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무기화학
무기화학(無機化學, |Inorganic chemistry)은 화학에서 유기화학의 여집합의 개념으로 출발한 학문이다. 유기화학이 주로 탄소-수소 결합이 포함되어 있는 화합물의 화학을 다룬다고 한다면 무기화학은 전이 금속, 희토류 금속과 이의 유기 화합물과의 반응에 주로 초점이 맞추어진 학문이다. 이 분야는 유기 화학 물질을 포함하는 무수한 유기 화합물(대개 C-H결합 화합물)을 제외한 모든 화학 화합물을 포괄한다. 유기화학의 하위 학문과 겹치는 부분이 많기 때문에 두 학문사이의 절대적인 구별은 되지 않는다. 촉매, 재료 과학, 색소, 계면활성제, 코팅, 의약품, 연료 및 농업을 포함하는 화학 산업의 모든 측면에서 응용된다.
목차
개요[편집]
무기화학이란 탄소를 전혀 포함하지 않거나 소량 포함하는 물질에 대한 구조와 물리화학(物理化學, physical chemistry)적 특성에 대한 연구를 하는 학문이다. 주로 금속의 산화 환원상태 및 주요 무기원소가 산소와 결합하여 생성되는 무기 중합체 등에 대해 연구한다. 18세기 말경 근대 화학(化學, chemistry)은 주로 생체와 관계없는 물질들을 대상으로 연구하였는데 이러한 물질들은 무기물이라고 명명하였으며 초기에는 주로 복잡한 물질을 구성하는 가장 간단한 원소들을 확인하는 연구를 하였다.
금이나 탄소 같은 원소들은 이미 오래전에 알려져 있었고 19세기와 20세기 초에 걸쳐 많은 다른 원소들이 발견되어 지금까지 약 100개 이상의 원소들이 발견되었다.
염화나트륨과 같은 간단한 무기화합물에 대한 연구로 일정성분비의 법칙과 같은 중요 개념들이 정립되었는데 이러한 금속원소와 비금속원소와의 결합은 규칙적이고 제한된 구조로 나타나게 된다.
원자를 구성하는 전자배열의 규칙과 입체구조에 따라서 다양한 결합을 형성할 수 있고 그 결합 성질도 다양하게 분류된다는 것이 알려졌으나 실제적으로 구조에 대한 명확한 설명을 할 수 있는 이론은 19세기 후반부터 나오기 시작하였다.
원소 및 화합물의 결합과 화학반응은 구성원소의 종류 및 특성에 따라서 주기성이 있다는 것들이 알려지면서 전자들이 구성하는 입체적 오비탈의 성질에 대하여 주기성을 통일하고 확장하였다. 이러한 특성에 따라서 이온성 화합물 및 전이금속 화합물 등으로 원소들을 분류하고 화합물의 구조, 반응성 등을 설명하기 위해 원자와 원자 사이의 결합에 대한 새로운 이론과 전자적 성질을 밝혀내는 연구들이 많은 화학자들에 의해서 진행되어 왔다.
무기화합물은 크게 산화물, 탄산염, 황산염, 할로젠 화합물 등으로 분류되는데 대다수의 무기화합물은 녹는점이 높고 고체 상태에서 전기적으로 부도체이다. 무기화합물의 중요한 특성으로 물에 대한 용해도와 결정화도 등을 들 수 있다. 자연에서 무기화합물은 광물의 형태로 많이 발견되는데 흙에는 황철광의 형태로 황화철이 포함되어 있고 황산칼슘은 석고라고 부르는 흰색의 고체 형태로 존재한다. 무기화합물은 또한 생체 내에서도 발견되는데 세포 내에서 전해질로 사용되는 염화나트륨이나 대사과정의 에너지 저장에 사용되는 ATP, 유전자 정보를 갖고 있는 DNA의 골격을 이루는 폴리인산 등이 있다.
인공적으로 합성된 무기화합물로는 질산암모늄이 있으며 산업계에서 촉매로 사용되는 산화바나듐이나 염화티타늄(Ⅲ) 등이 있다.
