1825년 Ri 지하 실험실에서 패러데이가 벤젠을 분리해낸 순간에서 출발해, 19세기 합성 염료 혁명과 케쿨레의 추정, 그리고 론즈데일의 X선 결정학으로 구조가 밝혀지기까지—작은 바이알 하나가 과학과 산업을 어떻게 바꾸었는지 돌아본다.
올해가 Ri의 두 대표 강연 시리즈인 CHRISTMAS LECTURES와 Discourses의 200주년이라는 말을 들었을지 모릅니다. 하지만 1825년에는 우리의 상징적인 강연극장이 아니라 지하층 실험실에서 또 하나의 놀라운 일이 벌어지고 있었습니다. Ri 지하층의 전시 복도를 거닐어 본 적이 있다면 이것을 보았을지도 모릅니다. 아주 작고, 겉보기에는 평범한, 맑은 액체가 든 작은 바이알 하나를요.
왜 몇 밀리리터 되지도 않는 액체에 우리가 그토록 신경을 쓸까요?
지하 실험실의 마이클 패러데이, 1852년(크롭). 출처: Royal Institution
19세기 초, 런던은 가스 연료로 불을 밝혔습니다. 그러나 오늘날의 천연가스가 아니라 ‘오일 가스’였습니다. 오일 가스는 고래 기름이나 생선 기름을 뜨거운 노에 떨어뜨려 만드는, 냄새나는 일이었습니다. 이렇게 얻은 가스는 구리 실린더에 압축되어 런던 전역으로 운반되어 가정과 상점의 조명을 책임졌습니다. 그런데 시간이 지나면서 이 실린더 속 가스가 조도(밝기)를 잃는다는 사실이 알려졌습니다. 1825년, Portable Gas Works는 그 이유를 밝혀 달라고 패러데이에게 의뢰했습니다.
패러데이는 오일을 가스로 전환하는 과정에서 일부가 기름진 액체 잔류물로 응축된다는 사실을 알아냈습니다. 이 낯선 물질은 대체 무엇이었을까요? 그는 이를 꼼꼼히 일지에 기록했습니다. 4월 26일, 오일 가스가 앨버말 가(Albemarle Street)로 배달되자마자 패러데이는 서로 다른 증류분과 그 성질을 탐구하기 시작했습니다. 몇 주 뒤인 5월 9일, 그는 직접 가스 공장을 방문했습니다. 초기 시험을 마친 후, 5월 16일부터 본격적인 작업이 시작되었습니다.
오일 가스가 211용적(부피 단위)만큼 Ri로 전달되어 패러데이의 실험에 쓰였습니다. 물과 기타 불순물을 제거하고 잔류물의 핵심 성분을 밝히기 위한 혹독한 분별증류 과정이었습니다. 얼리고, 끓이고, 응축하고, 브라마 프레스로 짜내는 작업이 이어졌습니다. 그러다 5월 18일, 패러데이는 완전히 새로운 무언가를 분리했다는 예감을 얻었습니다. 그는 다음 몇 주 동안 이 화합물이 순수하다는 확신이 들 때까지 쉼 없이 계속했습니다. 이 기간 그의 일지에는 종종 이렇게 적혀 있습니다. "특이한 물질." 오늘날 우리는 그 ‘특이한 물질’을 벤젠이라고 부릅니다. 패러데이는 1825년 6월 16일, 왕립학회에서 이 물질을 발표했습니다. 그런데 그의 논문 어디에도 ‘벤젠’이라는 이름은 등장하지 않습니다. 왜였을까요?
1825년 5월의 마이클 패러데이 일기(크롭). 출처: Royal Institution
바이알을 자세히 보면 패러데이가 유리 표면에 이 물질의 이름을 새겨 놓았음을 알 수 있습니다. 바로 "bicarburet of hydrogen"—벤젠이 아니라 ‘수소의 이중탄화물’이라는 당시의 명명입니다. 이 이름은 패러데이의 일지 여백에도 보입니다. 패러데이는 오늘날과는 다른 방식으로 화학식과 조성을 이해했습니다. 계산을 거친 그는 이 물질을 ‘질량비’로 제시했는데, 탄소 2에 대해 수소 1의 비율이었습니다.
