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연금술사의 꿈 - 금(Au) - 목록

조회 : 10267 | 2012-05-15

황금사원
금속은 대개 시간이 지나면 산소 등에 의해 녹슬지만 금은 변화가 없다. 금에 대한 사랑은 고대로부터 시작되었다. 메소포타미아 문명이나 이집트 문명, 그리고 신라 시대의 금관에 이르기까지 지금도 찬란히 빛나는 많은 유물들도 금으로 만들었기 때문이다.

 

황금사원
이스라엘의 황금사원과 통곡의 벽 / 위키백과(www.wikipedia.org) (CC) Wilson44691

 

금속이 녹스는 것은 공기 중의 산소, 수증기, 이산화탄소 등과 반응하기 때문이다. 그러나 금은 매우 안정하다. 그것은 금 원자의 최외각에 있는 전자껍질에 전자들이 모두 채워져 있기 때문이다. 이처럼 금속의 제왕인 금은 고대로부터 영원불멸과 고귀함의 상징이었던 것이다.
뿐만 아니라 금은 금속 가운데 연성이나 전성이 가장 크다. 연성은 물체가 가늘고 긴 형태로 뽑히는 성질이고, 전성은 넓고 얇은 형태로 퍼지는 성질이다. 금 1 g으로 3 km 이상도 뽑을 수 있고, 1 ㎡ 이상으로 펼 수도 있다.

 

순금 = 24k
금반지의 순도는 순금인 경우 24 K이며, 구리 등이 섞일 경우 18 K, 14 K 등으로 나타낸다. 왜 순도를 %가 아닌 K로 나타낼까? 그리고 순금은 왜 24 K일까?

24캐럿
순금은 24K

금의 순도를 나타내는 K는 캐럿(Karat)의 첫 글자이다. 캐럿은 중동에서 나는 ‘캐럽’이라는 식물에서 유래한다. 캐럽의 꼬투리 하나는 1.25 g으로 거의 일정하며 이 지역에서는 캐럽 한 웅큼을 소금이나 금과 교환할 때 사용했다. 이 때 캐럽은 보통 한 손에 24개가 잡히기 때문에 순금을 24 K로 표시했던 것이다. 따라서 18 K는 18/24이므로 75%가 금이고, 25%는 다른 금속이다. ‘캐럿’(Carat)은 유래와 발음이 같지만 철자가 다르다. 다이아몬드와 같은 보석의 질량을 나타내며 1 캐럿은 0.2 g이다.

 

사금 채취
광산에서 나는 금을 산금, 흐르는 물이나 파도에 의해 자갈, 모래, 흙과 함께 강가 등에 쌓인 금을 사금이라 한다.
사금은 모래나 흙을 흐르는 물에 흘려보낼 때 무거운 사금만 가라앉는 것을 이용하여 분리한다. 반면에 산금은 수은으로 아말감을 만드는 아말감법으로 분리한 후 수은을 휘발시켜 금을 얻는다.

 

왕수에 녹인 노벨상
노벨상을 받은 보어(1885~1962)에게는 고민이 있었다. 그는 프랑크(1882~1964)와 라우에(1879~1960)가 나치의 박해를 피해 자신에게 맡겨둔 노벨상을 갖고 있었던 것이었다. 그의 것과 함께 세 개였다. 당시 독일은 오시에츠키(1889~1938)가 노벨평화상을 받은 후, 독일인들이 노벨상을 받거나 보관하는 것조차 금하고 있었다. 
그러나 독일이 폴란드에 이어 덴마크마저 침공하자 다급해진 보어는 헤베시(1885~1966)에게 도움을 요청했다. 화학자인 그는 진한 염산과 진한 질산을 3 : 1로 섞은 왕수를 이용한 화학적인 아이디어를 생각해냈다. 왕수는 금이나 백금 등을 녹일 수 있기 때문에 ‘왕의 물’이라 불렸다.
그는 왕수에 노벨상을 녹여 시약 선반에 다른 시약병들과 함께 두었다. 전쟁 후 돌아온 헤베시는 남아있던 용액에서 금을 추출해냈다. 금은 왕립 스웨덴 과학 아카데미와 노벨 재단에서 노벨상으로 재탄생하여 주인을 찾게 되었던 것이다.

 

엘도라도
금은 부의 상징이다. 많은 사람들이 금을 찾기 위해 죽음을 무릅쓰고 모험에 나섰다. “금을 가져 와라. 가능한 한 인도적으로. 그러나 어떤 위험을 무릅쓰고라도 가져와야 한다.” 콜럼버스(1451~1506)를 후원했던 스페인 국왕의 요구였다. 콜럼버스의 관심도 신대륙보다는 금이었다.
‘엘도라도’는 페루 인디언의 전설적인 통치자였다. 그는 축제 때 온 몸에 금가루를 바르고 의식 후에는 호수에 뛰어들어 씻었으며, 신하들은 보석과 금붙이들을 호수에 던졌다고 한다. 이 이야기를 들은 유럽인은 금을 찾아 페루로 몰려들었다.
1532년, 스페인의 피사로(1475~1541)는 불과 160여 명으로 아타왈파 왕을 사로잡았다. 그는 금을 석방의 요구조건으로 걸었다. 이에 잉카인들은 다섯 달 동안 5,000 kg의 금을 바쳤지만 왕은 처형되고 말았다. 결국 잉카는 멸망했고, 스페인은 약탈한 금을 바탕으로 유럽 최강국으로 떠올랐던 것이다.
이후로 엘도라도는 황금 도시를 뜻하며, 쉽게 부를 얻을 수 있는 모든 장소를 뜻하는 의미로 사용되게 되었다.