주요 개념[편집]
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대부분의 무기 화합물은 양이온과 음이온이 이온 결합에 의해 결합하고 있는 염의 형태로 발견된다. 양이온의 예로는 Na+나 Mg2+ 등이 있고, 음이온의 예로는 Cl-나 O2- 등이 있다. 염은 전기적으로 중성을 띠기 때문에 이러한 이온들은 Na2O나 MgCl2와 같은 화합물의 형태로 존재한다. 이온들은 산화수를 가지며, 이온들이 화합물을 형성할 것인가는 양이온의 경우 이온 퍼텐셜, 음이온의 경우 전자 친화도로 추론할 수 있다.
무기 화합물은 크게 산화물, 탄산염, 황산염, 할로겐 화합물로 분류될 수 있다. 대다수의 무기 화합물은 높은 녹는점을 가지며, 대부분 고체 상태에서 전기적 부도체이다. 물에 대한 용해도와 결정화도 또한 무기 화합물의 중요한 특징이다. 어떠한 무기 화합물(예를 들어 NaCl)은 물에 매우 잘 용해되는 반면에, 다른 무기 화합물(예를 들어 SiO2)은 그렇지 않다.
가장 간단한 무기 반응은 복분해로, 이는 두 염을 혼합할 때 이온들이 산화수 변화 없이 치환되는 반응이다. 또다른 반응인 산화·환원 반응에서는 산화제의 산화수가 감소하고, 환원제의 산화수는 증가한다. 이러한 산화수 변화의 본질은 전자의 이동이며, 이는 전지의 반응에서와 같이 직접적으로 일어나지 않을 수도 있다. 전자의 이동은 전자 화학에서 자세히 다룬다.
반응물에 수소 이온이 있을 경우 반응은 산-염기 반응 이론에 의해 양성자를 주고 받는 방향으로 진행될 수 있다. 일반적 정의에 의하면, 전자쌍을 받으려는 경향을 가진 물질을 루이스 산이라고 하고, 반대로 전자쌍을 주려는 경향을 가진 물질을 루이스 염기라고 한다. 발전된 산-염기 반응 이론인 HSAB 이론은 이온의 극성과 크기까지 고려한다.
자연에서 무기 화합물은 광물의 형태로 발견된다. 흙에는 황철광의 형태로 황화 철이 포함되어 있을 수도 있고, 석고의 형태로 황산 칼슘이 포함되어 있을 수도 있다. 무기 화합물은 또한 생체 내에서도 발견되는데, 전해질로 사용되는 염화 나트륨이나 에너지 저장에 사용되는 ATP, DNA의 골격을 이루는 폴리인산 등이 그 예이다.
인공적으로 합성된 최초의 중요한 무기 화합물은 비료로 이용하기 위해 하버법을 통해 합성된 질산 암모늄이다. 무기 화합물은 촉매로 사용되기 위해 합성되기도 하는데, 산화 바나듐이나 염화 티타늄(Ⅲ) 등이 그 예이다. 유기 반응의 반응물로 사용할 목적으로 수소화 알루미늄 리튬을 합성하기도 한다.
무기화학의 하위 학문으로는 유기금속화학, 클러스터화학, 생물무기화학 등이 있다. 이러한 분야는 초전도체나 새로운 촉매, 의약품 개발을 목표로 하여 연구를 계속하고 있다.
산업에서의 무기화학[편집]
무기화학은 화학에서 굉장히 실용성이 높은 분야이다. 전통적으로, 한 나라의 경제 수준이 황산의 생산량으로 가늠되기도 한다. 캐나다, 중국, 유럽, 일본, 미국에서 가장 많이 생산되는 20개의 무기 화합물은 황산 알루미늄, 암모니아, 질산 암모늄, 황산 암모늄, 카본 블랙, 염소, 염산, 수소, 과산화 수소, 질산, 질소, 산소, 인산, 탄산 나트륨, 염소산 나트륨, 수산화 나트륨, 규산 나트륨, 황산 나트륨, 황산, 이산화 티타늄이다.(2005년 기준)
명칭[편집]
무기(無機)는 inorganic의 일본식 직역한자어로 생명체와 관계없다는 뜻이다. 그러나 무기가 생물과 관련이 있다는 사실이 밝혀짐에 따라 구분하기 애매해졌다.
