엔트로피, 주기율표와 분자운동, 분자 관람 그리고 나노 | 단백질 구조예측까지 미래를 위한 화학 특강 10

서울대학교 화학과 (이학사) 를 졸업하고, 미국 하버드대학교에서 물리학으로 이학석사와 화학물리학으로 이학박사를 받았다. 서울대학교 자연과학대학장을 지냈으며, 현재 서울대학교 화학부 교수로 재직 중이다. 영국왕립화학회 펠로우, 국제 학술지 PCCP 편집장 및 편집 이사회 의장, 삼성미래기술육성재단 이사장 및 KAOS 과학위원장으로 활동하고 있다.

머리말 / 4
LECTURE 01 에너지와 엔트로피: 세상은 무엇으로 굴러갈까? - 김성근
화학, 변화의 과학 / 18 화학결합 에너지 / 24 열역학 법칙들 / 30
엔트로피의 수학 / 통계적 의미 / 37 확률과 통계의 화학 / 41 다시 미스터리로 / 46
패널 토의 / 48
질의응답 / 56

LECTURE 02 세상을 만드는 원자는 동그랄까, 길쭉할까, 우글쭈글할까? - 이영민
원자, 분자, 화학결합… / 60 파동함수를 이해할 수 있는 지식들 / 66
흔히 하는 몇 가지 착각들 / 72
패널 토의 / 79
질의응답 / 87

LECTURE 03 변화와 다양성: 주기율표의 탄생과 화학의 역사 - 김경택
원소의 주기율표 / 92 화학은 세계와 변화에 관한 학문 / 94 화학혁명: 질량보존의 법칙 / 102
화학은 친밀하고 로맨틱한 학문 / 117
패널 토의 / 118
질의응답 / 124

LECTURE 04 화학반응의 바늘과 실: 전자와 양성자 - 정택동
노벨상 메달 숨기기 / 130 전자와 양성자 / 133 산과 염기 그리고 산화/환원 / 136
광합성과 호흡 / 139 현대 전기화학 / 144
패널 토의 / 150
질의응답 / 156

LECTURE 05 분자운동과 화학반응, 그 역동의 세계 - 윤완수
위치에너지 / 162 분자 에너지 / 169 반응 속도 / 174
화학반응 속도의 결정요인 / 177 눈으로 보는 반응 / 179
패널 토의 / 184
질의응답 / 190

LECTURE 06 눈으로 보는 분자 1개의 화학 - 김유수
화학반응과 촉매 / 196 표면과 분자 / 198 분자 1개를 보는 현미경 / 201
분자 1개의 화학반응을 일으키다 / 205
패널 토의 / 214
질의응답 / 220

LECTURE 07 분자 관람: 공학의 미학 - 이동환
2017년에 태어난 새로운 분자들 / 226 패턴과 규칙 / 229 공간과 방향 / 234
화학결합과 기계결합 / 245 왜 또 새로 만들까? / 249
패널 토의 / 253
질의응답 / 260

LECTURE 08 나노: 우리의 미래 - 이광렬
나노/분자 세계는 얼마나 작은가? / 264 현미경으로 보는 나노 물질/구조 / 269
형형색색의 나노입자 / 273 우리 주변의 나노기술 / 276
패널 토의 / 279
질의응답 / 286

LECTURE 09 단백질 구조 예측: 분자세계 게임의 법칙을 찾아서 - 석차옥
단백질 구조 / 290 단백질 구조의 중요성 / 296 단백질 구조 예측 / 298
단백질 구조 예측 대회, CASP / 304 단백질 구조 예측, 그다음은? / 307
패널 토의 / 310
질의응답 / 318

LECTURE 10 화학적 감각: 냄새, 맛의 정체는 무엇인가? - 박태현
냄새를 화학물질로써 정의할 수 있을까? / 324 후각의 역할 / 327 후각수용체 / 328
융합 기술 / 336 단맛 수용체 / 338 어디에 쓸 것인가? / 340
패널 토의 / 342
질의응답 / 349

