[아비투어 논술]라부아지에 '연소' 이야기

프랑스의 화학자이자 공직자로서 다양한 능력을 가지고 있었던 라부아지에(Antonie Laurent Lavoisier:1743~1794)는 '근대 화학의 아버지'로 불린다. 그는 특히 연소 반응을 할 때 필요한 기체를 처음으로 밝혔고, 산소라고 이름지었다. 그리고 원소를 기본 물질이라는 개념으로 정의했으며, 화학 반응에서 물질의 보존 원리를 규명하는 등 근대화학의 토대를 쌓으며 화학을 과학의 한 분야로 정착시키는 데 큰 기여를 했다.

▲ 배경지식 넓히기

라부아지에는 산화수은으로부터 생성된 기체를 '산소'(oxygen)라고 이름지었다. 이후 '산소'는 산화수은에서 산의 성질을 나타내는 가장 중요한 요소로 자리 잡았다. 산의 성질은 라부아지에가 산소를 발견한 후에야 비로소 제대로 이해되기 시작했다. 라부아지에는 연소의 원리를 실험하는 가운데 산소를 발견하게 되었다. 그가 연구하기 전에는 연소를 정량적으로 측정하는 것은 불가능하다고 생각했다. 그는 연소 실험에서 정량적으로 측정하려고 많은 노력을 기울였다. 라부아지에는 먼저 수은을 대상으로 실험을 실시하였다. 그 후 다른 금속을 대상으로 한 실험을 했는데, 특히 주석을 이용한 실험에서 많은 성과를 거두었다. 먼저 주석을 천천히 공기 중에 연소시켜 산화주석을 만든 후 다시 분해시켜 산소발생실험을 한 것이다. 주석이 산화되기 전후의 질량을 비교하면서 두 물체의 질량차이를 산소의 질량이라고 증명했다. 이후 1789년 라부아지에의 공동 실험자인 프랑스 과학자 베르톨레(Berthollet, C. L)는 일정량의 철에 결합하는 산소의 양이 연속적으로 변한다는 것을 발표, 일정성분비의 법칙을 발견하였다. 그리고 1802년 J 돌턴은 배수비례의 법칙을 질소의 산화물을 이용하여 증명하였다.

<문제>

다음 제시문에 나타난 라부아지에와 관련된 법칙의 의미를 올바르게 이해하고, 이를 바탕으로 물음에 답하시오.

<제시문>

(가)

◇질량보존의 법칙=변화가 일어나기 전의 물질의 총질량과 변화가 일어난 후 생성된 물질의 총질량은 같다.

◇일정성분비의 법칙=두 가지 이상의 물질이 반응하여 하나의 물질을 만들 때 그 물질을 구성하는 성분 원소 사이의 질량비는 항상 일정하다.

질량보존의 법칙은 "반응하기 전의 질량과 반응 후의 질량이 같다"는 법칙이다. 라부아지에는 연소실험에서도 이 질량보존의 법칙을 근거로 하여 산소를 발견하였다. 즉 금속을 연소시키는 실험에서 먼저 연소 전에 금속의 질량을 재고, 그 금속을 장시간 연소시키고 난 뒤에 금속의 질량을 다시 측정한다. 따라서 연소 후의 질량과 연소 전의 금속의 질량 차이는 금속에 붙은 산소의 질량과 일치하게 된다. 연소에 의해 이산화탄소와 물이 생성되는 유기화합물 연소와는 달리 금속의 연소반응에서는 금속의 질량이 증가한다. 금속의 연소반응에서 증가하는 질량은 산소의 질량이며 이것은 일정성분비의 법칙을 따른다.

일정성분비의 법칙이란 "화학적으로 반응하여 한가지의 화합물이 될 때 그 화합물을 구성하는 성분원소 사이의 질량비는 항상 일정하다"는 것을 의미한다. 질량은 무게와는 구분되어야 한다. 무게는 질량과는 달리 장소에 따라 변하며 힘의 종류 중 하나인 중력과 같다. 따라서 일반적으로 우리가 알고 있는 무게라는 것은 질량에 중력가속도를 곱한 값에 해당하는 것이다. 따라서 "달에서의 무게는 지구에서의 무게의 6분의 1에 불과하다"고 했을 때는 지구 또는 달에서는 질량의 변화는 없지만, 각 행성에서는 중력가속도가 차이가 나서 (즉, 달에서의 중력가속도의 크기는 지구에서의 중력가속도의 크기에 견주어볼 때 6분의 1에 불과하다) 무게에 변화가 생기는 것을 의미한다.

(나)

◇배수비례의 법칙=2종류의 원소가 화합하여 2종 이상의 화합물을 만들 때, 한 원소의 일정량과 결합하는 다른 원소의 질량비는 항상 간단한 정수비로 나타낼 수 있다는 법칙이다.

예를 들어 CO와 CO2는 탄소에 붙는 산소의 비가 1:2로 간단한 정수비가 성립이 된다는 것을 알 수 있다. 이 배수비례의 법칙은 위의 두 개의 법칙과 함께 분자와 원자를 규명해나가는 데 아주 필요한 법칙이 되는 것이다.

1. 오른쪽 그림은 라부아지에가 주석을 이용한 주석 연소 실험장치에 관한 간략한 그림이다. 민수는 라부아지에 금속 연소 실험을 재현해 보았다. 주석 100ｇ을 다음과 같이 하루 정도 화로에서 연소시킨 후 질량을 측정하였더니 약 164ｇ이었다. 다음 물음에 답하시오. (단, 주석의 원자량은 50, 산소의 원자량은 16이다)

①질량보존의 법칙으로 연소시 필요한 기체(산소)의 발견을 서술하시오.

