라부아지에의 물 분해 실험

아리스토텔레스의 4원소설

고대 그리스의 과학자이자 철학자인 아리스토텔레스(Aristotle, 기원전 384-322)는 당시 모든 물질이 물, 불, 흙, 공기로 이루어져 있다는 4원소설을 주장하였는데요, 당시의 시대상이나 과학 발전의 정도를 감안해 보면 이 4원소설이 정설로 굳어져 있었던 것이 이상한 일은 아닙니다. 그리고, 많은 과학자들이 물, 불, 흙, 공기의 4원소는 더 이상 분해할 수 없는 가장 작은 구성단위라고 이해하고 있었죠. 하지만, 18세기에 프랑스의 화학자였던 라부아지에(Antoine-Laurent de Lavoisier, 1743-1794)는 물을 분해하는 실험을 하였고 물이 원소가 아님을 증명하게 됩니다. 물론 전기분해가 아닌 열분해였지만, 해당 실험의 배경은 알아두면 좋겠죠.

 

라부아지에의 물 분해 실험

물이 더 이상 분해되지 않는 원소라고 생각했던 당시에 라부아지에는 뜨겁게 달군 주철관에 물을 통과시켜서 물을 분해하는 실험을 하였습니다. 아래의 이미지와 같이 라부아지에의 실험을 살펴보면 물을 끓여서 수증기가 된 상태로 가열되고 있는 주철관을 통과시킨 다음에 통과한 수증기를 응축시키고 발생한 기체를 별도로 관찰할 수 있게 되어 있습니다.

 

라부아지에의 물 분해 실험, 이미지 출처: beautifulchemistry.net

 

현대에 사는 우리는 위의 실험 결과를 쉽게 예측할 수가 있겠죠. 우선 물이 끓어서 수증기가 된 다음에 가열되고 있어 뜨겁게 달구어진 주철관을 통과하게 되는데 이때 물에서 분해된 산소(O2)가 주철관의 철과 반응 결합하여 산화철(Fe3O4)이 되기 때문에 주철관의 질량이 증가하게 됩니다.  주철관의 철이 부식되었다, 철이 녹이 슬었다고 이해를 하면 됩니다. 그리고, 분해되지 않은 수증기는 냉각수에 의해 응축시켜 액화시키고 수소(H2)는 기체 상태로 모이게 되죠. 물이 산소와 수소로 분해되는 것을 보면 물이 분해할 수 없는 원소가 아니라 산소와 수소가 결합한 물질인 것을 알 수 있게 됩니다. 이 실험은 라부아지에가 1789년에 발표하였는데 여기서 라부아지에는 줄어든 물의 양과 주철관의 질량 증가, 수소 기체의 질량을 나름의 방식으로 측정하여 물의 질량은 산소 85%와 수소 15%로 이루어져 있다고 계산한 내용도 함께 발표하였습니다. 물이 합성될 때 반응하는 수소 기체와 산소 기체의 질량비가 1:8이라는 것을 알고 있는 요즘 대략 산소 89%와 수소 11% 정도 될 텐데 거의 근사하게 접근했다는 것이 재미있죠. 이렇게 18세기에 물이 더 이상 분해할 수 없는 원소가 아니라는 것이 밝혀진 실험을 공유해 보았습니다.

 

그리고, 여기에 관련해서 한 가지 알아둘 것은 관련한 문제가 조금 비틀어서 보기에 나올 수가 있는데, 라부아지에의 물 분해 실험에서 발생하는 기체는 수소뿐이고, 산소는 주철관의 질량 증가로 알 수 있듯이 산화철의 형태로 확인할 수 있다는 점입니다. 다시 한번 말하면 라부아지에의 물 분해 실험에서 발생하는 기체는 수소뿐이고, 수소와 산소가 모두 발생되는 실험은 아니라는 점입니다.

 

그리고 위의 내용에 이어서 라부아지에의 물분해 실험과 연결하여 물의 전기 분해에 대해 아래 링크를 참고하시면 되겠습니다.

2023.12.15 - [과학] - 물의 전기 분해 (electrolysis)

물의 전기 분해 (electrolysis)