 

골드러시
엘도라도의 욕망은 골드러시로 부활하였다. 골드러시는 금광을 찾아 많은 사람들이 이동했던 현상을 말한다. 가장 유명한 캘리포니아 골드러시의 시작은 1848년 새크라멘토 강에서 발견된 금이었다.
아메리칸 드림을 품고 미국으로 건너온 모험심이 강한 청년들에게 골드러시는 벼락부자에 대한 환상을 심었다. 이로 인해 캘리포니아의 인구는 크게 불어났으며 1850년에 주로 승인됐다. 골드러시는 미국 서부 발전과 실리콘밸리의 원동력이었다.
그러나 인구의 급격한 증가로 농작물이 부족했으며 많은 사람들이 괴혈병에 걸렸다. 이로 인해 괴혈병에 효과가 있는 오렌지가 재배되기 시작했으며 최초의 오렌지 주스인 ‘썬키스트’가 탄생하기도 했다.

 

괴혈병과 비타민C
오렌지와 괴혈병은 어떤 연관이 있을까?
15세기에 돛과 범선의 발달로 장거리 항해가 활발해지면서 괴혈병은 선원들에게 흔하면서도 무서운 병이었다. 바스코 다 가마(1460~1524)의 포르투갈 탐험대는 170명이 출발했지만 2년 여 항해에서 불과 54명이 살아남았다. 많은 생명을 앗아간 것은 역시 괴혈병이었다. 
1753년, 해군 군의관 린드(1716~1794)는 괴혈병에 대한 오렌지나 레몬의 효과를 실험하였다. 그는 괴혈병 환자 12명에게 2명 씩 각각 사과즙, 식초, 묽은 황산, 바닷물, 육두구 나무 열매, 그리고 오렌지와 레몬을 처방하였다. 이들 중 괴혈병이 치료된 사람은 오렌지와 레몬을 마신 환자들이었다. 
그러나 린드는 괴혈병은 영양소 부족이 아니라 바다의 습기로 인해 땀을 잘 흘리지 못하기 때문이라 여겼다. 그리고 레몬 즙을 장기간 보존하기 위해 끓인 농축액을 치료제로 권고하였다. 그러나 열에 약한 비타민C가 파괴되어 별 효과가 없었기 때문에 그의 결과는 무시되었다. 

비타민의 보고,과일
비타민의 보고, 과일 / 위키백과(www.wikipedia.org) (CC) Bill Ebbesen

그럼에도 레몬과 오렌지가 괴혈병의 치료에 도움이 되는 것은 사실이었다. 마침내 1932년, 괴혈병은 비타민C가 풍부한 야채를 섭취하지 못했기 때문인 것으로 밝혀졌다. 대부분의 동물과 달리 사람은 체내에서 비타민C를 만들 수 없었던 것이다.
비타민C가 부족하면 다른 조직들을 결합하고 지지하는 콜라겐 합성이 차단되어 괴혈병 등에 걸린다. 콜라겐 합성 효소는 철과 결합하여 활성화되는데, 활성 산소 등에 의해 철이 산화되면 효소와 결합하지 못한다. 이 때 비타민C가 철을 다시 환원시켜 주면 콜라겐 합성 효소가 다시 철과 결합할 수 있도록 활성화되는 것이다.

 

연금술사의 꿈
유럽으로 전파된 고대 이집트의 연금술과, 불로장생약을 만들려는 중국의 연단술은 18세기의 근대 화학 발전의 원동력이었다.
그렇다면 값싼 납으로 금으로 만들 수 있을까?
1980년, 시보그(1912~1999)는 극소량의 납을 금으로 변환시켰다. 비록 프랑스, 미국, 일본 등 몇 나라에만 있는 입자가속기를 이용한 것이었지만, 오랜 인류의 꿈을 이룬 것이었다. 그러나 변환된 금의 양은 겨우 10원어치에 불과했다.
입자 가속기란 강한 전자기장으로 양성자나 전자를 빛의 속도에 가깝게 가속시키는 장치이다. 이러한 고에너지의 입자가 원자핵과 충돌할 때 생기는 입자로부터 핵의 구조를 밝혀내는 것이다. 즉, 이처럼 높은 에너지를 가진 입자로 납의 핵을 쪼개어 금을 만든 것이었다.
그렇다면 연금술사의 꿈은 실패한 것일까?
납에서 금 혹은 포도당이 알코올로 변하는 것은 모두 물질이 변화하는 것이다. 이 둘은 어떤 차이가 있을까?
포도당의 발효에서는 전자가 이동하지만, 납의 변환은 핵 안의 양성자 수가 달라진다. 전자의 이동은 수천 도로 충분하지만, 핵의 변화는 수억 도의 온도가 필요하다. 이러한 에너지의 입자를 만들려면 입자가속기가 필요한 것이다. 