그림 출처 / 352
찾아보기 / 354

화학적인 변화를 일으키는 것은 에너지입니다. 에너지는 모든 변화의 동인(動因)입니다. 이는 꼭 화학적인 변화만이 아니라 물리 적인 변화도 마찬가지입니다. 또 생명에서의 변화도 마찬가지입니다. -21p화학은 기본적으로 변화를 추구하는 학문입니다. 그래서 화학에서는 반응을 이해하는 것을 상당히 중요하게 여깁니다. 물론 원자핵이 재배치되는 것도 반응이지만 에너지가 재배치되는 것도 넓게 보면 반응일 수 있습니다. 화학은 이처럼 변화, 화학결합이 재구성 되는 것들을 추구하는 것으로 볼 수 있습니다. -77p멘델레예프가 발견한 주기성은 후대 화학자들이 원자의 구조를 이해하는 단초가 됩니다. 원자가 도대체 어떤 구조를 가졌기 때문에 그런 주기성이 나오는지를 이해하기 위해 여러 가지 시도를 하게 됩니다. -116p전자가 어디 있었느냐, 어느 원소에 속해 있었느냐 하는 것이 화학 변환을 일으켰다고 볼 수 있습니다. 이런 변환이 전자의 움직임에 의한 것이었다는 걸 알게 된 것은 그렇게 오래된 게 아닙니다. -133p화학반응을 이해하는 데는 반응의 속도에 대해 이해하는 것이 필수적입니다. 원자폭탄과 원자력 발전소의 핵심적인 차이는 반응 속도의 차이입니다. 빠르게 반응하면 폭탄이 되고, 통제된 속도로 비교적 느리게 반응하면 발전소인 것이지요. 원자력 발전소와 관련된 문제의 많은 부분은 반응속도를 통제할 수 있느냐의 여부와 직결됩니다. -175p화학반응이 어떤 표면에서 일어났다는 걸 이해하려면 그 분자가 표면에 구체적으로 어디에 붙어 있느냐를 알아야지만 표면 현상들을 제대로 이해할 수 있습니다. 어떤 물질 기능의 거시적인 현상을 이해하기 위해서는 미시적인 관점에서 연구하지 않으면 안 된다는 게 표면 화학을 하는 큰 동기가 됩니다. -201p
화학은 물질의 구조와 변화를 연구하는 학문이라고 했습니다. 그래서 화학자들은 우리를 둘러싼 세상에 있는 물질이 어떤 경로를 통해 만들어졌는지 궁금해하고, 어떤 경우에는 이 과정을 오롯이 인간의 힘으로 똑같이 재현해보려고 합니다. -250p나노 과학과 기술은 크기가 1에서 100nm 정도 되는 물질들에 대해서 연구하는 것입니다. 또 이것을 어떻게 사용하는지를 연구하는 것도 나노과학과 기술입니다. -264p단백질 구조를 잘 알면 그 구조로부터 많은 생명 현상을 원자 수준에서 상세하게 설명할 수 있는데, 그 예가 ATP 합성 단백질입니다. ATP는 생명체에서 에너지의 단위로, ADP 분자와 인산이 만나서 그 둘 사이에 화학결합이 생기면 만들어집니다. 우리가 에너지를 필요로 할 때마다 ATP 합성 단백질이 작용합니다. -296p나머지 두 가지 감각인 화학적인 감각은 아직 그런 장비가 없습니다. 이 세상에 냄새 맡는 장비도 없고 맛을 보는 장비도 없어요. 유일한 장비가 우리 코와 혀입니다. -326p

