라부아지에: 현대 화학의 아버지

앙투안 로랑 드 라부아지에는 프랑스의 화학자로 현대 화학의 아버지로 불립니다. 그는 질량 보존의 법칙 확립, 연소 이론 개선, 화학 물질의 체계적 명명법 도입 등의 업적이 있습니다. 그러나 프랑스 혁명기에 세금 징수업자의 역할로 인해 길로틴에 처형되었습니다.

앙투앙 라부아지에(Antoine-Laurent de Lavoisier, 1743-1794)

라부아지에의 격동적인 삶

앙투앙 라부아지에는 1743년 파리에서 태어나 현대 화학을 정량 화학으로 발전시키고 연소 이론과 화학 원소 분류에 공헌한 과학자로 인정받고 있습니다. 18세인 1761년에 라부아지에는 법학을 공부하기 시작했지만 자연 과학에 더 큰 관심을 보였으며 25세에 프랑스 과학 아카데미 회원이 되었습니다. 29세에는 연소 과정에서 산소가 소비되며 무게가 변하지 않는다는 것을 실험으로 입증하여 연소의 본질을 알아냈습니다. 32세인 1775년에는 프랑스 정부의 군수물자 관리 책임자가 되어 화약 제조를 개선하였습니다. 40세인 1783년에는 수소와 산소가 결합하여 물을 형성한다는 사실을 처음으로 알아냈습니다. 

그러나 1789년 프랑스 혁명으로 51세인 1794년에 반혁명 활동과 공공 기금 횡령 혐의로 체포되어 단두대에서 처형되었습니다. 세금 징수업자로서 재정적으로 안정된 생활을 영위할 수 있었으나 프랑스 혁명기에 그를 위험에 빠뜨렸습니다. 그는 공공 기금 횡령, 국가에 대한 배신, 그리고 혁명 이념에 반하는 활동을 했다는 죄목으로 기소되었습니다. 재판은 매우 빠르게 진행되어서 그에게 충분한 변호의 기회가 주어지지 않았고, 형식적인 재판 과정이었으며 사형이 확정된 상태였습니다. 그의 사형 선고를 보았던 과학자의 발언이 있습니다. "한 순간에 머리를 자를 수 있지만, 그가 만든 지식을 다시 얻기 위해서는 세월이 걸릴 것입니다"라고 전합니다. 그는 1794년 단두대에서 처형되었고 이 사건은 과학적 지식과 정치적 상황의 충돌을 상징하는 사건으로 남았습니다.

라부아지에의 질량 보존의 법칙 실험

앙투안 로랑 드 라부아지에는 질량 보존의 법칙을 실험을 통해 입증하였는데, 이는 화학반응에서 반응물의 질량과 생성물의 질량이 동일하다는 원리를 밝혔습니다. 가장 유명한 실험 중 하나는 연소 실험으로, 특히 수은의 산화를 관찰한 실험입니다. 이 실험에서 중요한 점은 반응 전후의 총 질량이 일치한다는 것입니다. 즉, 수은과 산소의 질량 합이 수은산화물의 질량과 같고, 수은산화물이 분해될 때 다시 원래의 수은과 산소의 질량으로 돌아갑니다. 이는 화학반응에서 질량이 보존된다는 라부아지에의 질량 보존 법칙을 증명합니다.

Hg 금속 산화물 형성을 증명하기 위해 사용한 장치

 

라부아지에가 진행했던 실험을 재현하여 봅니다.

• 위의 그림에서 왼쪽의 레토르트(A)에 수은 113.4 g를 넣고, 그 끝에는 수은 위에 있는 종 항아리(G) 속에 공기를 부피가 819.35 cm3가 되도록 조절한 후 높이  수위(높이 R)를 표시하여 기록하였습니다.
• 레토르트는 12일 동안 부드럽게 가열되는 동안 레토르트 내의 수은 표면에 붉은 반점이 생기기 시작했고 수은은 점차 붉은색을 띠는 금속 가루 형태로 변하였습니다.
• 반응이 끝나고 레토르트를 냉각시켜 상온에서 종 항아리의 공기 부피를 측정한 결과 131.097 cm3로 감소하였습니다(높이 L). 무게는 0.23g이 줄어들었습니다.
• 종 항아리에 남은 가스는 불꽃을 꺼뜨렸습니다. 이것은 공기에서 산소가 제거되었음을 보여줍니다.
• 그 대신 산화 수은의 무게가 0.23g이 증가하였습니다. 줄어든 공기의 무게만큼 산화수은의 무게가 증가한 것입니다.

