규칙성의 발견과정이 과학 활동 중 중요한 요소라면 규칙성을 일반화한 것을 법칙이라고 표현한다. 법칙 외에도 모형, 이론, 원리 등으로 발견한 규칙성을 표현하기도 한다. 예를 들어 보일의 법칙에서 기체의 부피는 압력에 반비례한다는 규칙성을 수학적 표현을 활용하여 마치 방정식과 같이 PV=k(상수)로 표현한 것을 법칙이라 하고, 가장 처음 발견한 과학자의 이름을 따서 보일의 법칙이라고 부른다. 그런데 왜 기체가 이런 현상을 나타내는가를 설명하려면 기체의 행동을 설명할 수 있는 추상적인 규칙성으로 설명할 수 있는데, 이런 추상적인 설명체계를 모형이라 부른다. 왜 풍선은 바람을 불어넣을수록 팽창하는가? 왜 풍선을 누르면 부피가 감소하는가? 이와 같은 과학적 호기심에 대한 답으로 기체를 모형화 하여 생각하게 되었다. 기체모형론에 의하면 기체는 당구공과 같이 쪼개지지 않고 단단한 작은 입자로 되어 있어서 바람을 불어넣을수록 당구공의 입자의 수가 많아져 풍선의 벽을 부딪치면서 압력을 가해 부피가 팽창하는 것이다. 반대로 기체 입자 사이에는 충분한 거리가 있어서 외부에서 압력이 가해지면 입자 사이의 거리가 가까워져서 부피가 감소한다는 설명이다. 이 기체의 행동을 설명하기 위해 등장한 것이 돌턴의 원자론이다. 돌턴은 배수 비례의 법칙을 설명하는 과정에서 기체는 단단하고 쪼개지지 않는 알갱이로 이루어졌다는 원자론을 주장하게 된다. 돌턴의 원자론은 현대과학에서는 원자 속에 더 작은 입자들이 존재한다는 측면에서는 수정되어야 하지만 우리가 흔히 다루는 기체의 성질 즉 보일이나 샤를의 법칙을 설명하기에는 부족함이 없다. 그리고 돌턴의 개념에서 분자와 화합물의 개념이 출발하게 되어 과학사적인 측면에서 근대 과학의 출발점이라고 불러도 과언이 아니다. 실제로 기체의 성질을 나타내는 가장 작은 입자는 원자가 아니라 분자이다. 실제로 우리가 아는 기체의 성질은 원자들의 집합체인 분자가 가진다. 예를 들어 호흡에 꼭 필요한 산소 기체는 산소 원자가 아니라 산소원자가 2개가 결합한 산소분자를 의미하고, 자극적인 냄새가 나는 암모니아도 질소 원자 1개와 수소 원자 3개가 결합하여 형성된다. 그러나 모든 물질의 기본 알갱이가 분자인 것은 아니다. 금속 나트륨이나 금속 철은 분자라는 개념이 존재하지 않는다. 금속을 이루는 기본 알갱이는 원자이고 원자의 양이온과 자유전자가 결합하여 결정을 이루기 때문이다. 따라서 물질을 이루는 가장 작은 알갱이는 원자라 표현할 수 있지만, 우리가 알고 있는 물질의 고유한 특성을 나타내는 알갱이는 분자 또는 이온일 수도 있다. 그렇다면 원소는 무슨 의미일까? 원자와 분자가 알갱이 또는 작은 입자의 개념이라면 원소는 성분의 개념으로 한 종류의 원자로만 이루어진 순수한 물질을 의미한다. 여기에는 원자가 몇 개로 구성되었느냐는 촛점이 아니고 몇 종류의 원자로 구성되었는가의 문제이다. 약 100가지 다른 원소들이 현재 알려져 있고, 약 100종류의 서로 다른 원자들이 존재한다는 것이다. 원래 자연에서 순수하게 존재하여 고대부터 인류가 알고 활용했던 원소도 있고, 화학자가 정량적인 실험방법을 사용하면서 화합물 속의 원소를 분류해내기 시작하면서 오늘날의 많은 원소가 발견되었다. 분자나 화합물은 원자가 일정한 배열과 일정한 수로 결합하고 있기에 이를 표현할 방식이 필요하게 되었다. 따라서 원소기호와 결합비를 이용하여 화학식으로 표현하게 되었다. 화학식은 가장 넓은 의미의 표현이고 분자의 종류와 수를 나타낸 것을 분자식, 결합비를 가장 작은 정수비로 나타낸 것을 실험식, 결합구조를 원소기호와 결합선으로 표현한 식을 구조식, 이 모든 것을 총칭하여 화학식이라고 한다. 과학사적인 측면에서 연구 과정을 살펴보면 작은 발견이나 일상생활과 연관 지은 작은 비유가 큰 발견의 시발점이 되는 경우가 있다. 뉴튼의 떨어지는 사과라는가 유레카의 예화가 그런 사례이다. 화학에서의 원자론과 분자론은 쿠션을 튕겨져 나오는 당구공의 움직임을 기체의 움직임에 대입하여 기체의 특성을 이해하려는 노력으로부터 시작되었다. 우리도 우리 주변의 작은 움직임을 과학적으로 해석하는 혜안이 있다면 과학사의 한 페이지를 장식할 수 있지 않을까.
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