재미있는 과학이야기 - 소다수와 산소의 발견

재미있는 과학이야기 - 소다수와 산소의 발견

1770년경, 영국의 리즈 시에 있는 양조장 근처에서, 급진적인 비성공회파 목사인 J. 프리스틀리 박사가 나무 조각에 불을 붙여서 발효하고 있는 맥주통 위에 올려놓고 있었다. 이것을 본 시민들은 고개를 갸웃거리면서 물었다.

"선생님! 무엇을 하시려는 건가요?"

"증명이지!"

불은 계속 꺼졌다. 리즈의 시민은 프리스틀리의 관심을 이해할 수 없었다. 그러나 프리스틀리는 맥주통에서 얻은 기체에 흥분하고 있었다. 여기에는 불을 끌 수 있는 신기한 증기가 있었던 것이다. 

그는 집에서 이 기체를 시험삼아 제조한 다음, 투명한 물에 통과시켜 보았다. 그랬더니 재미있게도 거품이 일었다. 그는 맛을 보았다. 나쁘지는 않았다. 

그는 자신이 만든 이 새로운 음료수를 '소다수'라고 부르기로 했다. 이것을 런던에 가지고 가서 "영국 학사원"에 제출했다. 과학자들은 이 거품이 이는 물을 먹어 보고는, 이것이 선원들을 괴롭히는 괴혈병의 치료제가 될 수 있을지도 모른다고 말했다.

잠깐 사이에 이 소다수는 영국 해군의 배에서 사용되어, 승무원들은 프리스틀리 목사가 만든 소다수를 즐기게 되었다. 그러나 소다수는 괴혈병에도, 그 외의 어떤 병에도 결코 아무런 약효를 발휘하지는 못했다. 

프리스틀리는 이산화탄소를 발견한 공로로 "영국 학사원"으로부터 금메달을 받았다. 그는 이 성공에 용기를 얻어서, 이번에는 또 다른 새로운 기체를 발견하고자 마음먹었다. 실험실에서 보내는 시간이 더욱 길어졌다. 

그는 태양광선에 초점을 맞추기 위한 직경 30cm 정도의 집광성 렌즈를 사용해서 유리병 안의 여러 화학 약품을 가열해 보았다. 

어느 날 그는 빨간 분말을 가열한 다음, 여기에서 발생한 기체를 유리병 안에 모았다. 그는 화학 사상 가장 유명한 실험 중의 하나를 시행하고 있다는 것을 꿈에도 몰랐을 것이다.

그는 이 기체를 모아 놓은 병 안에 불을 붙인 양초를 집어넣고는 불이 꺼질 것이라고 기대하고 있었다. 그런데 놀랍게도 양초의 불은 확 타올랐다. 그래서 그는 시험삼아 타고 있는 목탄 조각을 그 병에 넣어 보았다. 그러자 목탄은 불타면서 튀어 올랐다. 

다음에는 벌겋게 달아오른 철사를 넣어 보았더니 그 철사도 빛을 내면서 타올랐다. 이 새로운 기체는 소다수와는 달리 불을 꺼뜨리는 것이 아니라 오히려 불을 세게 만드는 것이었다. 그는 산소를 발견한 것이다.

18세기 초에는 산소가 공기 속이 아니라 다른 물질, 예를 들어 프리스틀리가 연소시켰던 빨간 분말은 산화 제2수은으로 수은과 산소의 화합물이었다. 프리스틀리는 실험으로 수은에서 산소를 분리한 것이다.

이어서 그는 양식 있는 과학자답게 자기가 발견한 이 새로운 기체의 성질에 대한 조사에 착수했다. 이미 그는 이 기체가 물질을 쉽게 연소시킨다는 것을 알고 있었다. 그런데 그는 그것이 생명체에 대해서도 효과가 있는 것인지 의심하고 있었다.

그날 밤, 그는 부엌에 덫을 설치하고는 다음날 아침에 뛰어 돌아 다니는 두 마리의 쥐를 붙잡았다. 한 마리는 뚜껑을 덮은 유리병에 넣고, 다른 한 마리는 새로운 기체를 가득 채운 병에 넣고 뚜껑을 닫았다. 

