탄소는 왜 생명의 원소인가

1828년 베를린. 하인리히 구스타프 마그누스의 실험실에서 일하던 28세의 독일 화학자 프리드리히 뵐러는 시안산암모늄이 든 작은 플라스크를 불꽃 위에서 가열하며, 물이 끓어 날아가면서 용액이 점점 끈적해지는 모습을 지켜보았다. 플라스크가 식자 무색의 결정이 안쪽 유리를 따라 번져 나왔다. 그는 결정을 긁어내 표준 시험을 거쳤고, 결국 자신이 요소를 마주하고 있다는 사실을 깨달았다. 요소는 포유류가 소변으로 배출하는, 교과서에 나오는 그 노폐물 분자였다. 장치 안에는 신장도 없었고, 어디에도 살아 있는 조직은 없었다. 그는 완전히 죽어 있는 두 무기 염을 가지고, 그날 아침까지만 해도 오직 생명에서만 나온다고 여겨지던 화합물을 만들어 낸 것이다.

뵐러는 자신이 해낸 일의 무게를 직감했다. 그는 스승 옌스 야코브 베르셀리우스에게 보낸 편지에서, 더 이상 이 소식을 참을 수 없다고 적었다. 사람의 것이든 개의 것이든 신장 없이도 요소를 만들 수 있다는 것이었다. 두 세기 동안 화학을 떠받쳐 온 정설이 그 플라스크 안에서 막 숨을 거두려 하고 있었다.

어떻게 결정 몇 알이 그토록 큰 물음에 결판을 냈을까? 그리고 이백 년이 지난 지금도 우리는 왜 화학의 한 분야 전체를, 그 이름이 가리키던 생명의 분자가 아니라 단 하나의 원소를 중심에 두고 가르치고 있을까? 그 답은 한 원자의 기이하면서도 거의 완벽하게 조율된 성질을 따라 흐른다. 바로 탄소다.

생명력을 무너뜨린 실험

18세기 대부분과 19세기 초까지, 화학자들은 물질 세계를 둘로 나누었다. 광물, 금속, 염의 영역으로서 평범한 실험실 규칙을 따르는 무기물이 있었고, 식물과 동물에서 얻어지는 물질로서 자신만의 규칙을 따르는 듯 보이는 유기물이 있었다. 당시를 지배한 설명은 생기론이었다. 유기 분자는 살아 있는 생명체만이 공급할 수 있는 특별한 "생명력"을 지닌다는 정설이었다. 이 관점에서는 어떤 화학자도 유기 화합물을 처음부터 만들어 낼 수 없었다. 꼭 필요한 재료가 생명 그 자체였고, 생명은 병에서 따라 낼 수 있는 것이 아니었기 때문이다.

뵐러가 시안산암모늄 NH₄OCN으로부터 요소 CO(NH₂)₂를 합성한 것은 그 발상에 말뚝을 박았다. 두 출발 물질 모두 무기물로 분류되었지만, 생성물은 의심할 여지 없이 유기물이었고, 그것도 포유류가 배설하는 바로 그 화합물이었다. 정말로 생명력이 필요했다면, 그 반응은 불가능해야 했다. 그러나 그것은 어쨌든 일어났다. 실험대 위에서, 방 안에 살아 있는 것이라곤 하나도 없는 채로, 그것도 어김없이 반복해서.

역사에 관해서는 솔직해질 필요가 있다. 교과서 속 이야기는 진실보다 깔끔하게 정돈되어 있기 때문이다. 뵐러의 결과가 하룻밤 사이에 생기론을 무너뜨린 것은 아니었다. 그 정설에는 수십 년 동안 옹호자들이 있었고, 요소 합성은 생기론을 서서히 깎아 낸 여러 발견 가운데 하나였을 뿐이다. 그러나 이 실험은 실험실 유기화학의 출발점으로 기억되는 것이 마땅하며, 이 분야에 훨씬 더 쓸모 있는 새로운 정의를 강제했다. 유기화학은 생명체의 화학이기를 멈추고, 현대적인 실질적 의미에서 탄소 화합물의 화학이 되었다. "유기"라는 이름표는 그대로 남았지만, 그 주제는 더 이상 생명에 관한 것이 아니었다.

