더욱 확장시켰습니다. 더 이상 산화는 산소와의 화합이라고만 볼 수는 없어졌죠. 하지만 구리 원자.구리(Ⅱ)이온, 산소 분자.산화물 이온 같은 경우는 전자의 이동이 뚜렷하므로 상관없었지만 원자가 공유 결합으로 이루어진 분자간의 산화 환원은 어떻게 해야 할까요.
_6장

다양한 유기물이 무기물에서 인공적으로 만들어질 수 있다는 사실이 밝혀지기 시작했습니다. 대부분 유기물이 탄소 골격이라는 비롯해 유기물은 ‘탄소 골격에 수소가 결합한 탄화수소를 기본으로, 산소 원자나 질소 원자 등이 포함된 물질’로 받아들여지게 되었습니다. 다만 다이아몬드·흑연(탄소의 홑원소 물질)이나 탄산염류는 본래 광물로 취급되어왔기 때문에 무기물로 분류됩니다. 이산화탄소, 일산화탄소, 사이안화수소 역시 마찬가지입니다.
_7장