세상의 미스터리를 풀어
미래로 가는 답을 구하다!
미시세계의 비밀을 파헤쳐 미래를 여는 과학 탐구서!“CheMystery”
‘화학’할 때 화자가 무슨 뜻인지 아시나요?
꽃 화花, 불 화火? 바로 변화 화化입니다.
영어 Chemistry의 어간인 chemi-도 역시 변화라는 뜻입니다.
화학은 변화되는 과정을 다루는 변화의 학문입니다.
나트륨과 염소가 만나 전혀 다른 소금으로 변화하고,
수소와 산소가 만나 전혀 다른 물로 변화합니다.
수많은 분자를 합성시키면 고무가 되기도,
플라스틱이 되기도, 비료가 되기도 합니다.
이러한 변화 과정에서 미스터리가 생기기도 합니다.우리는 무기물이 어찌하여 유기물이 되어서
우리 같은 생명체가 되었는지 아직 정확히 알지 못합니다.
우리는 세상의 수많은 미스터리를 푸는 데
화학이 기여할 수 있으리라 믿습니다.
화학은 변화의 학문, 가능성의 학문이니까요.
카오스강연 ‘화학의 미스터리, CheMystery’가
이러한 가능성을 보여줄 것입니다.
▼ 화학은 물질을 다루는 학문이다!
화학은 변화되는 과정을 다루는, 변화의 학문이다. 이러한 변화 과정에서 미스터리가 생기기도 한다. 우리는 무기물이 어찌하여 유기물이 되어서 우리 같은 생명체가 되었는지 아직 정확히 알지 못한다. 우리는 10억 분의 1m인 나노 단위까지는 볼 수 있지만 더 작은 세계의 비밀을 아직 모른다. 주기율표상의 빈 공간을 채울 또 다른 원소가 있는지도 알지 못하고, 우주의 95%를 차지하는 암흑물질과 암흑에너지를 알지도 못한다. 그러나 우리는 이런 세상의 수많은 미스터리를 푸는 데 화학이 기여할 수 있으리라는 것은 믿고 있다. 화학은 변화의 학문, 가능성의 학문이기 때문이다.▼ 화학이라는 학문의 중요성과 현주소를 알 수 있는 계기
화학은 원래 과학을 부르는 다른 이름이었다. 17세기 과학혁명이 태동하던 시절에는 화학자들이 압도적으로 많았고, 과학자들은 동시에 화학자이기도 했다. 연금술에 몰두하기도 했던 뉴턴의 이야기는 유명하며, 라부아지에와 돌턴, 아보가드로 등의 화학자는 익히 명성을 떨친 과학자다.
한때 우리나라에서도 화학과와 화학공학과가 이과계열 최고 인기였던 적이 있었다. 미래는 화학에 달려 있다고 믿던 시절이었다. 하지만 요즘 학생들은 인공 지능이나 코딩 등에 관심을 두기에 화학은 자칫 ‘전망 없는’ 학문으로 여겨질 수도 있다. 화학에서 인공지능이나 뇌과학, 유전자가위나 코딩 따위를 떠올리기는 쉽지 않기 때문이다.▼ 미래를 여는 놀라운 미래 학문, 화학
하지만 화학은 수많은 미래 학문과 연결되어 있다. 미래에너지, 수소·전기자동차, 양자역학(물리화학), 빅데이터(계산화학), 미래의약품, 인공근육, 첨단소재, 나노, 반도체 등이 모두 화학이 다루는 분야들인 것이다. 그리고 우리 뇌의 비밀과 인체의 비밀을 제대로 알려면 분자 단위를 다루는 화학이 절대적으로 필요하다.
화학 단어는 일상에서 아주 쉽게 쓰이기도 한다. 자주 사용하는 ‘저 사람과 내가 케미가 있다’라는 말은 서로 다른 존재가 만나 화학적 반응을 한다는 의미의 케미는, 당연히 케미스트리(화학)에서 나온 말입니다. 화학은 우리 생활과 뚝 떨어져서 과학자들에게 학문으로서만 존재하는 것이 아니다. 어떤 학문보다 우리 생활과 밀접한 관계가 있으며, 더 나은 미래를 위해 꼭 필요한 분야라는 걸 이 강연집으로 통해 알게 되길 희망한다. 카오스재단은 ‘과학, 지식, 나눔’을 모토로 대중이 과학을 좀 더 쉽게 이해하고 즐기게끔 노력하는 단체다. 매년 상반기와 하반기로 나누어 선정된 과학 주제로 10회에 걸쳐 강연한다. 2015년 상반기 주제 ‘기원’을 시작으로, ‘빛’, ‘뇌’, ‘지구’, ‘물질에서 생명으로’, ‘미래과학’, ‘수학’이 어떤 것인지에 대해 강연을 진행했다.
