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[비센의 재미있는 과학 이야기] 비활성기체 화학반응을 성공시킨 UBC 교수

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작성자 석준영 작성일17-04-06 16:37 조회107회 댓글0건

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1960년대 이전까지만 하더라도 비활성기체 (noble gas)는 전혀 화학반응이 불가능하다고 생각해 왔습니다. 그래서 이들을 영어로는 ‘inert gas’ 즉 화학반응을 전혀 하지 않는 기체라고 불렀습니다. 하지만, 1962년 전혀 화학반응을 안할 것이라고 믿고 있던 비활성 기체 중 하나인 제논(Xe)을 이용하여 화학반응을 일으킬 수 있다는 것을 실험적으로 증명한 화학자가 나타나면서 전세계의 화학 학계가 발칵 뒤집히게 되는데, 이러한 실험을 성공한 화학자가 바로 캐나다 밴쿠버 UBC 화학과의 네일 바트렛(Neil Bartlett, 1932-2008) 교수였습니다.

비활성 기체란 화학 주기율표에서 가장 오른쪽 세로열에 위치한 원소들을 말합니다. 이들은 원자의 가장 바깥쪽 껍질에 위치할 수 있는 전자들이 자리를 꽉 채우고 있어서 다른 원소들과 화학반응하기가 어려운 성질을 갖습니다. 화학반응이 어렵다는 것은 그만큼 안정적이라는 뜻이고, 폭발을 하거나 화학변화를 일으킬 것에 대한 걱정을 덜 해도 된다는 말입니다. 그렇기 때문에 화학반응이 일어나면 안되는 곳이나, 폭발의 위험이 있는 곳을 채우는 기체로 자주 사용됩니다.

기체 중에 가장 가벼운 기체는 당연히 크기가 가장 작은 원소로 이루어진 수소 기체입니다. 풍선을 만들어서 높이 띄울 때에 풍선 바깥쪽 공기와 풍선 안쪽 공기의 무게 차이에 의해 풍선이 올라가는 원리를 이용하는 것이기 때문에 수소 기체를 사용하는 것이 효율적으로는 가장 좋다고 할 수 있습니다. 하지만, 파티용 풍선을 채울 때도, 커다란 비행선을 띄울 때에도 수소 기체를 사용하는 것이 아니라 두번째로 가벼운 헬륨 기체를 이용하는데 그 이유는 밀도 차에 대한 원리에 대해선 수소 기체를 이길 수 없지만, 수소 기체는 폭발성이 매우 강한 위험 물질이기 때문에 수소 기체로 비행체을 채운다는 것은 거대한 폭탄을 공기 중에 띄우는 것과 다름없기에 무게는 조금 더 무겁지만 훨씬 더 안정한 비활성 기체인 헬륨 기체를 사용하는 것입니다.

또 다른 비활성 기체의 활용의 예로는 형광등의 내부에 들어있는 기체의 대부분도 비활성기체중 하나인 아르곤(Ar) 기체를 들 수 있습니다. 형광등은 전극에서 방출된 전자가 수은 원자와 충돌하면서 빛을 방출하는 원리를 이용하는데, 전자들에 의해 지속적으로 충돌에너지를 전달받는 기체가 불안정하다면 흡수한 에너지로 화학반응을 일으켜 변형되거나 자칫하면 폭발의 위험도 갖게 될 것입니다. 그렇기 때문에 가장 안정적인 비활성 기체 중 하나인 아르곤 기체를 채워 놓은 것입니다. 아르곤이라는 이름은 그리스어 ‘argos’에서 유래된 것인데, 이는 ‘게으름 뱅이’라는 의미로 화학반응을 잘 하지 않는 성질에 의해 얻어진 이름입니다. 요즘은  LED의  등장에 의해 거의 사라져서 보기 힘들지만, 예전 도심의 거리를 수놓던 간판에 사용되던 네온 사인 역시 그 내부에 비활성 기체들을 갖고 있습니다. 가장 많이 사용되는 것이 네온(Ne)이기 때문에 네온 사인이라고 불리지만 원하는 색에 따라 다양한 비활성 기체를 사용하기도 합니다.  네온은 주로 주황색, 헬륨 기체를 사용하면 밝은 붉은색, 제논(Xe)은 푸른 색의 사인을 만들어 내는 데에 사용되곤 합니다. 이들 모두 비활성 기체들로 강한 전기적 에너지를 받아도 빛을 방출하는 작용을 할 뿐, 화학적으로는 안정적이기 때문에 안심하고 널리 이용할 수 있는 것입니다.

이렇게 절대 안정적이라고 믿어졌던 비활성 기체로 1960년대 네일 바트렛 교수는 플래티넘 헥사플로라이드(platinum hexafluoride)에 제논 기체를 불어 넣으면 제논 헥사플로로플래티타이트(Xenon hexafluroplatinate)라는 가루가 만들어진다는 것을 처음으로 발견함으로써 비활성 기체인 제논이 화학반응을 일으킨다는 사실을 증명해 낸 것입니다. 그 결과, 절대 화학반응을 하지 못하는 기체들이라는 의미의 ‘inert gas’라는 이름을 더이상 쓸 수 없게 되어, 이후 모든 화학 교과서들은 안정적인 기체라는 의미의 ‘noble gas’라는 이름으로 수정 대체하여 지금까지 사용하고 있습니다. 바트렛 교수는 1958년부터 1969년까지 UBC에서 교수로 재직하였고, 이후 프린스턴 대학, UC 버클리 등의 대학에서 연구를 계속한 후 1999년 교직에서 퇴임한 후 미국 캘리포니아에서 여생을 보냈습니다. 

많은 분들이 캐나다의 과학기술 및 연구 수준은 미국이나 유럽에 비해 많이 떨어진다고 오해하시는 분들이 계시지만, 캐나다의 McGill, University of British Columbia, 그리고 University of Toronto 등의 대학들은 오래 전부터 전 세계 과학사에 굵직한 업적들을 이루어온 저력 있는 대학들이며 지금도 그 어느 곳에도 뒤지지 않는 중요한 연구들을 여러분야에서 활발히 진행하고 있습니다. 50년전 한 젊은 과학자가 밴쿠버의 작은 연구실에서 전 세계의 화학 교과서의 내용을 바꿔버리는 실험을 이루어 낸 것처럼 말입니다.

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