이 비법책의 사용법은 단순해. 이야기를 하나 읽은 다음에 그 이야기를 가족이나 친구들에게 전해 주기만 하면 돼. 그런 식으로 여기에 나오는 이야기들을 네가 직접 전할 수 있게 된다면, 너에게 과학 과목은 전혀 어렵지 않을 뿐 아니라 날개를 달아주는 과목이 될 거야. 이 책을 읽고 난 후의 너는, 읽기 전의 너와는 완전히 다른 사람이 되어 있을 거야. 어때? 이 비법책 읽기에 도전해 보지 않을래?
--- 「이 책을 쓴 쌤의 편지: 이 책을 펼친 멋진 친구에게」 중에서

원자에는 탄소 원자(C)와 같은 ‘인싸’가 있지만, 자발적 아웃사이더인 ‘아싸’도 있어. 바로 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar)과 같은 원자들이야. 얘네들은 다른 원자들과 어울리는 것을 아주 싫어해. 아주 특별한 경우가 아니면 절대로 다른 원자와 손을 잡지 않아. 다른 원자들을 아주 하찮게 보지. 원자는 전자를 여러 층으로 두르고 있을 수 있어. 우리가 속옷을 입고 겉옷을 입듯이 말이야. 맨 바깥에 입은 옷이 단추까지 잘 잠겨져 있으면 단정하고 예뻐 보이지? 원자들 사이에서는 맨 바깥에 입은 옷에 있는 전자 단추 구멍이 전자로 모두 채워져 있으면 옷을 잘 입었다고 여겨져. 헬륨(He)은 전자 단추 구멍이 2개인 옷을 입고 있는데, 단추 2개가 잘 채워져 있어. 네온(Ne) 원자는 단추 구멍 2개를 다 채운 속옷을 입고 그 위에 단추 구멍 8개를 전자로 다 채운 겉옷을 아주 단정하게 입었어. 아르곤 원자는 전자 2개로 된 속옷, 전자 8개로 된 겉옷, 그 위에 전자 8개로 된 망토까지 입었지. 이렇게 전자 옷을 잘 갖춰 입은 원자들을 ‘귀족 기체(noble gas)’라고도 해.

이런 애들 주변에 있는 다른 종류의 원자들은 얘네가 얼마나 부럽겠어? 불소(F), 염소(Cl), 브로민(Br), 아이오딘(I), 아스타틴(At) 등 이 5개의 원소를 ‘할로겐’이라고 뭉쳐서 말하는데, 이런 할로겐이라는 원자들은 자신의 가장 바깥에 7개의 전자를 가지고 있어. 마치 겉옷에 단추 하나가 부족한 셈이야. 전자 하나만 더 가지면 귀족 기체처럼 맨 바깥에 두른 전자가 8개가 될 테니까 정말 간절하게 전자 1개를 더 원하지 않겠어? 산소 원자(O)는 가장 바깥에 전자 6개가 있어서 2개의 전자를 더 가지고 싶어 해. 그래서 이런 애들은 욕심이 많아. 호시탐탐 다른 원자에게서 전자를 뺏어 오려고 하지. 많은 원자들이 이렇게 8개의 전자를 자신의 맨 바깥에 두르고 싶어 하는데, 이를 ‘여덟 전자 규칙’이라고 해.
--- 「6. 고상한 척하는 헬륨, 네온, 아르곤」 중에서

세상에는 다양한 원자가 있어. 고고한 귀족 기체 원자를 제외하고 나머지 원자들은 무조건 다른 원자들과 같이 있기를 원해. 왜 그럴까? 이유는 하나야. 외로워서 그래. 사람하고 똑같아. 학교에 갔을 때 반갑게 반겨 주는 친구가 아무도 없다면, 늘 같이 놀던 친구가 아파서 혼자서 밥을 먹어야 한다면, 집에 돌아왔는데 엄마도 아빠도 아무도 없다면 많이 외롭겠지? 원자들도 이런 외로움이 싫어서 짝꿍을 만들고 함께 다녀. 이렇게 원자들이 손잡고 분자가 되면 마음이 편해져서 잘 지내.