②위의 실험에서 질량변화의 결과를 이용하여 이에 해당되는 화학반응식을 쓰고 설명하시오.

③위의 ②의 결과를 이용하여 일정성분비의 법칙을 이끌어내시오.

④위 실험을 구리로 했을 때 화학반응식과 일정성분비를 구해 보시오.

(단, 구리(Cu)의 원자량은 64이다)

2. 질소의 연소실험에서 배수비례의 법칙을 서술하시오.

<예시 답안>

1. ①주석의 연소 전에는 100ｇ이었으나 연소 후 주석의 질량이 164ｇ으로 증가하였다. 따라서 연소전과 후의 질량증가는 뚜렷했으며 이는 연소시 공기 중의 무언가가 그 금속에 붙어서 질량이 증가하게 된 것이다. 라부아지에는 연소시 금속 표면에 붙는 기체를 산소라고 명명했으며 이는 질량보존의 법칙에 근거해서 이끌어낸 결론이었다. 따라서 실험결과에 따라 주석의 질량에서 연소 후 증가한 64ｇ이 바로 주석에 붙은 산소의 질량이다.

②위의 연소실험에서 주석이 100ｇ이고 주석에 붙은 산소의 질량은 64ｇ이다. 그리고 원자량은 주석(Sn)이 50이고 산소가 16이다. 주석 하나당 산소 원자는 2개가 붙은 것을 알 수 있다. 따라서 화학반응식은 Sn+O₂→SnO₂가 된다.

③위 ②의 결과에 의해 화학반응식이 Sn+O₂→SnO₂가 되는 것을 알 수 있다. 여기에서 일정성분비는 두 가지 이상의 물질이 반응하여 하나의 물질을 만들 때 그 물질을 구성하는 성분 원소 사이의 질량비를 말하므로 위에서 사용된 주석의 질량은 100ｇ이며 필요한 산소의 질량은 64ｇ이다. 따라서 주석과 산소의 일정성분비, 즉 질량비는 100:64=25:16이 된다.

④위의 실험을 구리(Cu)로 했을 때에는 구리 산화물의 화학식은 CuO이므로 화학반응식은 다음과 같다. 2Cu+O₂→2CuO이다. 구리의 연소반응식에서 구리 연소에 사용된 산소의 질량은 구리 원자 1개당 산소 원자 1개이므로 질량비는 64:16=4:1이 된다. 따라서 일정성분비는 4:1이다.

2. 질소를 연소시켰을 때 나타나는 질소산화물은 N₂O, NO, N₂O₃, NO₂, N₂O5 등과 같이 다양하게 나타난다. 따라서 그에 해당되는 배수비례의 법칙, 즉 2종류의 원소가 화합하여 2종 이상의 화합물을 만들 때, 한 원소의 일정량과 결합하는 다른 원소의 질량비는 항상 간단한 정수비로 나타낼 수 있다. 위의 화합물에서 질소에 붙는 산소의 정수비는 N₂O:NO:N₂O₃:NO₂:N₂O5=1:2:3:4:5가 된다.

▲ 고전 펼치기

교과서에서 라부아지에에 관한 내용은 물질의 구성이라는 부분에서 언급되고 있다. 물질의 구성이라는 교과내용에는 각 교과서마다 조금씩 차이가 있지만 크게 분자와 원자에 관련된 과학자들의 이론(라부아지에, 돌턴, 아보가드로)들이 화학반응시 질량보존의 법칙에 적용할 수 있는 단계, 원자의 개념이 물질의 화학변화에 적용되는 과정을 이해하는 단계, 화학기호의 기초가 되는 각각의 물질을 화학원소로 표현하거나 이를 이용하여 전체적인 화학반응식을 표현하는 단계, 그리고 각종 원자(핵, 전자)를 표현하는 방법을 이용하여 화합물의 구성과 원자 공간 배열을 이해하는 단계로 되어 있다. 일부 교과서에서는 실질적인 화합물과 화학반응식을 표현하는 심화과정으로 구성되어 있다.

특히 과학사에서 물질관을 다룰 때, 1780년에 발표된 라부아지에의 원소설에 대해 대부분의 교과서에서 다양하게 언급되고 있다. 라부아지에의 원소설에 따르면, 종이가 연소할 경우 모두 기체로 변하는데 이때 발생하는 기체의 질량을 모두 합하면 처음 종이의 질량보다 증가한다.

그 이유는 종이의 질량에 산소가 더해지기 때문이다. 물질이 연소하는 반응은 공기 중의 산소가 꼭 필요하다는 것이 라부아지에의 원소설이다.

또한 라부아지에는 공기는 크게 두 가지의 기체로 되어 있다고 하였고, 물이나 산화수은을 분해하여 얻은 물질은 더 이상 분해할 수 없다는 이론을 주장하였다. 이와 같이 화학적인 방법으로는 더 이상 분해할 수 없는 성분을 원소라고 하는데, 라부아지에는 33종의 원소를 제시하였다.

돌턴의 원자설과 관련해서 물질의 상태가 변하거나 화학변화가 일어나도 반응 전후에 물질의 전체 질량의 합은 항상 일정하다는 라부아지에의 질량보존 법칙이 언급되어 있다.

교과서별로 살펴보면, 라부아지에의 이론이 '물질의 기본 성분'에서 다루어지는 경우도 있고, '질량보존의 법칙'을 다루는 탐구활동에 수록되어 있는 경우도 있다.

－관련 기출문제－

이화여대 2003 수시, 성균관대 2004 수시, 성균관대 2005 수시, 고려대 2005 수시

〈이진영|자음과모음 논술연구소 연구원〉

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