user: 근대 화학의 성립의 화학 혁명에 대해 설명해 주세요.

gpt: ## 기체 화학의 발달
중세 연금술사들도 실험 과정에서 다양한 기체를 관찰 할 수 있었으나, 그들은 그러한 기체들을 원소 중 하나인 공기라고 여기지 않았다. 공기와 기체를 구분한 최초의 인물은 벨기에 귀족 출신인 얀 밥티스타 판 헬몬트였다. 그는 ‘혼돈’ 또는 ‘공간’이라는 의미를 가진 그리스어 ‘카오스’에서 착안하여 기체를 ‘가스’라고 불렀다. 또한, 기체는 고체나 액체처럼 여러 종류가 있으며, 공기는 기체의 한 종류라고 생각했다. 그러나 당시에 대부분의 사람들은 이러한 그의 생각을 수용하지 않았고, 기체를 종류와 관계 없이 공기라고 부르는 습관을 오랫동안 지속하였다.

정량적인 실험을 토대로 한 근대 화학은 로버트 보일로부터 시작되었다. 그가 살았던 17세기까지는 진공을 부정하는 사고방식 때문에 원자설이 보편적으로 수용되어 있지 않았다. 그러나 보일은 다른 과학자들과는 달리 진공의 개념을 수용함으로써 고대 그리스 시대의 원자설을 바탕으로 한 입자 가설을 통해 물질의 성질을 설명하려고 하였다. 즉, 보일은 물질의 성질이 입자의 운동, 모양, 배열 등에 의해 결정된다고 보았던 것이다. 그의 이러한 기계론적 생각은 데카르트로부터 영향을 받은 것이며, 훗날 돌턴이 원자설을 제기하는 데 로버트 보일이 제시한 개념들을 참고하기도 하였다.

로버트 보일은 공기 펌프를 이용하여 진공을 만들고 공기의 물리적 성질을 연구하였다. 이 연구로부터 그는 공기의 압력과 부피와의 관계를 제시한 ‘**보일의 법칙**’을 발견하였다. 또한, 유리로 만든 종 속에 열을 가한 철판을 넣은 후 유리 종에서 공기를 뽑아낸 뒤에 가열된 철판 위에 가연성 물질을 올려놓으면 타지 않는다는 사실로부터 연소에는 공기가 필요하다는 결론을 내렸다.

로버트 보일은 원자론을 바탕으로 새로운 원소 개념을 형성하였다. 그는 어떤 물질이 몇 개의 다른 물질로 분해된다면 그 물질은 참된 원소가 될 수 없다고 생각하였다. 이러한 그의 생각은 과거의 원소개념과는 매우 다른 것이었다. 또한, 보일은 화학의 진정한 역할은 물질의 성분과 그 조성을 알아내는 것이라고 강조하고, 화학을 의학과 같은 다른 분야와 분리하여 실험 과학으로 발전시키는 데 큰 공헌을 하였다.

18세기에 이르러서 공기에 대한 탐구가 본격적으로 이루어지게 되었다. 이로부터 고유한 성질을 나타내는 여러 종류의 공기가 있다는 사실이 밝혀졌다. 이산화탄소, 질소, 수소, 산소와 같은 기체들이 이 당시에 규명된 것들이다.

18세기의 과학자들은 오늘날과는 다른 이름으로 기체를 불렀다. 조지프 블랙은 탄산마그네슘이나 탄산칼슘과 같이 탄산을 함유하는 염을 서서히 가열하면 항상 이산화탄소가 발생하는 것을 보고, 염 안에 이산화탄소가 고정되어있다는 맥락으로, 이산화탄소를 ‘고정 공기’라 부르기도 했다.

조지프 블랙은 기체를 연구하면서 저울을 사용하였다. 블랙의 그러한 연구 방식은 정량적인 근대 화학의 기초를 닦았다. 또한, 기체를 신비하게 생각하는 사고로부터 벗어나 기체가 고체나 액체와 동등한 위치에서 반응하고 결합한다는 사실을 밝혀냈다. 더욱이, 공기가 물질의 근본 원소가 아니고 이산화탄소가 공기에 포함될 수 있다는 사실을 밝힘으로써 고대 그리스 시대부터 계속되어 온 물질의 원소설을 부정할 수 있는 근거를 마련하였다.