현대적인 실험식은 다음과 같습니다. 먼저 수은(Hg)을 가열할 때, 공기 중의 산소(O₂)와 반응하여 수은(II) 산화물(HgO)을 형성합니다.

2Hg + O₂ → (300°C 가열) → 2HgO

 

이 번에는 반대방향으로 진행되는 실험을 수행하기 위해 산화수은 가루를 레토르트에 넣고 높은 온도로 수일 동안 같은 방식으로 가열했습니다. 레토르트 내에서 회색 가스가 발생하며 벽면에 수은 방울이 맺히기 시작하였습니다. 산화 수은 가루에서 수은으로 변하는 반응의 진행이 끝났을 때 무게는 0.23g이 줄었고 내부 공기는 다시 819.35 cm³ 증가하였습니다. 산화수은이 수은으로 변하면서 산소가 방출되었기 때문입니다. 이 반응을 현대 화학식으로 표현하면 다음과 같습니다. 즉, 수은(II) 산화물(HgO)을 가열하면 다시 수은(Hg)과 산소(O₂)로 분해된 것입니다.

 

2HgO → (600°C 가열) → 2Hg + O₂

라부아지에는 이러한 실험 결과와 이론을 여러 저서에 기술하였으며, 그중 화학의 기초(Traité élémentaire de chimie, 1789)라는 저서에서 이 법칙을 상세히 설명하였습니다. 이 실험에서 도출된 결과는 몇 가지가 있습니다.

첫째, 수은이 연소할 때 질량의 증가량은 결합하는 산소의 질량과 같았습니다. 동시에 수은가 결합되어 있던 산소는 다시 열분해 하여 산소 기체가 되었습니다. 질량 보존의 법칙이 성립하는 결과입니다.

둘째, 이 실험을 근거로 라부아지에는 플로지스톤설을 부정합니다. 즉, 모든 가연성 물질에 들어있는 입자이며 물질이 연소할 때 플로지스톤이 빠져나가 물질의 질량이 감소하게 된다는 이론을 부정합니다.

 

물은 산소와 수소의 화합물이다.

그의 실험 방식을 따라가는 방식으로 구성하여 보았습니다. 라부아지에가 11월 12일 왕립 과학 아카데미 공개회의에서 발표한 보고서에 대한 내용입니다. 이 보고서는 물의 성질과 물이 엄밀히 말해서 원소가 아니라 분해와 재구성이 가능하다는 것을 증명하는 것처럼 보이는 실험들에 대해 다루고 있습니다. 앙투안 로랑 드 라부아지에가 수행한 수소와 산소의 연소 실험은 화학반응과 관련된 중요한 발견을 가져왔습니다. 다음은 그가 사용한 방법에 대한 설명입니다.

실험 준비

• 용기 준비: 라부아지에는 반응을 관찰하기 위해 유리 용기를 사용했습니다. 이 유리 용기는 밀폐가 가능하여, 반응 중에 발생하는 가스의 손실을 방지할 수 있었습니다.
• 가스 수집: 수소 가스와 산소 가스를 각각 다른 방법으로 수집했습니다. 수소는 금속과 산의 반응을 통해, 산소는 수은(II) 산화물의 가열 분해를 통해 얻었습니다.

라부아지에의 "화학의 기초" 편; "planche IV, fig. 5"에 소개된  수소, 산소 반응 시험 장비

실험 방법

• 가스 혼합: 수소 가스와 산소 가스를 정확한 비율로 혼합했습니다. 그는 이론적 계산에 따라 수소와 산소를 2:1의 몰 비율로 혼합하는 것이 이상적임을 밝혀냈습니다. 하지만 초기 실험은 정확한 비율을 고려하지 않고 수행하였습니다.
• 반응 유도: 혼합 가스를 유리 용기에 넣고, 불꽃이나 전기 스파크를 사용하여 혼합 가스에 점화했습니다. 이 점화는 강력한 반응을 일으키며, 수소와 산소가 빠르게 반응하여 물을 형성합니다.

실험 관찰 및 측정

• 반응 관찰: 반응이 진행되는 동안 발생하는 열과 빛을 관찰했습니다. 또한, 반응 후 남은 가스의 양을 측정하여 질량 보존 법칙을 확인했습니다.
• 물의 수집: 반응을 통해 생성된 물은 용기의 벽에 응축되었고, 이 응축된 물의 양과 질량을 정밀하게 측정했습니다.

