세상에서 가장 쉬운 과학 수업: 양자화학

정완상 저자(글)

성림원북스 · 2025년 04월 07일

책 소개

노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학 시리즈

〉〉 고대 연금술에서 폴링의 양자화학까지
원자와 분자의 성질을 새롭게 밝힌 폴링의 양자화학 파헤치기

〈노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학〉 시리즈 13번째 책으로, 양자역학의 창시자 폴링의 논문을 쉽고 재밌게 풀어 쓴 책이다. 양자화학은 양자역학의 원리를 이용해 원자나 분자의 물리적·화학적 성질을 설명하는 화학의 한 분야다. 화학결합, 분자구조, 분광학적 성질, 화학반응 등을 이해하는 것을 목적으로 한다. 1900년부터 1930년까지 물리학자들은 고전역학의 문제점을 발견하고 양자의 개념을 탄생시켜 양자역학이라는 새로운 물리학을 만들었다. 그리고 폴링은 양자역학을 완벽하게 이해하고 이를 화학결합이론에 적용할 수 있다는 것을 알아냈다. 이로 인해 양자역학이라는 새로운 분야를 개척했다.
이 책은 어렵게만 느껴지는 과학 이론을 쉽고 재밌게 설명하기 위해 1986년 화학반응 연구로 노벨화학상을 수상한 허쉬바흐 박사와의 인터뷰 형식을 빌린 도입부에서 라이너스 폴링의 양자화학에 대해 짧게 설명하며 책의 흐름을 개괄적으로 파악하도록 했다. 이어서, 연금술로 인해 시작된 화학의 역사, 유기화학의 역사, 루이스의 화학결합이론, 오비탈이론, 양자화학으로 노벨화학상을 수상한 폴링에 이르기까지 과학자들의 치열한 연구 과정을 흥미진진하게 소개했다. 무엇보다 이 책은 저자를 대변하는 정교수와 독자 입장에서 정교수에게 질문을 던지는 화학군의 대화 형식을 빌려 일대일 수업을 듣는 듯 친절하고 정교하게 구성된 것이 특징이다. 부록으로 화학결합에 대한 루이스의 논문, 양자화학에 대한 폴링의 논문을 실었다. 이와 함께 노벨화학상 수상자 목록을 실어 더 깊은 탐구와 이해를 돕고 있다.

작가정보

저자(글) 정완상

과학에 대한 호기심으로 서울대학교 무기재료공학과에 다녔고, 물리를 향한 마음이 더욱 커져 한국과학기술원(KAIST)에서 이론물리학을 전공하며 석박사 학위를 받았다. 30세에 경상국립대학교 물리학과 교수가 되어 학생들에게 물리 사랑을 전파하고 있다. 초심을 잃지 않기 위해 꾸준히 연구하며 현재까지 국제 학술지(SCI 저널)에 300여 편의 논문을 게재했다. 직접 만나는 학생뿐만 아니라 더 많은 학생들에게 과학과 수학의 즐거움을 알려주고자 책을 통해 독자를 만나고 있다. [과학자가 들려주는 과학 이야기 시리즈] 중 《아인슈타인이 들려주는 상대성 이론 이야기》를 비롯한 31권과 [과학공화국 법정 시리즈] 50권을 집필했다. 최근에는 중학교에서도 통하는 초등수학을 카툰으로 그린 [개념 잡는 수학툰 시리즈]를 출간했고, 노벨상 오리지널 논문을 쉽게 풀어낸 [노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학 시리즈]를 집필 중이다. 우리나라의 노벨 과학상 수상자가 쏟아져 나오기를 바라는 마음에서 네이버 카페 [정완상 교수의 노벨상-오리지널 논문 공부하기]를 운영하기 시작했다.

목차

• 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

추천사

• 김정훈 (연세대학교 공과대학 화공생명공학과 교수)

  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.

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

출판사 서평

★ 전국 과학교사모임 추천
★ 일대일 친절한 과학 수업
★ 이공계 진학 예정자 필독서
★ 노벨상 수상 논문 영문본 수록


신약을 개발하거나 산업 공정을 최적화하기 위해 필요한 양자화학,
양자화학의 창시자 라이너스 폴링의 논문 속으로!