'유기(organic)'란 말은 과거 1850년대 이전에 생물을 구성하는 물질(대부분 탄소 화합물)과 나머지 무생물을 구성하는 물질 간에는 근본적인 차이가 있다는 활력론적인 인식의 흔적이다. 유기화학은 원래 생명체 내에서 일어나는 물질 및 그의 화학 반응에 관한 학문, 즉 생화학에 가까운 학문이었다. 이후 비누로부터 지방산 만들기, 무기화합물로부터 요소 만들기 등에 성공하면서 생명체 내의 물질이 생명체 밖에도 존재하며 인공적으로 합성할 수 있다는 것을 알게 되었고 케쿨레가 유기화학의 기초개념을 정립하면서 유기화학은 모든 탄소 화합물 및 유도체의 특성과 변환, 합성에 대한 학문이 되었다. 우리가 유기화합물을 특징짓는 것에 대해 확실하게 말할 수 있는 사실은 유기화합물들이 탄소로 이루어져 있다는 것 뿐이다. 정작 무기화합물 중에도 탄소를 가지고 있는 것들이 많기는 하지만. 결론적으로 무기화학이란 "유기화학이 아닌 것" 이라는 굉장히 수동적인 정의를 지닐 수 밖에 없게 되었다.
적혈구부터가 철분이고, 뼈는 아예 인회석으로 되어있다. 그래서 최근에는 무기화학과 유기화학을 구분하지 않고 그냥 분자과학(분자화학)으로 부르기도 한다.
한자 조어상 동음이의어가 되는 낱말 탓에 오해가 있을 수도 있다. 첫째, 무기(武器, Weapon)가 아니다. 실제 화학무기(Chemical Weapon)는 대개 '무기화학자'가 아닌 '유기화학자'들이 만든다. 그리고 총이나 포 등의 화기나, 도검 등 냉병기를 만드는 공학은 기계공학과나 재료공학과에서 배운다. 둘째, 무기(無氣)가 아니다. 자연 과학에서는 에너지(잠재적 에너지 포함)가 없는 대상을 연구하진 않는다.
역사[편집]
'무기화학(inorganic chemistry)'란 단어 자체가 오늘날과 같은 의미로 사용된 것은 1830년대의 일이다. 참고로 'organic chemsitry'란 말은 옥스퍼드 영어 사전에 1810년에 등재되었다.
그러나 1830년대 이후 19세기가 끝날 무렵까지 화학 연구의 주도권은 유기화학이 틀어쥐고 있었고, 물리화학과 생화학이라는 새로운 분과가 각 19세기 말과 20세기 초에 자리를 잡았지만, 무기화학이 학문 분야로서의 정체성을 찾기까지는 수십 년이 더 걸렸다. 예를 들어 미국에서는 1940년대까지도 학부에서 일반화학 수업 외에서는 무기화학을 접하기 어려웠다. 이는 무기화학이 초기에는 주로 독일에서 연구되었기 때문이기도 하다.
그럼에도 불구하고 개별적으로 후대에 무기화학으로 불리게 될 분야에서 중요한 연구 업적을 남긴 사람들이 때때로 나타났다. 19세기에는 화학 분석의 발전으로 많은 수의 새로운 원소가 발견되었으며, 멘델레예프(Mendeleev)는 1869년에 최초로 주기율표를 발표함으로써 무기화학이 잡다한 사실의 무질서하고 무미건조한 집합이 아니라 주기율이라는 규칙에 따라 정돈될 수 있는 분야임을 증명하였다. 주기율표의 발명을 무기화학의 탄생으로 보는 시각도 있다.
그러나 주기율표가 발표된 이후에도 수십 년간 무기화학은 유기화학이나 물리화학과는 달리 추상적인 이론이나 모델을 결핍한 상태였다. 이러한 상황에서 한 줄기 빛이 된 것은 베르너(Werner)의 금속 착화합물의 분자 구조에 관한 연구였다. 베르너의 연구 이전에는 외르겐센(Jørgensen)의 체인 구조 모델이 지배적이었으나, 베르너는 1893년 코발트 착화합물의 이성질체의 종류와 특성을 비교함으로써 팔면체 분자구조 모델이 옳다는 것을 증명하였다. 그러나 베르너의 성격이 너무 엄하고 권위적이었던 탓에 그를 추종하는 학파가 생기지 못했고 이로 인해서 무기화학의 전반적인 발전이 늦어졌다. 또한, 히버(Hieber)는 1927년 이후 금속-카보닐 화학의 연구에 헌신하면서 유기금속화학의 발전에 크게 이바지했다. 또한 히버는 1931년에 금속 수소화물을 최초로 합성했다.