‘렉처 사이언스 KAOS’ 여덟 번째 책은 《화학의 미스터리》다. 엔트로피, 주기율표와 분자운동, 분자 관람 그리고 나노, 단백질 구조예측까지 미래를 위한 화학 특강이다. 미래에너지, 수소·전기자동차, 양자역학(물리화학), 빅데이터(계산화학), 미래의약품, 인공근육, 첨단소재, 나노, 반도체 등 우리 미래를 판가름할 다양한 것들에 화학이 깊이 연관되어 있음을 알게 되는 계기가 될 수 있을 것이다. 이번 카오스강연 ‘화학의 미스터리, CheMystery’ 10개 강연을 모은 이 강연집은 화학이라는 학문의 중요성과 현주소를 알기에 좋은 책이 될 것이다. 1강 ‘에너지와 엔트로피: 세상은 무엇으로 굴러갈까?’에서는 김성근 교수가 모든 것에서 에너지 변화와 엔트로피 변화가 있다는 것을 설명한다. 즉 식물이 묘목에서 출발해서 큰 나무가 되었다가 쇠잔하게 되는 과정과 같다. 모든 화학적 변화를 수반하는 에너지와 엔트로피가 각각 안정과 혼돈을 표현하면서 이들 사이의 균형이 화학 평형과 반응을 관장한다는 사실을 보여준다.2강 ‘세상을 만드는 원자는 동그랄까, 길쭉할까, 우글쭈글할까?’에서는 이영민 교수가 양자화학에 대해 설명한다. 원자들이 모여 분자를 이루고, 이러한 분자들이 모여 물질 세상을 만든다. 화학은 이러한 물질 세상을 이해하는 기본 원리를 제공하며, 원자나 분자와 같은 작은 세계를 정확히 이해하기 위해서는 양자 역학 원리의 적용이 필수적이다. 이런 양자 역학 개념을 쉽게 설명해준다. 3강 ‘변화와 다양성: 주기율표의 탄생과 화학의 역사’에서는 김경택 교수가 화학사의 숨어 있는 뒷이야기와 학창시절부터 익숙한 주기율표에 대해 설명한다. 원소의 발견과 이해, 원자의 구성과 원자들의 화학 결합에 대한 역사적 발견들과 주기율표로 정리되는 과정을 살펴본다.4강 ‘화학반응의 바늘과 실: 전자와 양성자’에서는 정택동 교수가 전자와 양성자의 거동, 전기화학에 대한 것을 다루면서 전기자동차부터 시작해서 우리의 모든 환경과 미래까지를 설명한다. 화학을 배우면 산과 염기를 만나고 산화 환원이 등장하는데, 화학의 가장 기본이기도 하다. 또한 바늘과 실처럼 함께 따라다니는 전자와 양성자를 설명한다.5강 ‘분자운동과 화학반응, 그 역동의 세계’에서는 윤완수 교수가 분자운동과 화학반응을 설명한다. 끊임없이 움직이는 작은 것들의 세계에서 일어나는, 때로는 격정적이고 때로는 장엄하기도 한 사건들이 우리의 삶과 일상을 늘 가득 채우고 있다는 사실을 깨닫게 된다. 6강 ‘눈으로 보는 분자 1개의 화학’에서는 김유수 교수가 눈으로 보는 분자 하나하나의 표면에서 일어나는 화학을 설명한다. 물질의 표면은 분자와 원자가 저마다의 원칙을 갖고 배열되어 있고, 그 미시적인 구조가 화학반응과 기능과 성질을 규정짓고 있음을 볼 수 있다.7강 ‘분자 관람: 공학의 미학’에서는 이동환 교수가 '공학(空學)의 미학'을 주제로 설명한다. 화학은 공간의 학문이어서 아는 만큼 더 보인다. 패턴 속에 감추어진 규칙과 변칙을 찾다보면 모르고 지나쳤던 아름다움을 발견하는 것을 볼 수 있다. 8강 ‘나노: 우리의 미래’에서는 이광렬 교수가 우리의 모든 것을 관장하는 작은 세계, 나노에 관해 설명한다. 나노미터는 얼마나 작은지, 나노물질을 볼 수 있는 현미경과 물질이 나노미터 수준으로 작아지면 어떤 새로운 성질이 생겨나는지 등을 알려준다.9강 ‘단백질 구조 예측: 분자세계 게임의 법칙을 찾아서’에서는 석차옥 교수가 컴퓨터를 이용해서 화학을 얼마나 멋지게, 그것도 단백질이라는 굉장히 도전적인 문제를 어떻게 해결하는지를 게임의 법칙을 들어 설명한다. 10강 ‘화학적 감각: 냄새, 맛의 정체는 무엇인가?’에서는 박태현 교수가 맛과 냄새의 정체에 대해서 설명한다. 인간이 가진 다섯 가지의 주요 감각인 시각, 청각, 촉각, 후각, 미각 가운데 시각, 청각, 촉각은 물리적 감각이지만, 나머지 두 감각인 후각, 미각은 화학적 감각이다. 이 두 화학적 감각의 정체가 무엇인지 알아본다.