네 개의 전자, 네 개의 결합, 그리고 거의 완벽한 균형

유기화학이 탄소의 화학이라면, 당연히 다음 질문은 왜 하필 탄소인가이다. 자연에 존재하는 원소는 대략 아흔 가지인데, 무엇이 이 하나의 원소를 설탕에서 플라스틱, DNA에 이르기까지 수백만 가지 서로 다른 화합물의 골격으로 만들었을까? 그 답은 평범한 원자 성질의 짧은 목록이다. 다만 그 성질들이 탄소에서는 유난히 유리하게 맞아떨어진다.

탄소는 주기율표 둘째 줄에 자리하며 원자가 전자를 네 개 갖는데, 이는 채워진 바깥 껍질의 정확히 절반이다. 이 숫자는 엄청나게 중요하다. 풀린 전자가 한두 개 있는 원자는 그것을 내주려 하고, 한두 개만 더 필요한 원자는 그것을 빼앗으려 한다. 정확히 가운데에서 균형을 이루는 탄소는 어느 쪽도 하지 않는다. 그 대신 전자를 공유하여 적당한 세기의 공유 결합 네 개를 이룬다. 생명과 화학이 일어나는 온도에서 구조를 붙들 만큼은 강하지만, 무엇 하나 다시 배열될 수 없을 만큼 강하지는 않은 결합이다. 결코 끊어지지 않는 결합으로 지어진 분자는 비활성이고 쓸모가 없을 것이다. 탄소의 결합은 오래 견디면서도 다룰 수 있으며, 이것이야말로 다재다능한 빌딩 블록에 정확히 요구되는 성질이다.

원자가 공유 전자를 얼마나 세게 끌어당기는지를 나타내는 척도인 탄소의 전기음성도는 폴링 척도에서 2.55로, 범위의 가운데에 가깝다. 이는 탄소가 결합 속 전자를 독차지하지도, 내주지도 않는다는 뜻이다. 다른 탄소와의 결합, 그리고 수소와의 결합은 본질적으로 비극성이어서, 전하가 한쪽 끝에 쏠리지 않고 고르게 퍼진다. 비극성 결합은 안정하고 까다롭지 않으며, 덕분에 탄소 골격은 물속에서 무너지거나 닿는 모든 것과 무분별하게 반응하지 않는다.

마지막 성질이 결정적이다. 탄소는 자연적인 한계 없이 자기 자신과 쉽게 결합하는데, 이 성질을 라틴어로 사슬을 뜻하는 말에서 따온 연쇄성이라 부른다. 한 탄소 원자는 다른 탄소에 이어지고, 그 탄소는 또 다른 탄소에 끝없이 이어질 수 있으며, 이만큼 이를 잘 해내는 원소는 드물다. 연쇄성 덕분에 탄소는 곧은 사슬, 가지 친 사슬, 닫힌 고리, 그리고 사실상 크기 제한이 없는 정교한 3차원 우리 구조로 스스로를 조립할 수 있다. 네 개의 원자가 전자, 네 개의 적당한 비극성 결합, 그리고 무제한의 자기 연결을 합치면, 거의 끝이 없는 서로 다른 구조의 목록을 지어 낼 수 있는 원소가 된다. 그 목록이 바로 유기화학이다.

한 원자가 자신의 모양을 고르는 방식

탄소가 언제나 같은 기하 구조를 세상에 내보이는 것은 아니다. 네 개의 원자가 전자는 결합하기 전에 세 가지 서로 다른 방식으로 섞일 수 있으며, 그 선택이 탄소를 중심으로 지어지는 모든 것의 모양을 정한다. 이 섞임을 혼성화라고 부르는데, 원자의 2s 오비탈 하나를 일정한 수의 2p 오비탈과 혼합하여, 결합 상대를 향해 깔끔하게 뻗는 새로운 혼성 오비탈을 만들어 낸다.

첫 번째 방식인 sp³ 혼성화에서는, 2s 오비탈이 세 개의 2p 오비탈 전부와 결합하여 동일한 혼성 오비탈 네 개를 내놓는다. 이 오비탈들은 정사면체의 꼭짓점을 향하며 109.5도로 벌어져, 네 방향이 서로 가장 멀리 떨어질 수 있는 만큼 떨어져 있다. 이것이 메테인 CH₄의 기하 구조이며, 지방과 당, 그리고 생체 분자 대부분을 이루는 포화 탄소 골격의 기하 구조다. sp² 혼성화에서는 2s 오비탈이 2p 오비탈 가운데 둘하고만 섞여, 120도로 펼쳐진 평면 혼성 오비탈 세 개와 그 평면에 수직인 혼성화되지 않은 p 오비탈 하나가 남는다. 이것이 에틸렌 H₂C=CH₂의 배치이며, 여기서 인접한 두 탄소에 남은 p 오비탈이 옆으로 겹쳐져 두 번째이자 더 약한 결합을 이룬다. sp 혼성화에서는 2s 오비탈이 2p 오비탈 단 하나하고만 섞여, 180도로 서로 반대 방향을 향하는 혼성 오비탈 두 개를 내놓고, 수직인 p 오비탈 두 개가 남는다. 이것이 탄소 사이에 삼중 결합을 갖는 아세틸렌 HC≡CH의 선형 기하 구조다.