같은 종류의 두 원자는 모든 것을 똑같이 나누면서 지낼 수 있어. 수소 원자가 다른 수소 원자와 전자를 하나씩 내밀면서 손을 잡아. 전자를 빼앗는 것이 아니라 ‘공유’하는 거지. 하지만 기회가 되면 다른 친구들도 사귀어. 수소 원자가 산소 원자를 만나서 물 분자를 만들듯이 말이야. 이렇게 원자가 다른 원자와 전자를 공유하여 서로 손을 맞잡는 것을 ‘공유 결합’이라고 했지. 한 원자가 다른 원자의 전자를 완전히 빼앗으면 이온들이 만들어지지만, 분자 안에서 원자들은 공유 결합으로 손잡고 다니는 친한 친구가 되지.
--- 「9. 원자가 짝꿍을 만들면 분자」 중에서

물 분자의 산소는 다른 물 분자에 있는 수소가 자기 머리를 쓰다듬는 것을 좋아해. 자기는 음전하를 띠는데 옆에 있는 물 분자의 수소는 양전하를 띠니까 가까이 가서 이러는 거야.
“내 머리를 만져 줘!”
이것을 ‘수소 결합’이라고 하지. 이런 아이들이 아주 많이 있으면 어떨까? 친구들 한가운데 있는 아이는 아주 기쁠 거야. 자기 손은 다른 아이 머리를 만지고 있고, 자기 머리는 다른 아이가 만지고 있으니 말이야. 그런데 맨 바깥에 있는 아이들은 어떨까? 어떤 아이는 다른 아이의 머리를 못 만지고 있고, 어떤 아이는 자기 머리를 아무도 만져주지 않아서 기분이 별로 안 좋아. 그래서 물 분자들은 자꾸 안으로 들어가려고 해. 바깥에 있는 것을 싫어하는 거지.

만약 물방울 2개가 만나면 어떨까? 물방울의 바깥에 있던 물 분자 아이들이 환호성을 지르겠지?
“이야! 나도 이제 외롭지 않을 수 있어!”
그러면서 표면에 있는 물 분자들이 서로 손을 뻗어서 끌어당겨. 서로 다른 물방울이 합쳐져서 큰 물방울이 되었네. 큰 물방울이 되면 작은 물방울 2개보다 표면에 있는 물 분자들의 수도 줄어들어. 행복한 아이들의 수는 늘고 불행한 아이들의 수가 줄어드는 거지.
--- 「28. 작은 물방울끼리 만나면 왜 하나로 뭉칠까?」 중에서

지구는 태양 주위를 1년에 한 바퀴 돌아. 1초에 거의 29.78킬로미터를 날아가지. 지구가 1년 동안 태양 주위를 돌면서 만드는 동그라미가 얼마나 클지 상상해 봐. 그 거대한 동그라미 안의 면적에 강아지들을 채워 넣어 봐. 정말 어마어마하게 많은 강아지가 있겠지? 이 강아지들의 수가 네가 마시는 한 모금의 물(18그램 정도)에 들어 있는 물 분자의 수와 비슷해. 물 분자가 정말 많지? 그러면 물 분자들이 얼마나 작은지도 짐작이 가? 너무 작아서 절대 맨눈으로 볼 수 없어. 물을 끓이면 기체가 돼. 18그램의 물은 100도에서 기체가 되면서 무려 30리터나 되는 부피로 커져. 2리터짜리 생수병을 무려 15개나 채울 수 있어. 고체나 액체는 부피를 많이 차지하지 않지만, 기체는 매우 큰 부피를 차지하지.

이렇게 수많은 물 분자가 액체와 기체 사이에서 변환하는 것을 이용하면 매우 유용한 일을 할 수 있어. 이걸 한번 상상해 봐. 커다란 드럼통이 있어. 그리고 이 드럼통을 오로지 물의 뜨거운 증기로만 채우고 뚜껑을 닫는 거야. 그리고 드럼통을 아주 차가운 물에 식혀. 어떻게 될까? 높은 온도에서 기체가 된 증기는 온도가 내려가면서 액체로 변해. 그러면 드럼통 안에 있는 기체의 양이 많이 줄어들겠지? 드럼통 밖의 기체 수는 변함이 없는데 말이야. 드럼통 안의 압력은 작아지고 드럼통 밖의 압력은 그대로니까 드럼통이 확 안쪽으로 찌그러져.

이 찌그러진 드럼통을 손을 대지 않고 다시 펴려면 어떻게 하면 될까? 맞아. 다시 가열하면 돼. 액체인 물이 끓으면서 기체가 되고, 기체가 열심히 날아다니면서 드럼통 안쪽 벽을 바깥쪽으로 밀쳐내면서 통은 원래대로 빵빵해질 거야. 어떤 용기 안에 갇힌 기체 분자의 수가 많으면 공기의 압력이 높고, 기체 분자의 수가 적으면 공기의 압력이 낮다는 것, 안전생활에 필수 지식이라는 사실을 이제는 알겠지?