실험의 의의

• 이 실험을 통해 라부아지에는 수소와 산소가 결합하여 물을 형성한다는 중요한 발견을 하였습니다. 이는 물이 단순한 원소가 아니라 화합물임을 입증하는 데 중요한 증거가 되었으며, 화학적 연소의 본질을 이해하는 데 큰 진전을 가져왔습니다. 또한, 질량 보존의 법칙을 확립하는 데 결정적인 역할을 했습니다. 이 실험은 화학의 정량적 분석 방법과 원소 조합의 원리를 확립하는 데 큰 기여를 했으며, 현대 화학의 기초를 마련하는 데 중요한 역할을 했습니다.

 

아래의 내용의 라부아지에의 화학의 기초에 나오는 수소와 산소 화학반응 원문 번역 (출처: https://www.gutenberg.org/files/52489/52489-h/52489-h.htm#ch8)

composition de l'eau 준비 발롱 준비: 큰 개구부가 있는 약 30핀트 용량의 크리스탈 발롱 A를 준비합니다. 이 발롱에는 네 개의 구멍이 뚫린 구리판 BC가 밀봉되어 있으며, 이 구멍으로 네 개의 튜브가 연결됩니다. 첫 번째 튜브 Hh: 이 튜브는 공기 펌프에 연결되어 발롱에서 공기를 펌핑하여 공기를 빼냅니다. 두 번째 튜브 gg: 이 튜브는 산소 가스 저장소와 연결되어 발롱에 산소를 공급합니다. 세 번째 튜브 dDd': 이 튜브는 수소 가스 저장소와 연결되며, 매우 작은 구멍을 통해 수소 가스가 저장소에서 충분한 속도로 밀려나오도록 합니다. 이 속도는 한두 인치 물의 압력으로 조절됩니다. 네 번째 튜브와 금속선 GL: 이 튜브는 구리판의 네 번째 구멍에 밀봉되어 있으며, 금속선 GL이 통과합니다. 금속선의 끝 L에는 작은 구슬이 달려 있어, L에서 d'까지 전기 스파크를 발생시켜 수소 가스에 불을 붙일 수 있습니다. 금속선 GL은 움직일 수 있어 구슬 L을 튜브 dDd'의 끝 d'에서 멀어지게 할 수 있습니다. 튜브 조절: 세 개의 튜브 dDd', gg, Hh는 각각의 수도꼭지가 있어 가스의 흐름을 조절합니다. 가스의 건조 산소 가스와 수소 가스는 발롱 A로 보내기 전에 각각의 튜브 MM, NN을 통과합니다. 이 튜브들은 직경이 약 한 인치이며, 공기 중의 수분을 강하게 끌어당기는 소금(아세테이트 칼륨, 염화 또는 질산 칼슘)으로 채워져 있습니다. 이 소금들은 거친 가루 형태여야 하며, 덩어리를 지어 가스가 통과하지 못하게 해서는 안 됩니다. 가스의 준비 미리 충분한 양의 순수한 산소 가스를 준비합니다. 산소가 이산화탄소를 포함하지 않도록, 오랫동안 수용액에 담긴 칼륨과 접촉시킨 후 칼륨을 석회로 탈산화시킵니다. 같은 방법으로 수소 가스 두 배량을 준비합니다. 가장 안전한 방법은 매우 순수하고 연성이 좋은 철을 사용하여 물을 분해함으로써 수소 가스를 얻는 것입니다. 실행 이 두 가스가 준비되면, 공기 펌프를 튜브 Hh에 연결하고 발롱 A에서 공기를 빼냅니다. 그 다음 산소 가스를 튜브 gg를 통해 발롱에 도입하고, 압력을 사용하여 수소 가스를 튜브 dDd'를 통해 발롱으로 보냅니다. 수소 가스의 끝이 뾰족해지면, 전기 스파크로 이 가스에 불을 붙입니다. 이렇게 두 가스의 연소를 오랫동안 계속할 수 있습니다. 필요에 따라 가스를 계속 공급할 수 있습니다. 결과 연소가 진행됨에 따라, 발롱 또는 매트라스 A의 내부 벽에 물이 축적됩니다. 물은 점차 많아져 큰 물방울을 이루며 발롱의 바닥으로 모입니다. 실험 전후의 발롱을 무게 재기를 통해 수집된 물의 양을 측정할 수 있습니다. 이는 실험에서 사용된 가스의 무게와 생성된 물의 무게가 같아야 함을 확인하는 두 가지 검증 방법을 제공합니다.