양자화학은 양자역학의 원리를 화학의 여러 문제에 적용하여 원자와 전자의 움직임부터 분자구조와 화학반응 등을 이론적으로 설명하는 학문 분야이다. 이 분야는 물리학과 화학의 교차점에 위치하여 원자와 분자의 특성과 상호작용을 연구한다.
양자화학은 화학 현상을 이해하는 데 매우 중요한 역할을 한다. 양자화학은 분자구조 예측, 화합물의 안정성 평가, 반응 속도 예측 등 다양하게 이용될 수 있다. 양자화학으로 분자구조를 정확히 예측하면 새로운 화합물의 특성을 이해하고 설계할 수 있다. 예를 들어, 새로운 약물을 개발하거나 산업 공정을 최적화하기 위해서는 해당 화합물의 구조를 정확히 파악해야 하고, 화학반응의 메커니즘을 이해하거나 화학적으로 안정한 물질을 찾기 위해서도 양자화학이 필요하다.
이러한 양자화학의 세계를 개척한 과학자는 바로 라이너스 폴링이다. 폴링은 1931년에 화학결합을 양자역학의 원리를 이용해 설명하는 첫 논문을 발표했다. 그는 전자가 양자역학의 슈뢰딩거 방정식을 만족하는 파동함수로 묘사된다고 생각했다. 1931년 논문에서 슈뢰딩거 방정식을 이용해 여러 가지 화합물들의 화학결합 구조에 대해 완벽하게 설명할 수 있었다. 특히 탄소 원자 하나와 수소 원자 4개로 이루어진 메테인 분자의 구조를 양자역학으로 설명했다. 이외에도 다양한 분자들에 대해 원자들이 어떻게 결합되는지를 설명했다.
이 논문이 발표된 이후 양자화학이라는 화학의 새로운 분야가 탄생했다. 그리고 이때부터 화학과 학생들도 학부 과정에서 양자역학을 배우게 되었다. 양자화학의 탄생으로 화학자들도 양자의 세계에 발을 들여놓게 된 것이다. 폴링은 양자화학을 창시한 공로를 인정받아 1954년 노벨화학상을 수상했는데, 노벨화학상뿐만 아니라 노벨평화상도 수상했다. 그는 핵무기 실험의 종식뿐만 아니라 전쟁 자체의 종식을 촉구하면서 세계 평화 연구 기구를 설립하자고 제안하며, 그와 뜻을 같이하는 사람들을 모아 적극적으로 활동했다. 이 업적으로 1963년 노벨평화상을 수상했다. 그는 과학의 발전뿐만 아니라 인류의 평화까지 바랐던 인간적인 너무나 인간적인 과학자였다.

고전역학으로는 설명할 수 없는 양자의 운동을 연구하는 양자역학,
슈뢰딩거, 하이젠베르크 등 양자역학을 발전시킨 과학자들

양자화학을 이해하려면 우선 양자역학에 대해 알아야 한다. 양자역학은 양자(더 이상 나눌 수 없는 에너지의 최소량의 단위)의 운동을 연구하는 물리학의 분야이다. 하지만 고전역학으로는 양자의 운동에 대해 설명할 수 없기 때문에 새로운 역학 체계가 필요하게 되었다. 1900년부터 1930년까지 물리학자들은 양자의 개념을 탄생시켜 양자역학이라는 새로운 물리학을 만들었다. 그리하여 양자역학이 탄생하게 된 것이다.
양자의 개념은 플랑크가 1900년에 처음 제안했다. 고전역학에서 입자의 운동에 대해 설명한 것은 뉴턴 역학이다. 뉴턴 역학에 의하면 물체의 처음 위치와 처음 속도를 알면 임의의 시각에서 물체의 위치와 속도를 알 수 있다. 하지만 양자의 경우에는 물체의 위치와 운동량(질량과 속도의 곱)을 동시에 정확하게 측정할 수 없었다. 물체의 위치를 정확하게 측정하려고 하면 물체의 운동량 측정은 더 부정확해지고, 물체의 운동량을 정확하게 측정하려고 하면 물체의 위치는 더 부정확해지기 때문이다. 즉 물체의 위치에 대한 오차와 물체의 운동량에 대한 오차가 서로 반비례하게 된다. 이것을 불확정성 원리라고 하는데, 1925년 하이젠베르크가 처음 주장했다. 양자역학은 플랑크가 양자의 개념을 제안한 이후 슈뢰딩거의 방정식, 하이젠베르크의 불확정성 원리 등으로 발전되었다.
폴링은 양자역학을 화학에 도입해 양자화학이라는 새로운 분야를 개척했다. 양자역학은 양자화학뿐 아니라 새로운 연구 분야를 무궁무진하게 만들 수 있다. 양자역학을 이용해 우리는 우주의 기본 구조와 그 작동 방식을 더욱 깊이 이해할 수 있을 것이며, 이는 인류의 미래를 밝히는 데 기여할 것이다.

서로 다른 물질이 결합해 새로운 물질을 만드는 화학결합,
루이스의 화학결합이론 논문 속으로!