루이스(Lewis)와 폴링(Pauling)은 스스로 전혀 무기화학자라고는 생각하지 않았지만 그들의 화학 결합 이론은 무기화학의 발전에 큰 도움이 되었다. 또, 폰 라우에(von Laue)와 브래그(Bragg) 부자가 1914~1915년에 개발한 X선 회절 분석을 비롯하여 19세기 말~20세기 중반에 이뤄진 분광학, 전기화학 분석법, 전자현미경의 발달 역시 무기화학에 크게 기여하게 된다.
한편, 학문으로서의 무기화학의 발전과는 별개로 화학공학 분야에서는 암모니아, 질산, 황산과 같은 다양한 무기화합물의 산업적 수요가 증가하며 이들의 대량생산 공정이 발달하였다. 대표적으로 1909년 하버(Haber)에 의해 개발되고 1913년 보쉬(Bosch)가 이끄는 BASF 연구진에 의해 산업화된 하버-보쉬 과정이 있다.
1950년대에 들어 비로소 샌드위치 화합물, 양자화학 통한 메커니즘 연구와 같은 새로운 연구 주제가 속속 나타나고 무기화학 연구자의 숫자가 증가하며 무기화학이 작지만 일반화학과 구분되어 하나의 분야로 자리잡게 된다. 전쟁 중에 많은 화학자들이 군수공업에 종사하며 무기화합물에 익숙해진 것도 한 요인이 되었다. 1951년에는 폴슨(Paulson)에 의해 최초의 샌드위치 화합물인 페로센(ferrocene)이 합성되었고, 다른 무기화학자들은 금속 착화합물의 반응 메커니즘에 관한 연구에서 내부권 메커니즘(inner-sphere mechanism)의 발견과 같이 전에 없던 발전을 이뤄냈다. 1954년에는 리간드장 이론(ligand field theory)은 무기화합물의 메커니즘 및 광학적 성질 연구에 있어 중요한 진전이었다. 1955년에는 지글러-나타(Ziegler-Natta) 촉매가 개발되었고 이는 유기금속촉매 개발의 효시를 마련했다. 그 외에도 붕소, 규소 및 금속 수소화물에 관한 연구가 이 시기 활발히 진행되었다.
1960년대 이후 나타난 무기화학의 새로운 경향 중 하나는 생무기화학(bioinorganic chemsitry)의 발전이다. 1969년에는 로젠버그(Rosenberg)가 시스플라틴(cisplatin)의 항암작용을 확인했고 1970년대에는 콜만(Collman) 등이 금속단백질(metalloprotein)에 대한 연구를 진행하였다. 1962년에는 기존에 화학적으로 비활성(inert)이라고 간주되었던 백금, 라돈, 제논 등도 화합물을 이룰 수 있다는 사실이 밝혀지기도 했다. 한편, 1970년대 이후 재료화학의 발전으로 무기화학자들이 결정성 물질의 합성과 분석, 응용 분야에서 널리 활동하게 된다. 1970년대 후반에는 금속 클러스터 화합물의 화학에 대한 연구가 시작되었고 1985년에는 벅민스터풀러렌(Buckminsterfullerene)이 발견되었으며 이와 같은 성과는 나노과학의 태동에 기여하게 된다.
특징[편집]
크게 각 족, 주기, 원소의 화학적 성질에 관한 서술과 무기화학의 일반적 원리에 대한 탐구가 주된 관심으로, 전자를 descriptive inorganic chemistry라고 부르며, 후자는 physical, theoretical, 혹은 mechanistic 등의 접두사를 붙여서 칭한다.
탄소, 수소 및 주기율표상에서 그와 이웃한 원소들의 특징적인 화학적 성질에 의해 어느 정도 단순한 법칙에 기반하고 있는 유기화학과는 달리 주기율표 전체를 아우르는 이상 대단히 다양한 결합과 분자구조와 반응을 다루게 된다. 따라서 유기화학과 비교하면 물리화학적, 특히 양자화학적 배경지식의 중요성이 상대적으로 강조된다.