## 플로지스톤설
17세기와 18세기에 화학자들의 관심 중 하나는 연소 현상이었다. 그 당시 화학자들이 보편적으로 수용했던 연소에 대한 이론은 플로지스톤설이었다.

플로지스톤설에서는 물질을 재와 플로지스톤으로 구성되어있다고 여긴다. 플로지스톤은 그리스어로 ‘불타는 것’이라는 의미를 가진 단어로, 열을 물질로 보는 견해로부터 기인된 개념이다. 17, 18세기 화학자들은 연소가 일어날 때 열이 발생하는 현상을 온도가 높아지면 매우 가벼운 물질인 플로지스톤이 물질로부터 튀어나간다고 설명하였다. 기름이나 유황과 같이 잘 타는 물질은 플로지스톤을 많이 포함한 물질이고, 수소와 같이 타고 나서 아무것도 남지 않는 물질은 플로지스톤 그 자체라고 여겼다. 그리고 공기 중에 플로지스톤이 가득 차게 되면 연소 현상이 정지한다고 여겼다.

그러나 플로지스톤설로 설명하기 힘든 것이 연소 전후의 무게의 변화에 대한 것이었다. 나무와 같은 물질은 연소 후 재가 나무보다 가볍지만, 금속의 재는 연소 전 금속보다 무거워진다. 독일의 화학자 게오르그 에른스트 슈탈은 이러한 모순점을 설명하려고 시도한 최초의 화학자였다. 그는 무게의 반대 개념인 가벼움을 설정하여, 플로지스톤이 금속으로부터 튀어나갈 때는 금속에서 가벼움이 줄어들어 무겁게 된다고 설명하였다. 결국, 플로지스톤은 ‘음의 무게’도 가지는 물질로 개념이 수정된 것이다. 슈탈의 이러한 제안은 정량적인 실험을 추구하던 근대 화학자들에게 흡족한 설명은 아니었지만, 다른 방안이 제시되기 까지는 널리 받아들여질 수밖에 없었다.

## 질량 보존 법칙에 대한 사고의 형성
18세기 중엽까지 과학자들은 ‘원소설’에 근거하여 한 원소가 다른 원소로 변화될 수 있다고 여기고, 그것을 입증하기 위한 여러 실험을 수행하였다. 프랑스의 과학자 앙투안 라부아지에도 물이 흙으로 변화되는지 알아보는 실험을 하였다. 그는 페리칸이라고 하는 밀폐된 용기를 직접 만들어 그 속에 물을 넣고, 80~90도씨를 유지하며 100일간 가열하였다. 이러한 가열과정에서 물 속에 부유물이 침전되었는데, 라부아지에는 가열된 물과 침전물의 질량을 정밀하게 측정하여 가열 전과 후의 질량 변화가 약 0.013g정도임을 확인하였다. 이로부터 그는 반응에 따른 질량 변화는 거의 없다고 여겼다.

또한, 유리로 만든 레토르트  속에 주석을 넣고 입구를 가열하여 늘이는 동시에 당김으로써 밀폐시킨 후, 이 장치를 가열하는 실험을 하였다. 주석은 검게 변하였고, 용기 전체의 질량은 약 0.014g정도 감소하였다. 라부아지에는 그러한 차이는 0으로 간주할 수 있다고 여기고, 1774년 자신의 실험과 그 결과를 발표하였다.

라부아지에는 그러한 실험을 통해 질량 보존의 법칙을 발견하였다고 생각하지는 않았다. 질량 보존에 대한 사고가 고대부터 있었기 때문이다.

