세상에서 가장 쉬운 과학 수업 양자화학 : 저자 정완상 교수의 오리엔테이션

차 례

추천사
천재 과학자들의 오리지널 논문을 이해하게 되길 바라며
폴링 박사의 1931년 논문이 일으킨 파장 _ 허쉬바흐 박사 깜짝 인터뷰

첫 번째 만남 | 화학의 역사
연금술과 화학의 태동_연금술로 인해 발전한 화학
산과 염기의 발견_리트머스 시험지의 발명
라부아지에의 화학 혁명_《화학명명법》과 《화학개론》
라부아지에 이후의 화학_염색의 원리와 원소의 반응을 밝힌 베르톨레
화학친화력의 등장_화학친화력 표를 만든 지오프로이
원자와 분자_기체반응의 법칙
원소 기호와 원자량_원소 기호를 만든 베르셀리우스와 원자량을 측정한 리처즈
전기분해의 역사_전기분해로 수많은 금속을 발견하다
반 데르 발스의 실제 기체 연구_클레페롱의 이상 기체 방정식

두 번째 만남 | 유기화학의 역사
유기물질_유기물질이라는 용어를 처음 사용한 베르히만
생기론_아리스토텔레스의 혼과 에라시스트라토스의 프네우마
뵐러의 요소 합성_생기론이 틀렸음을 증명하다
리비히와 유기화합물의 분자식_유기화합물 속의 탄소와 수소와 산소의 함량이 분자식을 결정한다
치환의 법칙_뒤마가 발견한 치환의 법칙
게르하르트의 형 이론_모든 유기화합물을 네 가지의 형으로 나타내다
프랭크랜드와 원자가_화학결합에서 원자가의 개념을 처음 도입하다
4가 원소를 찾아서_원자가가 4인 경우를 발견한 케쿨레와 쿠퍼
브라운의 구조식_유기화학물의 구조식을 그림으로 나타낸 브라운
벤젠의 육각고리_벤젠의 구조식을 발견한 케쿨레

세 번째 만남 | 루이스의 화학결합이론
분석화학의 역사_고대부터 시작된 분석화학
원자 모형의 등장_톰슨의 원자 모형과 러더퍼드의 원자번호
화학결합이론의 창시자 루이스_화학결합을 설명하기 위해 정육면체 원자 모형을 도입하다
루이스의 점 기호_정육면체 원자 모형으로 설명하지 못하는 화학결합을 설명하다

네 번째 만남 | 오비탈이론
양자역학의 탄생_하이젠베르크의 불확정성 원리
3차원 수소 문제_3차원에서의 양자역학
훈트의 규칙_바닥 상태의 전자를 배치하는 규칙

다섯 번째 만남| 양자화학
멀리켄_양자화학으로 노벨상을 수상하다
라이너스 폴링_양자화학이론을 만들다
분자궤도함수_훈트와 멀리켄의 분자궤도함수
폴링의 논문 속으로_메테인을 양자화학적으로 설명하다

The Atom and Molecule _루이스 논문 영문본
The Nature Of The Chemical Bond _라이너스 폴링 논문 영문본

추천글
이 책은 연금술, 산과 염기, 원자와 분자 등 매우 기초적인 내용으로 시작하여 유기물질, 원자가, 방향족 육각고리 등 유기화학에 대해 쉽게 설명하고 때에 따라서는 전문적인 내용과 수식도 포함하고 있습니다. 화학을 처음 접하기 시작하는 중학생부터, 고등학생, 대학생, 과학계 종사자까지 많은 사람들에게 유용한 내용을 담고 있습니다. 대한민국의 12대 국가전략기술 중 하나로 양자과학기술이 지정되고 국가의 미래 기술로 많은 투자와 연구가 이루어지고 있는 시점에서 이 책은 대한민국의 과학도를 포함한 국민들에게 매우 유용한 책입니다.
김정훈(연세대학교 공과대학 화공생명공학과 교수)

책 속으로
화학결합은 서로 다른 물질이 결합해 새로운 물질을 만드는 것을 말해. 이것에 관한 최초의 아이디어를 낸 사람은 영국의 뉴턴(1642~1727년)이야. 1704년, 뉴턴은 자신의 저서《광학(Opticks)》에서 서로 다른 원소(뉴턴의 시대에는 돌턴의 원자설이 나오기 전이므로 원소라는 표현을 사용했다.)들이 결합해 새로운 물질을 만드는 과정을 묘사했어.
-p. 34~35