양자화학은 일반인들이 이해하기 쉽지 않은 분야인데, 이 책은 이에 대해 쉽게 이해하도록 우선 화학반응의 역사와 유기화학의 역사를 소개했다. 그 다음으로 화학결합이론에 대해 소개했다. 화학결합은 서로 다른 물질이 결합해 새로운 물질을 만드는 것인데, 이에 대해 처음 아이디어를 낸 사람은 바로 뉴턴이다. 1704년, 뉴턴은 자신의 저서 《광학(Opticks)》에서 서로 다른 원소들이 결합해 새로운 물질을 만드는 과정을 묘사했다. 이후 1718년 지오프로이는 여러 원소들이 얼마나 결합하고 싶어 하는지를 나타내는 화학친화력 표를 만들었다.
이 책은 양자역학을 전혀 이용하지 않고 화학결합을 설명한 1916년 루이스의 논문도 소개했다. 이 논문은 주로 우리가 고등학교 화학시간에 배우는 공유결합에 대해 설명한다. 전자가 발견되고 전자가 원자핵 주위를 돈다는 내용이 알려지면서, 루이스는 핵 주위를 도는 전자들 중에서 가장 바깥쪽에 있는 전자들에 관심을 가졌다. 이 전자들을 가전자라고 하는데, 이 전자들은 공유결합에서 매우 중요한 역할을 한다. 루이스는 가전자의 공유를 이용해 산소 원자 두 개가 산소 분자를 만드는 결합에 대해 잘 설명했다. 루이스의 이론은 훗날 폴링이 양자화학을 개척하는 데 큰 도움이 되었다.

전공서보다는 가볍게, 교양서보다는 묵직하게
겉핥기가 아닌 깊이 있는 과학책을 찾는다면!

이공계로 진학할 예정인가? 물리학 또는 화학에 관심이 많다고? 과학사 외에도 이론을 심도 있게 설명하는 책을 찾고 있나? 여기 〈노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학〉 시리즈가 있다.
말 그대로 노벨상 수상자들이 쓴 오리지널 논문을 통해 과학 이론을 배우는 책이다. 교과서나 다른 매체로 가볍게 접한 유명 이론을 과학자가 논문에서 어떻게 풀어냈는지 큰 줄기를 중심으로 차근차근 설명해 간다. 정교수와 물리군 또는 화학군의 일대일 대화를 통해서 말이다. 그 배경을 이루는 과학사는 덤이다. 이론을 완성하는 밑바탕이 된 다른 이론들도 함께 설명한다.
줄글만으로 설명하지는 않았다. 과학의 언어는 수학이라고 한다. 즉, 수학을 빼고는 과학 이론의 핵심을 제대로 파악하기 어렵다. 너무 걱정하지는 말자. 고등학교 수준의 수학 지식만 있으면 이해하도록 친절하게 설명했으니까. 그리고 수식은 건너뛰면서 보아도 이론을 받아들이기는 어렵지 않다. 어렴풋이 이해하는 것만으로도 왠지 내 거가 된 느낌이다. 다 읽고 난 다음 차근차근 돌아보아도 좋다. 책은 어디로 사라지지 않으니까!
논문의 느낌을 직접 체험할 수 있도록 책의 뒤편에 부록으로 실었다. 과학자들의 논문은 영어뿐 아니라 독일어, 프랑스어 등 여타 언어로 쓰였기 때문에 우리가 그나마 쉽게 읽을 수 있는 영문본을 수록했다.
특별히 이 시리즈는 20권으로 기획했다. 주된 분야는 물리학이다. 물리학자 아인슈타인, 마리 퀴리, 플랑크, 보어, 하이젠베르크 등의 대표 이론들을 한 책에 하나씩 다룬다. 보통 이렇게 분야를 세세하게 나누어 한 권에 한 주제씩 시리즈로 묶은 책은 아동을 대상으로 한 도서가 많다. 그래서 이 시리즈의 기획이 좀 독보적이다.
여기서 저자의 진가가 발휘된다. 국제 학술지에 300여 편의 논문을 게재한 연구자로, 수백 권의 교양서를 쓴 저자로, 대학에서 물리학을 가르치는 교수로, 활발히 활동하는 저자의 전문 지식을 바탕으로 신선한 기획이 또 다른 새로움을 낳았다.
이론을 제대로 알고 싶은데 전공 서적을 보자니 너무 어려울 것 같고, 일반 교양서를 읽자니 수준이 너무 얕게 느껴진다면 이 시리즈를 펼쳐 보는 건 어떨까? 과학의 세계로 한 걸음 더 깊이 들어가 보자!

기본정보

ISBN	9791193357484
발행(출시)일자	2025년 04월 07일
쪽수	260쪽
크기	154 * 218 * 13 mm / 691 g
총권수	1권

Klover 리뷰 (4)

[bo*****]

이해하기 쉽게 설명합니다.