이 이름은 정착되지 못했습니다. 벤젠을 얻는 새로운 경로가 발견되고, 다른 화학자들이 벤젠을 기존 화학 체계 속에 자리매김시키려 하면서 몇 차례의 변천을 거친 끝에 ‘benzene’이라는 이름이 굳어졌습니다. 다행히 패러데이도 이를 반겼습니다!
19세기 화학자들은 벤젠과 관련된 전혀 새로운 화합물 계열도 탐구하기 시작했습니다. 이들은 공통적으로 달큰하고 자극적인 냄새를 풍긴다고 하여 ‘방향족 화합물’이라 불렸습니다. 오늘날 ‘방향족성’은 냄새와는 무관하며(대신 고리형 화합물로 정의됩니다), 과거의 화학자들에게는 코가 벤젠류 화합물을 식별하는 데 중요한 도구였지요.
이 방향족 화합물은 현대 생활에 엄청난 영향을 끼쳤습니다. 첫 번째 대혁신은 1856년에 일어났습니다. 18세의 화학도였던 William Henry Perkin이 귀중한 말라리아 치료제인 키니네를 인공적으로 합성하려다가 전혀 다른 것을 만들어 낸 것입니다. 그는 벤젠을 함유한 석탄 타르 유도체인 아닐린으로 실험하다가 어두운 침전을 얻었고, 이를 알코올에 녹이자 아름다운 보라색이 드러났습니다. 이것이 최초의 합성 염료, 모브인(mauveine)이었습니다.
‘모브 열풍’은 빅토리아 사회를 강타했습니다. 이 새 합성 염료는 천연 염료와 달리 선명하고 바래지 않았습니다. 순식간에 방향족 화학은 유행이자 사업이 되었고, 눈에 보일 만큼의 변화를 일으켰습니다. 결정적으로, 벤젠을 둘러싼 과학은 엄청난 수익을 낳기 시작했고, 벤젠 유사 화합물의 다른 용도들도 개발되었습니다.
Ri에서는 퍼킨의 스승이었던 저명한 화학자 August Wilhelm Hofmann이 1862년 4월 11일 금요 야간 담화(Friday Evening Discourse)에서 "On Mauve and Magenta"라는 제목의 강연을 했습니다. 그는 패러데이의 ‘원본 벤젠 바이알’을 강연장으로 가져와, 패러데이의 ‘기초 연구’를 과학의 금본위로 치켜세웠습니다. 이는 모브인 합성으로 큰 부를 쌓은 퍼킨을 겨냥한, 그리 교묘하지 않게 숨긴 비판이기도 했습니다. Ri의 저널인 The Proceedings 는 여러 신형 염료로 물들인 직물 샘플을 수록했는데, 오늘날에도 그 선명함이 여전함을 확인할 수 있습니다!
1862년 Ri Proceedings 의 모브인 및 기타 아닐린 염료 샘플. 출처: Royal Institution
벤젠을 분리해내는 일도 어려웠지만, 그 거동을 이해하는 일은 더 어려웠습니다. 핵심 질문이 남아 있었습니다. 벤젠은 실제로 어떤 모양일까? 탄소 6개와 수소 6개라는 분자식은 다중 탄소-탄소 이중 결합을 가져 매우 반응성이 크고 불안정해야 함을 시사했습니다. 그런데 벤젠은 놀라울 정도로 안정적이었고, 유사한 실험식의 다른 화합물과는 매우 다르게 행동했습니다.
여러 화학자가 이 수수께끼를 풀고자 했습니다. 가장 유명한 이론은 August Kekulé에게서 나왔습니다. 뱀이 자기 꼬리를 무는 꿈을 꾸고 영감을 받아 1865년에 벤젠의 고리 구조를 제안했다는 이야기입니다. 하지만 이것만으로는 벤젠의 비정상적인 안정성을 충분히 설명할 수 없었고, 구조에 대한 직접적인 증거는 여전히 잡히지 않았습니다.
Ri에서는 James Dewar(듀어 플라스크로 유명)가 다른 구조적 가능성들을 제안했습니다. 다른 이들도 자신들의 이론을 내놓았습니다. 벤젠 원자들의 정확한 배열은 답답할 만큼 불확실했고, 과학자들은 분자 구조를 직접 관찰할 수단이 없었습니다. 심지어 벤젠 100주년을 기념하던 1925년에도 구조는 확정되지 못했습니다. 벤젠은 산업을 변화시켰지만, 그 본질은 여전히 신비로웠습니다.