단 하나의 원소가 오직 결합 전에 전자가 어떻게 섞이는가에 따라 정사면체형, 평면형, 또는 선형 기하 구조를 고를 수 있다는 사실은, 탄소가 그토록 생산적인 조용한 이유 가운데 하나다.

결합 수가 알려 주는 것

두 탄소 사이의 결합 수는 단순한 장부상의 세부 사항이 아니다. 그것은 결합의 측정 가능한 길이와 세기를 깊이 예측 가능한 방식으로 바꾼다. 탄소-탄소 단일 결합은 길이가 약 1.54 옹스트롬으로 늘어나고 약 348 킬로줄/몰의 에너지로 붙들려 있다. 두 번째 결합을 더해 이중 결합을 만들면 두 탄소가 약 1.34 옹스트롬으로 더 가까이 끌려가고, 에너지는 약 614 킬로줄/몰까지 올라간다. 삼중 결합으로 만들면 탄소는 약 1.20 옹스트롬으로 더욱 가까이 자리하며, 약 839 킬로줄/몰로 결합된다.

이 양상은 일관된다. 결합이 많을수록 더 짧고 더 강한 연결이 된다. 그러나 계산을 잘 보라. 단일에서 이중 결합으로 갈 때는 약 266 킬로줄/몰이 더해지지만, 이중에서 삼중 결합으로 갈 때는 약 225만 더해진다. 추가되는 결합은 저마다 앞선 것보다 적게 기여하는데, 그 여분의 결합, 곧 남은 p 오비탈이 옆으로 겹쳐 이루는 이른바 파이 결합이, 두 원자 사이에 곧바로 놓인 본래의 시그마 결합보다 본질적으로 더 약하기 때문이다.

이 숫자들이 화학 강의에서 제자리를 차지하는 까닭은 그것들이 거동을 예측하기 때문이다. 이 숫자들은 열이나 시약의 공격을 받을 때 어떤 결합이 먼저 끊어질지 알려 준다. 가장 약한 고리가 먼저 가기 때문이다. 또한 어떤 탄화수소를 태우든, 그것이 가스레인지의 메테인이든 엔진의 옥테인이든, 탄소-수소 결합 하나당 거의 같은 에너지를 내놓는 이유도 설명해 준다. 어느 경우든 같은 종류의 결합을 끊고 다시 만들기 때문이다. 그리고 분자의 선 위아래로 드러나 있는 그 더 약한 파이 결합이, 반응이 시작되기 쉬운 자리, 곧 유기화학의 전형적인 반응 자리인 이유도 설명해 준다.

하나의 원소, 여러 가지 고체

탄소의 다재다능함은 그 화합물에만 국한되지 않는다. 순수한 탄소는 보기에도 거동에도 전혀 닮지 않은 여러 결정 형태를 띠는데, 이 현상을 동소체라 부른다. 그 차이는 전적으로 원자가 어떻게 배열되어 있는가에서 비롯되며, 이는 탄소의 혼성화 선택에서 따라 나온다.

다이아몬드는 sp³ 탄소가 단단한 3차원 그물로 뻗어 나간 것으로, 모든 원자가 네 이웃과 정사면체형으로 결합해, 결정 전체가 사실상 하나의 거대한 분자를 이룬다. 강한 결합이 이어진 그 연속된 그물 때문에 다이아몬드는 모스 경도 척도에서 완벽한 10을 받으며, 알려진 천연 물질 가운데 가장 단단하다. 흑연은 sp² 탄소가 평평한 판으로 배열된 것으로, 각 판 안에서는 단단히 맞물려 있지만 판과 판 사이는 느슨하게 쌓여 있어, 층들이 서로 미끄러진다. 그 미끄러짐 때문에 흑연은 무르고, 윤활 작용을 하며, 연필을 종이 위로 끌면 회색 자국을 남긴다. 그래핀은 흑연에서 떨어져 나온 한 장의 판으로, 두께가 원자 하나이며, 2004년 안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프가 처음 분리해 냈다. 풀러렌은 sp² 탄소가 속이 빈 공으로 휘말려 든 닫힌 우리 구조로, 그 원형은 축구공 모양을 한 버크민스터풀러렌 C₆₀이며, 탄소 나노튜브는 그래핀 판을 원통으로 말아 놓은 것이다. 같은 원소, 같은 원자인데도 근본적으로 다른 고체들이, 오직 탄소가 결합하기로 정하는 각도 하나에서 빚어진다.