1800년 5월, 니콜슨은 웨스트민스터 병원의 외과 의사인 카리슬과 함께 물을 수소와 산소로 전기분해를 했다. 두 사람보다 약간 늦게 독일의 화학자이자 물리학자인 리터(1776~1810년) 역시 전기분해를 통해 물을 수소와 산소로 분해하는 데 성공했다.
-p. 50~51

유기화학의 역사는 굉장히 길어. 아주 오래전부터 연금술사와 초기 화학자들은 혈액, 침, 소변, 계란 흰자 등을 분석했는데, 이것이 유기화학의 시작이야. 최초로 얻어진 순수한 유기화합물은 알코올(에탄올)이지.
-p. 63

프랭크랜드는 1852년 화학결합에서 원자가의 개념을 처음 도입했어. 원자가는 화학결합에서 어떤 원자가 이웃한 원자들과 결합되어 있는 가짓수를 말해.
-p. 76

유기화학의 역사에서 브라운의 가장 큰 업적은 유기화합물의 구조식을 그림으로 나타낸 것이다. 1864년에 그는 분자의 구조식을 그리기 시작했는데, 그 그림에서 원자 기호를 원으로 묶고 점선을 사용하여 각 원자의 원자가를 만족시키는 방식으로 원자 기호를 함께 연결했다.
-p. 82

이제 화학결합의 연구에 한 획을 그은 루이스의 논문 속으로 들어갈 거야. 그전에 20세기 초의 새로운 발견들에 대해 좀 알아볼 필요가 있어. 화학결합에 대한 이론이 본격적으로 등장한 것은 톰슨(1856~1940년)이 전자를 발견하면서부터야.
-p. 93

루이스는 1902년부터 전자와 화학결합의 관계에 대해 고민했어. 그리고 1916년 결합 후 가전자 수가 8개가 되면 안정된 상태가 된다고 생각했지. 루이스는 8개 점을 가진 도형인 정육면체를 생각했어. 가전자를 정육면체의 각 꼭지점의 개수만큼 나타냈지. 이것을 정육면체 원자 모형이라고 불러.
-p. 101

양자는 고전역학으로는 설명할 수 없는 기묘한 성질을 가진 입자야. 이러한 입자는 플랑크(1858~1947년)가 1900년에 처음 제안했어. 고전역학에서 입자의 운동에 대해 설명한 것은 뉴턴 역학이야. 즉 물체의 처음 위치와 처음 속도를 알면 임의의 시각에서 물체의 위치와 속도를 알 수 있지. 하지만 양자의 경우는 물체의 위치와 물체의 운동량(질량과 속도의 곱)을 동시에 정확하게 측정할 수 없어. 물체의 위치를 정확하게 측정하려고 하면 물체의 운동량 측정은 더 부정확해지고, 물체의 운동량을 정확하게 측정하려고 하면 물체의 위치는 더 부정확해지지. 즉 물체의 위치에 대한 오차와 물체의 운동량에 대한 오차가 서로 반비례하게 돼. 이것을 불확정성 원리라고 하는데, 1925년 하이젠베르크(1901~1976년)가 처음 주장했어.
-p. 112

이제 폴링의 논문 속으로 들어가 보자. 너무 많은 내용이 들어 있지만 우리는 폴링이 메테인을 양자화학적으로 어떻게 설명했는지를 알아볼 거야. 메테인은 가장 간단한 탄소화합물로, 탄소 하나에 수소 4개가 붙어 있어. 분자량은 16이고, 녹는점은 -183℃, 끓는점은 -162℃로 상온에서 기체이지. 메테인은 자연적으로는 유기물이 물속에서 부패하거나 발효할 때 생기므로 늪지대의 바닥 등에서 발생한다. 또 석탄층에 함유되어 석탄 갱내에서 발생하여 공기와 섞여 폭발을 일으킬 때도 있다. 천연가스나 석탄가스의 주성분을 이룬다. 메테인의 화학식은 CH4이고 C-H의 결합 길이는 0.110nm이며, C-H의 결합 사이의 결합각은 109.5°이며, 무극성 분자이다.
-p. 171