기초 일반화학 : 물질세계 개념 2 - 보일의 J자관 실험 (입자설로의 유턴)

앞선 시간에는 고대 그리스로부터 물질세계가 어떻게 생겨나는지, 그리고 그것이 어떻게 변화되는지에 대한 철학자들의 생각과 대표적인 원자설로 이야기되고 있는 데모크리토스의 입자설과 아리스토텔레스의 연속설에 대한 내용을 정리하였습니다.

 

2021.09.23 - [투자 아이디어 에너지] - 물질세계 개념 - 원자론

물질세계 개념 - 원자론

 

 아리스토텔레스의 연속설이 거의 2천년 가까이 자연철학의 주류로 자리잡은 가운데, 르네상스 시기에 이르러서는 연금술이 유행하면서 화학의 방법적인 측면과 정량적인 실험등이 체계화되어 이론체계를 갖추는 이른바 자연과학으로서의 면모를 갖추게 됩니다. 

 

 

보일의 J자관 실험

이러한 가운데 당시에 주류였던 아리스토텔레스의 연속설에서는 존재할 수 없는 빈공간 즉 '진공'이라는 것이 공기를 뽑아내는 기구의 발명과 '토리 첼리 실험'과 '케바케의 실험'등과 같은 실험적인 결과를 통해 뒤바뀌게 되는데요.

  이후 17세기, '근대화학의 시조'라고 불리는 로버트 보일(Robert Boyle)의 그 유명한 J자관 실험을 통해 물질의 입자설을 증명하게 됩니다. 

 

참고로 J자관 실험을 통해 "기체의 양과 온도가 일정하면, 압력(P)과 부피(V)는 서로 반비례한다"라는 그 유명한 보일의 법칙이 등장하였습니다. 

 

보일은 아래 그림과 같이 유리관을 J자 모양으로 만든다음, 유리관 안에 수은을 넣었습니다. 

 

 유리관 안에 수은이 일정량이 채워지면, J자관의 끝 부분과 처음 수은 기둥의 높이는 같게 되는데, 이것은 J자관의 왼쪽부분의 빈 공간에 있는 물질이 수인을 누르는 내부압력과 대기압의 압력이 같기 때문입니다. 

 

이후, 보일은 J자관의 입구에 수은을 추가로 넣고, 오른쪽의 수은 기둥의 높이에 따라 J자관의 빈 공간의 부피가 어떻게 달라지는를 관찰하였습니다. 그랬더니 아래 왼쪽의 그림처럼 추가된 수은의 양의 증가할수록, J자관의 왼쪽 끝에 있던 빈 공간의 부피가 줄어드는 것이 관찰되었습니다. 

만약 아리스토텔레스가 주장한 연속설의 내용처럼 빈공간이 존재하지 않는다면, J자관에 수은을 넣어주었을 때는 아래 오른쪽 그림과 같이 빈 공간의 부피는 그대로인채, J자관의 입구로만 수은이 더 채워져있어야 합니다. 

 

 

 

위의 실험결과를 토대로 보일은 기체 입자들 사이에는 진공이 존재하기 때문에 아래 그림처럼 기체를 누르면 입자들 사이의 진공이 줄어들어 부피가 줄어든다고 해석하게되며, 공기는 입자와 그 입자가 운동할 수 있는 빈공간으로 이루어져 있다고 주장하게 되면서 데모크리스토의 입자설을 지지하게 됩니다.

 

 

향후 보일은 그의 저서인 '회의적 화학자'라는 책을 통하여, 그 동안의 대표적인 원소관이었던 아리스토텔레스의 원소설은 물질의 성질을 추상적으로 정의한 것으로 비현실적인 것이라고 지적하였으며, 원소의 정의를 더 이상 간단한 성분으로 쪼갤 수 없는 물질이라는 입자적 물질관을 제시하게 됩니다.

이후 이러한 입자적 물질관은 영국의 과학자인 돌턴에 의해서 원자설로 근대 원자설의 체계적인 정립이 이루어지게 되는 계기로 작용하게 됩니다.