탄소의 언어를 읽다

위의 모든 것은 결국 어딘가에 적어야 하며, 유기화학자들은 오래전에 이를 위한 간결한 표기법, 곧 구조식에 합의했다. 선으로 그린 그림에서 탄소 골격은 선분들이 지그재그로 이어진 모양으로 그려지며, 각 꼭짓점과 각 선의 끝이 탄소 원자 하나를 나타낸다. 수소는 아예 그리지 않는다. 각 탄소가 네 개의 결합을 필요로 하므로, 수소가 남은 결합을 모두 채운다고 이해하는 것이다. 이중 결합과 삼중 결합은 이중선이나 삼중선으로 나타나고, 작용기라 불리는 반응성 무리는 뒤의 강의에서 자세히 다루어지는데, 골격을 따라 특징적인 자리에 놓인다.

구조식을 한눈에 읽어 내는 법, 곧 사슬과 가지, 다중 결합, 그리고 작용기를 한꺼번에 알아보는 법을 익히는 것은 이 분야의 기본 소양이며, 음악가에게 악보를 읽는 것과 같다.

그 어휘는 이름난 실험들의 긴 사슬을 거쳐 뵐러의 플라스크에서 자라났다. 1845년 헤르만 콜베의 아세트산 합성, 1865년 아우구스트 케쿨레의 벤젠 구조, 1874년 야코뷔스 판트호프와 조제프 르 벨이 제안한 정사면체 탄소 원자, 1939년 라이너스 폴링의 화학 결합의 본질, 그리고 2004년 그래핀의 분리가 그것이다. 각 단계는 낡은 생기론의 신비를 조금씩 거두어 내고, 그 자리를 종이에 그릴 수 있는 구조로 채워 넣었다.

핵심 요약

탄소가 생명의 원소라는 칭호를 얻는 것은 어떤 생명의 불꽃 때문이 아니다. 그 관념은 프리드리히 뵐러가 1828년에 무기물인 시안산암모늄으로부터 유기 분자인 요소를 만들어 내며 무너뜨렸고, 이로써 유기화학을 생명체의 화학이 아니라 탄소 화합물의 화학으로 다시 정의했다. 빌딩 블록으로서 탄소가 누리는 우위는 평범한 성질들의 말끔한 수렴에서 따라 나온다. 적당한 세기의 공유 결합 네 개를 이루게 만드는 네 개의 원자가 전자, 그 결합을 비극성이고 안정하게 유지하는 2.55의 전기음성도, 그리고 사슬과 고리와 우리 구조로 한계 없이 자기 자신과 이어지게 하는 연쇄성이 그것이다. 탄소는 혼성화를 통해 모양을 조절하여, 정사면체형 sp³(109.5°, 메테인), 평면형 sp²(120°, 에틸렌), 또는 선형 sp(180°, 아세틸렌) 기하 구조를 고른다. 그리고 그 결합은 예측 가능한 특징을 지니는데, 단일 결합은 1.54 Å에 348 kJ/몰, 이중 결합은 1.34 Å에 614 kJ/몰, 삼중 결합은 1.20 Å에 839 kJ/몰로, 더해지는 파이 결합마다 연결을 짧고 강하게 만들지만 앞선 것보다 적은 에너지를 기여한다. 분자를 지배하는 바로 그 혼성화 선택이 순수한 탄소의 놀랍도록 서로 다른 고체들, 곧 다이아몬드와 흑연에서 그래핀, 풀러렌, 나노튜브에 이르는 고체들도 만들어 내며, 뵐러의 결정에서 자라난 이 분야 전체는 모든 유기화학자가 한눈에 읽어 내는 법을 배우는 그 간결한 선 그림 속에 기록되어 있다.