돌멩이와 바닷물, 대기를 이루는 것은 무엇일까?
생명체는 어떤 구조로 움직이고 유지하고 살아갈까?
인류는 화학에서 어떤 기회와 즐거움을 찾아냈을까?

어떠한 학문 분야와도 연계하고 소통할 수 있는
화학이야말로 진정한 ‘중심 과학’

《세상을 이해하기 위한 최소한의 화학》은 “화학은 별에서 시작된다”는 명제(《화학이란 무엇인가?》를 쓴 피터 앳킨스의 말)로 시작한다. 음식·약품·신소재 등 일상에 관한 궁금증에서 출발하는 생활 밀착형 화학책들과 사뭇 다르며, 교과서식으로 무기화학·유기화학·분석화학 같은 전문 하위분야를 나열하지도 않는다. 최초의 원자에서 출발해 100가지 화학물질을 간결한 연대기식 구성으로 다루지만, 자연사적·과학사적 맥락 속에서 인간 사회와의 연결 고리를 중심으로 이야기를 풀어내 우주-지구-생명-문명-산업-미래를 잇는 서사를 완성한다.

연쇄적인 핵합성과 초신성, 우주 공간 전체에서 벌어지는 역동적인 물질 간 화합의 결과는 문자 그대로 극적이었다. 그 결과 무한한 공간의 일부에서 새로운 별이 만들어졌고 … 그 별이 내뿜는 빛에 기대어 사는 식물이 지구상에 나타났으며, 그 식물이 만들어 내는 물질을 먹고사는 동물도 세상에 모습을 드러냈다. 그리고 우주를 구성하는 모든 존재는 화학물질을 매개로 서로 소통해 왔다.

물리학이 다루는 우주의 기원은 원자와 분자의 탄생으로 연결되고, 지구과학이 설명하는 환경은 광물과 대기와 해수의 성분으로 구체화된다. 생물학의 생명 현상은 고분자와 효소의 대사로 환원되고, 역사학과 사회학과 경제학이 다루는 문명과 전쟁과 산업은 천연자원과 합성물 등의 에너지와 기술로 재해석된다. 화학이 모든 자연과학을 연결하는 중심 과학이라는 저자의 말이 허언이 아님을 증명하듯 탄탄하고 설득력 있다.

많은 사람이 암호처럼 난해한 주기율표로 화학을 기억한다. 혹은 호기심을 자극하는 우연한 발견이나 실패담의 역사로 접근하는 데 그치곤 한다. 이 책은 분절적으로 보이는 물질의 원리를 통합적 세계관으로 추적하며 현상을 이해해 보는, 색다른 화학 독법을 제공한다. 독자는 화학을 ‘외워야 할 지식’이 아니라 ‘이해의 틀’로 다시 보게 된다.

물질의 원리와 현상을 분석하는 화학적 사고법은
현실 문제를 해결하는 가장 강력한 도구

각 장에서 물질을 들여다보는 방식은 다음과 같다. 핵융합/전자껍질/공유결합/산화와 환원/평형 등 화학적 원리를 바탕으로 → 수소/철/엽록소/포도당/암모니아/실리콘 등 각각의 물질을 살펴본 후 → 별의 진화/생명 유지/환경 문제/기술 혁신 등의 현상을 설명하는 식이다.

예를 들어 3부(모든 생명체는 별의 자손이다)에서는 셀룰로스/엽록소/포도당/ATP/신경전달물질 등 생명 유지에 핵심적인 분자들을 소개하며, “생물이란 결국 탄생하여 소멸할 때까지 능동적인 화학반응을 통해 끊임없이 외부와 화학물질을 주고받는 거대하고 정교한 분자 조립체”라는 화학적 관점으로 생명 현상을 이해하도록 돕는다. 4부와 5부에서는 청동/강철/수크로스/시멘트 같은 물질문명부터 의약품/염료/플라스틱 같은 합성물의 빛과 그늘까지, 화학의 성취와 위험을 균형 있게 다루며 현대를 비판적으로 검토할 학문으로 주목하기도 한다.

인류는 축적한 지식을 바탕으로 지구상 어떠한 생명체도 시도하지 않았던 새로운 모험을 벌인다. 바로 존재한 적 없던 새로운 물질을 화학 법칙을 기반으로 새로이 합성하는 일이었다. … 덕분에 인류 사회는 삶의 질을 높여주는 갖가지 화학물질의 축복으로 전례 없이 팽창했다. 하지만 이는 인류 사회를 파멸로 이끄는 전쟁과 환경 오염 같은 문제를 야기하기도 했다.

이렇듯 자연이 따르는 보편적 규칙이 있고, 그 원리가 구현된 형태가 물질이며, 그 토대 위에 우리가 관찰하고 경험하는 세계가 존재한다. 이를 거꾸로 보면, “왜 어떠한 현상이 벌어지는가?”라는 질문에 관해 보이지 않는 원리와 눈에 보이는 물질을 종합해 해답을 구하는 학문이 바로 화학인 셈이다.

1985년 남극에 심각한 오존층 소실이 확인되었다는 연구 결과가 나오면서 오존층 파괴 문제는 절체절명의 위기로 비화되었다. 전 지구적 협력이 필요하다는 의견에 따라 1987년, 몬트리올 의정서가 채택되었고 … 이는 가입국들이 프레온 가스를 비롯한 96종의 오존층 파괴 물질의 생산과 소비를 차츰 줄이다가 마침내 금지하도록 설계되었다. 다행히도 최근 보고에 따르면 2005년부터 오존층 파괴 물질 농도가 낮아지면서 … 2035년이면 남극에서 더 이상 오존 감소가 일어나지 않을 것으로 예상된다고 한다.

아이디어를 넘어 물질을 설계하는 능력이
AI 시대 화학의 경쟁력

마지막 6부는 반도체/2차전지/케블라/폴리아크릴로나이트릴 등 미래를 선도할 핵심 물질을 다루며 화학의 현주소를 보여준다. 같은 원리라도 어떤 물질을 사용하는가에 따라 형태가 어떻게 달리 구현되는지, 화학 기술이 왜 문명의 성패를 좌우하는 핵심 변수인지 알 수 있다.

오늘날 쓰이는 전지의 대부분은 화학 에너지를 전기 에너지로 전환하는 화학 전지다. 그러나 이때 산화-환원 반응은 거꾸로 돌릴 수 없는 비가역반응이라 한번 사용을 마치면 다시 사용할 수 없어서 버려야 했다. 이를 1차전지라고 부른다. … 반면 충전과 방전을 반복하여 거듭 사용할 수 있는 전지를 2차전지라 부르며, 이는 쓰레기 문제도 줄고 편리하게 재사용할 수 있어 관련 연구가 급속도로 진행되었다. … 2차전지 발전 역사에서 가장 중요한 발병은 가장 가벼운 금속인 리튬을 전하 운반체로 활용한 리튬 이온 전지다.

이처럼 미래 사회를 바꾸는 기술은 아이디어 이전에, 물질의 가능성에서 출발한다. 에너지 저장, 반도체 성능, 신약 개발, 친환경 공정 같은 미래의 수많은 문제에 관해, AI 알고리즘이 방대한 가능성을 제안할 수는 있겠지만 결국 현실의 물질로 구현하는 일은 화학의 역할일 터, 《세상을 이해하기 위한 최소한의 화학》이 ‘최소한의’ 도움이 되기를 기대한다.