산업적으로도 아주 중요한 분야로, 황산, 질산, 암모니아, 염소, 이산화티타늄과 같은 무기화합물 자체의 산업적 수요가 높을 뿐만 아니라, 공업적으로 사용되는 촉매의 대다수 역시 무기화합물이다.
범위[편집]
유기화학이 탄소 화합물에 초점을 맞춘 학문이라면, 무기화학은 주기율표상의 모든 원소들을 다룬다. 사실 엄밀하게 말하면 탄소는 지구상 물질의 대다수를 차지하고 있는 만큼 무기화학에서도 상당히 자주 나타난다. 다만 탄소가 유기화학에서 다루는 모든 분자에 포함되어 있으며 탄소의 물리적 특성으로부터 유기화학이라는 학문을 구축해 나가는 데 반해, 무기화학에서의 탄소는 다른 중요한 원소들(앞주기의 주족 원소나 전이금속원소 등)과 동등한 정도의 비중이다.
동시에 어떤 의미로는 화학의 세부전공들 가운데 분석화학과 함께 일반화학에서 가장 지분이 큰 분야이기도 하다. 예컨대 슈뢰딩거 방정식이나 수소 원자 모형 정도가 다루어지는 물리화학이나[3] 탄소 화합물 관련 한 두 단원 정도로 압축되어 있는 유기화학에 비해, 무기화학에서 다루는 분자의 대칭성, 분자구조, 배위화학, 산-염기 화학, 주족원소의 물성과 반응 등은 일반화학에서도 자주 맞닥뜨리는 주제이다. 물론 엄청나게 열화된 채로.
산-염기 화학[편집]
가장 대중적인 브뢴스테드-로우리 산-염기뿐만이 아니라 유기화학에서 애용되는 루이스 산-염기, 브뢴스테드-로우리 산-염기의 열화판인 아레니우스 산-염기, 원자 한 쌍을 다루는 루이스 산-염기와 다르게 원자 하나만을 다루는 Usanovich, 특이하게도 O2- oxide의 이동을 다루는 Lux-Flood등 여러 산-염기의 정의를 다룬다.
군론[편집]
대칭성과 군론(group theory)은 학부 전공 무기화학의 초반부에 맞닥뜨리는 중요한 개념이다. 여기서는 대칭과 대칭조작의 정확한 정의를 바탕으로 분자들을 점군으로 분류하는 방법, 각 점군에 해당되는 지표표, 그리고 군론을 이용하여 주어진 분자의 분자오비탈 구조와 분광학적 성질을 예측하는 방법 등을 배우게 된다. 참고로 여기서 사용하는 군(group)은 수학과에서 정의하는 그 군과 본질적으로 같다! 무기화학에서 군 내의 각 연산자들은 identity, reciprocal, associative, closed한 성질을 가지는데, 이것은 대수적 군의 정의에 해당한다. 더불어 reduced representation을 얻기 위한 과정 역시 대수학에서 출발한 것이다. 실제로 고체나 결정 구조 관련 연구자들을 위한 대학원 무기화학 교재들에서는 수학과와 별로 다를 바 없는 대수학적 접근 방법을 통해 군론을 설명한다. 여기에 산-염기의 세기와 반응을 정성적으로 예측하는 HSAB 이론(Hard&Soft Acid&Base), 고체화학과 관련된 간단한 결정 구조이론, 그리고 주족 원소의 반복되는 경향성과 반응 등이 가볍게 다루어진다.
배위화학[편집]
무기화학의 줄기가 군론이라면, 열매는 배위화학(coordination chemistry)이다. 배위화학은 전통적인 전이금속화학과 유기금속화학을 포함하는 넓은 개념으로, 생체 고분자를 다루는 생화학부터 각종 반응 촉매, 신소재, 신약개발에 이르기까지 화학 전반에서 엄청난 지분을 차지하고 있다. 때문에 Miessler & Tarr, Huheey, Atkins 등 대다수의 학부 무기화학 교재들은 배위화학에 절반 이상의 분량을 할애하며, 대부분 기초 명명법과 구조적 특징들, 전자구조와 스펙트럼상의 변화, 배위화학 반응의 경향성, 유기금속화학, 18배위 화합물의 반응, 그리고 각종 case by case study의 순서로 정형화되어 있다. 여기서는 많은 주제들이 일러야 19세기에 본격적으로 시작되었을 만큼 역사가 길지 않으며, 유명한 몇몇 유기금속화합물이나 생체고분자의 물성은 여전히 다수의 연구자들이 논란을 벌이는 대상이다.
