무기화학

화학의 분과 Chemistry
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1. 개요2. 명칭3. 역사4. 특징5. 범위

5.1. 산-염기 화학5.2. 군론5.3. 배위화학

1. 개요

무기화학( 無機化學, Inorganic Chemistry)은 탄화수소를 기본 골격으로 하지 않는, 즉 유기화학에서 다루지 않는 다른 모든 물질에 관한 화학이다. 현대의 무기화학은 주로 분자 또는 초분자 수준의 배위, 유기금속, 또는 주족원소 화합물을 연구하며, 넓게는 무기재료화학까지도 포함한다.

2. 명칭

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.

3. 역사

'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.[1]

4. 특징

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 전체[2]를 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.

5. 범위

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,[4] 무기화학에서 다루는 분자의 대칭성, 분자구조, 배위화학, 산-염기 화학, 주족원소의 물성과 반응 등은 일반화학에서도 자주 맞닥뜨리는 주제이다. 물론 엄청나게 열화된 채로.

5.1. 산-염기 화학

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.

5.2. 군론

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.

5.3. 배위화학

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 여기를 참고하기 바란다.

[1] J. A. McCleverty, Highlights in inorganic chemistry over the last 100 years, Annu. Rep. Prog. Chem., Sect. A, 2004, 100, 3-13 그리고 J. A. Labinger, Up from Generality: How Inorganic Chemistry Finally Became a Respectale Field, Springer, 2013 [2] 사실 전체라고 말하기는 힘든 것이, 란타넘족, 악티늄족, 초악티늄족은 무기화학보다는 고체물리학, 핵물리학에서 더 많이 다룬다. [3] 열역학과 반응 속도론도 있다. [4] 보통 일반화학 맨 끝에 있어 시험에도 잘 안들어간다.