그는 시간을 때우기 위해 피리를 불기 시작했다. 피리를 불면서도 그는 두 마리의 쥐를 빈틈없이 감시하고 있었다 

잠시 시간이 흐르자, 보통의 공기를 넣은 병 속에 있는 쥐가 지친 것처럼 보였다. 프리스틀리는 회중시계를 흘끗 쳐다보았다. 15분이 경과하고 있었다. 그는 그 병뚜껑을 열어 보았으나 때는 이미 늦었다. 

쥐는 이미 죽어 있었던 것이다. 그는 다른 쪽 병을 바라보았다. 이쪽 쥐는 마치 아무 일도 없었던 것처럼 뛰어다니고 있었다. 

첫 번째 쥐는 어째서 죽은 것일까? 그것은 보통의 공기 중에 포함되어 있던 이 새로운 기체를 쥐가 다 사용해 버렸기 때문이다. 두 번째 쥐는, 처음부터 병 안에 새로운 기체가 많이 있었기 때문에 아직 살아 있었던 것이다. 

프리스틀리가 이 기체가 생존하는 데 없어서는 안 될 무엇이라고 확신했다.  쥐의 생명은 그렇다 하고, 인간의 생명에는 어떤 영향을 미치는 것일까? 그는 대담한 실험을 시도했다. 그는 스스로 이 새로운 기체를 약간 흡입하여 두 번째 쥐를 대신해 보았다.

그러자 곧 상쾌한 기분을 느낄 수 있었고 잠시 동안은 호흡도 가볍게 느껴졌다. 그는 기분이 좋아져 이렇게 중얼거렸다.

"이 기체는 몸이 매우 쇠약하거나 아프거나 할 때 흡입하면 좋겠어."

훗날 이 기체(산소)가 병원이나 광산에서 구조용으로, 또 높은 산에 등반할 때 사용되고 있다는 것을 프리스틀리가 알았다면 얼마나 기뻐했을까?

또 다른 의문의 그의 마음에 싹트기 시작했다. 동물과 인간인 살기 위해 이 산소를 필요로 한다. 그렇다면 식물은?

그는 공기가 통하지 않는 밀폐된 병 속에 식물을 넣고 분명 시들어 버릴 것이라고 예상했다. 그러나 며칠이 지나도 그 식물은 마치 밖에서 재배하고 있는 것처럼 생생하게 살아 있었다. 

동물은 밀폐된 공간에서 죽어버리는데, 식물은 살아간다!

혹시 병 안에 산소가 있었기 때문에 그랬던 것은 아닐까? 그는 즉시 이 생각을 실험에 옮겼다. 병 안에 불을 붙인 양초를 집어넣었다. 그러자 양초는 밟게 빛나며 타올랐다. 그리고 생쥐를 넣자 기분 좋게 돌아다녔다.

이제 의심의 여지가 없었다. 식물에는 무언가 신비로운 일이 일어나고 있었다. 공기에 산소를 회복시키는 어떤 종류의 힘이 작용하고 있는 것이다.

그래서 프리스틀리는, 뚜껑을 닫은 병 안에서 불빛이 사그라질 때까지 양초를 태워 산소를 없앤 후, 그 병 안에 작은 박하 가지를 넣었다. 이 작은 식물은 시들어 버릴 것인가?

그러나 10일이 경과할 때까지 박하 가지는 싱싱하게 살아 있었다. 이 작은 가지는 단순히 살아 있을 뿐만 아니라, 병 안에 타고 있는 양초를 집어넣자 양초의 불길이 확 타오르게 만들었다.

산소가 없어져 버린 병에, 10일이 지나면서 이제 산소가 가득 차게 된 것이다. 산소는 어디에서 온 것일까? 그것은 식물에서만 나오는 것일까?

프리스틀리는 우리들이 오늘날 광합성이라고 부르고 있는 식물의 힘을 전혀 이해하지 못하고 있었다. 빛이 존재할 때, 식물에 있는 녹색의 물질은 설탕이나 탄수화물을 만들기 위해 공기 중에 있는 이산화탄소와 물을 사용한다. 그 과정에서 산소가 발생하는 것이다.