입자가속기연구소

페르미 국립 입자가속기 연구소 / United States Department of Energy 퍼블릭 도메인

지금은 납보다 싼 물질에서 금보다 비싼 물질들을 만들고 있다. 나노 크기의 셀렌화카드뮴은 금보다 수 천 배 비싸다. 아스피린과 페니실린, 키니네는 수많은 인명을 구했다. 염료와 나일론은 의류 혁명을 가져왔다. 연료와 합금 소재의 개발은 아폴로 11호를 발사케 하였으며, 반도체와 이차전지는 모바일 혁명을 일으켰다. 연금술에서 시작한 화학으로 연금술사의 꿈이 이루어지고 있는 것이다. 

 

러더퍼드의 금박
돌턴(1766~1844)의 원자설은 1896년 베크렐(1852~1908)의 방사선 발견과 1898년 퀴리부부의 폴로늄과 라듐의 발견으로 그 수명이 다하고 있었다. 1909년, 러더퍼드는 조교인 마르스덴(1889~1970)과 가이거(1882~ 1945)와 함께 실험을 시작했다. 
톰슨은 음극선관 실험으로부터 전자를 발견하였다. 그는 원자는 호박떡처럼 전자가 여기저기 박혀 있는 원자 모형을 제시하였다. 러더퍼드는 이것이 사실이라면 높은 에너지를 갖는 알파 입자는 가벼운 전자를 흩으면서 원자를 쉽게 통과할 것으로 믿었다. 이것을 확인하려면 얇은 금속박이 필요했다.
어떤 금속을 사용할 것인가?
그것은 금이었다. 그는 두께가 0.05 mm인 금박에 알파입자를 초속 약 16,000 km로 발사하였다. 금박 뒤에는 알파입자가 충돌할 때 빛을 내는 형광스크린이 있었다. 마르스덴과 가이거는 캄캄한 실험실에서 스크린에 나타나는 빛의 위치와 수를 기록하기 시작했다. 대부분은 예상처럼 그냥 통과했다. 그런데 놀랍게도 수천 번에 한 번은 반대로 튕겨져 나왔다. 

입자산란실험
러더퍼드의 알파입자 산란실험(1, 3: 알파 입자, 2: 방사선원, 4: 황화아연 스크린, 5, 7: 산란된 알파 입자, 얇은 금박) / 위키백과(www.wikipedia.org)  (cc)  Sundance Raphael

그것은 놀라운 사건이었다. 엄청난 속도의 입자가 얇은 금박에서 튕겨져 나간 것은 총알이 얇은 휴지에 튕겨난 것과 같았다.
그 이유는 무엇일까?
러더퍼드는 새로운 원자 모형을 제시하였다. 원자는 돌턴의 주장처럼 단단하지 않았으며, 톰슨의 주장처럼 호박떡 같지도 않았다. 원자 안에는 무언가 매우 무겁고 단단하며 양 전하를 갖는 입자가 있었다. 즉 원자핵이 있었던 것이다. 

원자모형 
보어와 러더포드 원자 모형의 차이/ 위키백과(www.wikipedia.org)  (cc)Fastfission

 
원자핵 안에서 양성자와 중성자가 발견되었다. 이것들은 초고속의 입자들에 의해 작게 분열하거나 더 크게 융합할 수도 있었다. 원자핵의 발견은 연금술사들이 꿈꾸었던 원소들의 변환을 가능케 하는 시작이었다. 그것은 아이러니하게도 금에서 출발된 것이다.  
 
마이다스의 손
프리기아 왕 마이다스의 궁전에는 잘 가꾸어진 장미 동산이 있었다. 어느 날, 시종들이 동산에서 장미를 손질하다가 술에 취해 잠든 한 노인 발견하였다. 그는 술의 신 디오니소스의 스승 세일레노스였다. 마이다스는 그를 정성껏 대접하여 돌려보냈다.
크게 기뻐한 디오니소스는 마이다스에게 소원을 들어주겠다고 약속했다. 왕은 손으로 만지는 것은 모두 황금이 되길 원한다고 소원을 말했다. 잠시 후 마이다스가 나무를 만지자 황금으로 변했다. 그는 크게 기뻤다.

마이다스의 손

마이다스의 손

그러나 그것은 잠시였다. 스푼을 들자 스푼은 황금으로 변했다. 스푼으로 뜬 수프도 황금으로 변했다. 마실 물도, 나무도, 심지어 그의 딸도 그가 손을 대자 황금으로 굳어 버렸던 것이다. 끝없는 욕망의 추구의 끝은 행복이 아닌 불행을 가져온다는 가르침을 담고 있는 것이다.

 

주제!
물질
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