Linus Pauling, “The nature of the chemical bond. V. The quantum-mechanical calculation of the resonance energy of benzene and naphthalene and the hydrocarbon free radicals.” J. Chem. Phys. 1 (1933) 중 벤젠의 다양한 제안 구조
그로부터 3년 뒤인 1928년, Ri 지하에서는 또다시 구조 문제를 풀기 위한 도전이 이어졌습니다. William Henry Bragg의 지휘 아래, 새롭게 떠오르던 분야인 X선 결정학에 전념하는 최첨단 실험실이 X선을 이용해 다양한 분자 구조를 탐구하고 있었습니다. 결정에 X선을 쏘고 회절 패턴을 분석해 원자 배열을 추론하는 방식이었죠. 이 최첨단 기술은 모든 것을 바꾸었습니다.
이렇게 말할지도 모르겠습니다. “하지만 벤젠은 액체잖아요. 결정이 아닌데요!” 결정학자들은 여기에 영리한 해법을 냈습니다. 바로 벤젠의 결정성 친척, 헥사메틸벤젠입니다. 헥사메틸벤젠에 대한 결정적인 연구는 Bragg의 연구실에서 일하던 젊은 결정학자 Kathleen Lonsdale이 수행했습니다. 그녀는 X선 사진법과 정교한 공간군 계산을 통해 획기적인 발견을 해냈습니다.
Structure Factor Tables(1936)은 그녀의 자필로 출판되었으며, 230개 공간군에 대해 그녀가 계산한 구조 인자 표를 담고 있습니다. 출처: Royal Institution
1929년에 발표된 논문에서, 론즈데일은 벤젠이 평평한 정육각형 고리임을 결정적으로 보여 주었습니다. 더 중요한 것은, 모든 탄소-탄소 결합 길이가 같고 전자들이 고리 전체에 비편재화되어 있다는 계산 결과였는데, 이것이 마침내 벤젠의 기묘한 안정성을 설명해 주었습니다. 패러데이가 처음 분리한 때로부터 100년이 조금 넘는 시간이 걸렸지만, 그의 실험실에서 불과 몇 미터 떨어진 곳에서 구조 문제가 마침내 해결된 것입니다.
1929년의 벤젠 구조 모형. 전자의 비편재화와 평면 구조를 보여 줍니다. 출처: Royal Institution
오늘날 순수한 벤젠은 발암성이 널리 알려진 만큼, 통제된 산업 공정에서만 사용됩니다(다행히 커피의 카페인 제거, 엔진 탈지, 면도크림 등에 더는 쓰이지 않습니다!). 그러나 그 구조, 즉 벤젠 고리는 플라스틱, 의약품, 향수, 안료 등 우리가 일상적으로 사용하는 수많은 것에 널리 퍼져 있습니다.
벤젠의 분리는 화학에서 커다란 전환점이었을 뿐 아니라 그 파급력은 훨씬 더 멀리 미쳤습니다. 즉각적인 응용을 염두에 두지 않은 ‘기초 연구’가 얼마나 비범한 유산을 남길 수 있는지를 보여 준 순간이었습니다. 그래서 크리스마스 강연과 Ri 담화의 200주년이 헤드라인을 장식하더라도, 우리는 패러데이와 론즈데일의 노고 또한 기쁘게 기념합니다.
벤젠의 이야기는 ‘과학 그 자체를 위한 과학’의 중요성에 관한 이야기입니다. 최근 강연극장을 새 단장할 때, 우리는 좌석 천의 색으로 진한 자주빛 분홍색을 선택했습니다. Ri에서의 벤젠 이야기, 그것이 우리 세계에 미친 영향, 그리고 기초 연구의 예기치 못한 결과에 대한 은근한 경의를 담은 선택이었습니다.
그러니 다음에 Ri를 방문하실 때는 계단을 내려가 그 바이알을 찾아보세요. 그 액체 속에는 호기심, 혼란, 논쟁, 그리고 통찰의 이야기가 담겨 있습니다. 그리고 전시 복도에서 열리는 벤젠 임시 전시도 놓치지 마세요. 패러데이의 놀라운 작업으로부터 200년을 기념하고 있습니다.