그러나 라부아지에가 했던 중요한 일은 질량 보존의 법칙을 실증적으로 증명했다는 점이다. 그는 ‘과학도 기하학과 마찬가지로 전체는 부분의 합과 같다는 것이 진리이므로, 모든 반응의 전과 후에는 같은 양의 물질이 존재한다는 것을 전제하여도 좋다.’고 주장했으며, ‘모든 화학 실험은 이 원리에 기초하고 있다.’라고 말했다. 이후 약 100년 후에 독일의 란돌트 등이 극도로 정밀한 실험을 통해 저울의 오차 범위 내에서 질량 보존의 법칙이 성립함을 증명하였다.

## 새로운 연소이론
라부아지에는 음의 질량을 가정하는 기존의 플로지스톤설에 만족하지 않았다. 그는 금속을 태운 금속재가 금속보다 무겁다는 사실에 주목하여, ‘무게의 증가가 공기의 흡수와 관련이 있다’는 생각을 하였다. 그래서 라부아지에는 기체의 발생과 흡수에 관련된 기존의 실험 논문들을 검토하고, 동일한 실험이 연구하는 사람마다 다르게 기술되어 있다는 사실을 파악하였다. 그는 이러한 문제를 해결하기 위해 이전의 자료들을 무시하고 모든 것을 다시 실험해 봄으로써 새로운 이론을 확립하고자 했다.

라부아지에는 플라스크에 수은을 넣은 후 가열시켜 로버트 보일의 실험을 되풀이하였다. 로버트 보일은 플라스크를 밀폐시키지 않는 실험을 하였는데, 라부아지에는 플라스크를 밀폐시키지 않는 실험과 밀폐시키는 실험 모두를 행한 후 두 결과를 비교하였다. 그 결과 두 실험 과정에서 수은의 질량의 변화가 없다는 사실을 확인하였다. 그러나 공기의 부피는 줄어들었고, 줄어든 공기의 무게만큼 수은의 무게가 증가하였다는 사실을 발견하여 연소가 공기 중의 어떤 물질과의 결합이라고 생각하게 되었다.

## 새로운 원소에 대한 정의
라부아지에는 실험을 통해 로버트 보일이 주장했던 원소의 개념을 보다 명확히 하여 ‘원소란 현재까지의 어떤 수단으로도 분해할 수 없는 물질’로 정의

1781년 조지프 프리스틀리는 수소와 산소의 혼합물을 폭발시키면 기체가 모두 소비되어 나중에는 물방울만 남는다는 사실을 발견하였다. 헨리 캐번디시는 이 실험을 되풀이하여 물은 산소 1.00부피와 수소 2.02부피의 결합으로 이루어져있다는 사실을 밝혀냈다. 이 실험은 물이 원소가 아님을 증명하는 결정적인 증거로, 고대 그리스 시대부터 받아들져 오던 원소설이 무너지게 되었다. 라부아지에는 이러한 실험 결과로부터 물이 화합물이라고 생각하게 되었다. 라부아지에는 원소 정의를 새롭게 하여, 그 당시 실험으로 더 이상 분해되지 않았던 수소와 산소를 원소로 규정하였다.

물과는 달리 열을 물질의 근본 원소로 여기는 열소설은 근대 화학이 성립된 후에도 한동안 지지를 받았다. 연소 현상에서는 항상 열이 방출되므로 플로지스톤설에서 플로지스톤은 ‘불의 원소’란 의미를 가지는 원소의 일종이었다. 그러나 플로지스톤설을 부정한 라부아지에조차도 열을 원소로 보는 시각은 버리지 못하고 열을 계속하여 열소이라 불렀다.

라부아지에는 열소의 무게를 측정하는 데 실패했지만, 열소를 무게가 없는 유체 물질로 생각했다. 라부아지에가 음의 질량 때문에 플로지스톤설을 반박했다는 점을 고려한다면 이는 모순적인 태도라 할 수 있다. 그러나 그는 연소가 일어날 때 열이 발생하는 이유를 열소와 산소의 결합 때문으로 보았다. 열이 물질이 아니라 에너지의 한 형태라는 생각은 19세기에 가서야 나타나게 되었다. 라부아지에가 열소를 지칭하는데 사용한 단어인 칼로릭은 오늘날 칼로리라는 열량의 단위로 변용되고 있다.