중급 수준 이상으로 넘어가면 양자화학적 지식이 반드시 필요하게 되고, 간단한 character table은 아예 외울 정도로 대칭조작 훈련을 받게 된다. 4학년/대학원 이상의 고급 무기화학 과정은 중급 이하에서 배운 지식을 총동원하고 거기에 레이저화학 등 최신 분석화학기술이 더해서 배우게 된다. 여타 어느 과목에 비해서도 케이스 스터디의 비중이 높기 때문에 강의내용이 사실상 강의 담당하는 교수 본인의 연구주제나 관심사가 무엇인지에 엄청난 영향을 받는다. 교수님이 여기저기서 자기 동료 연구자들을 초빙해와서 특강을 하는 경우도 흔하다. 따라서 각 주제와 관련된 최신 토픽을 제대로 파악하고 싶다면, 교과서에만 의존하기보다는 관련 최신 논문들을 적극적으로 찾아볼 필요가 있다.
학부 무기화학 수업에서 널리 쓰이는 Miessler & Tarr의 저서 목차는 〈여기클릭〉를 참고하기 바란다.
연구영역[편집]
근대 무기화학은 주기율을 시작으로 하는 조성론을 중심으로 연구가 대부분이었는데 1883년 베르너의 배위설이 기원이 되어 화합물의 구조에 대한 연구가 활발하게 진행되기 시작하였다. 그 후 무기화학은 유기금속화합물을 중심으로 착화합물에 대한 연구에 이어서 무기구조화학이 확립되었다. 20세기 후반에 들어서면서 전자현미경과 X-선 구조 분석 기술 등의 발달로 화합물의 구조를 관찰하는 것이 가능해지면서 구조론은 비약적으로 발전하게 되었다. 오늘날의 무기화학은 고온초전도물질, 카본나노튜브 및 다공성 구조체 등 각종 특수소재 등을 개발하는 연구가 주를 이루고 있다.
무기화학에서부터 파생된 학문으로 유기금속화학(有機金屬化學, organometallic chemistry), 클러스터 화학, 생물무기화학(生物無機化學, bioinorganic chemistry) 등이 있다. 이러한 분야는 초전도체나 신규촉매의 개발 및 신약개발을 목표로 한다.
대표적이 무기화학소재인 세라믹스는 무기원소가 산소와 결합해 이루어진 물질로 매우 단단하고 고온에서도 안정하지만 깨지기 쉬운 단점이 있다. 최근에 연구된 새로운 세라믹스는 매우 튼튼하고 안정하여 비행기 제트 엔진의 터빈의 날개로 이용되기도 하고 내연기관을 만드는 성분인 강철을 대체할 수 있으리라는 전망도 있다. 1987년 몇 가지 무기이온들과 산소로 이루어진 초전도체가 발견되어 전기적 및 자기적으로 다양한 응용을 가능하게 하였다. 유기화합물과 금속원자와의 배위결합으로 이루어진 유기금속 화합물들은 산업계에서 촉매로 사용되어 대량생산에 박차를 가하게 되었다. 이러한 유기금속화합물은 생물의 호흡, 신경작용, 대사 등에서 결정적인 역할을 수행하고 있음이 밝혀졌고 생무기화학(生無機化學, bioinorganic chemistry) 연구의 대상이 되고 있다.
화학 산업의 연구는 주로 새롭고 유용한 물질을 합성하는 방향으로 이루어지고 있는데 특히 첨단 소재 물질들을 개발하는데 촉매의 활성을 높이는 연구에 많은 노력을 기울이고 있다. 주요한 화학양론적인 반응과 촉매 반응과의 상관성을 규명하고 입체적인 촉매의 구조 및 이성질 현상에 대한 연구로 부터 보다 뛰어난 성능의 촉매물질들을 개발하였고 이러한 촉매들은 목적하는 물질의 생산시간을 단축하고 생산되는 제품의 물성과 품질을 제어할 수 있게 되었다.
동영상[편집]
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
