d라이브러리

1865년 어떤 과학자가 꿈속에서 한 문제를 풀었다. 이제 1세기와 4분의 1이 지난 후 과학자들은 드디어 가능한 가장 직접적인 방식으로 그 일을 조사해 보았다―그리고 놀랍게도 꿈 속에서 푼 그 방법은 옳았다는 판명이 난것이다.

이 일의 전말은 다음과 같다. 1860년대초 과학자들은 원자가 분자를 형성하기 위해 서로 결합하는 방식을 연구하고 있었다. 화학자들은 분자의 원자결합방식을 이용하여 분자의 성질을 설명하였던 것이다. 원자가 결합된 방식에 대한 몇가지 간단한 법칙에 의존하여 방울장난감(딸랑이)처럼 보이는 모형을 만들어 냈으며 그 모형으로 무수한 화학실험의 결과를 규명하였던 것이다.

그러나 이러한 노력에서 주도적 역할을 했던 '프리드리히 케쿨레'라는 독일의 화학자는 방울장난감 모형으로는 설명할 수 없는 중요한 문제에 부딪치게 되었다.

이는 벤젠이라 불리는 화합물에 관련된 문제로서 케쿨레는 벤젠 분자는 6개의 탄소원자와 수소원자로 구성되어 있으나 그것들을 적절히 조합할 방법을 알 수 없었던 것이다. 어떤 방식으로 원자를 결합시키더라도 벤젠 분자는 매우 활동적인 형태로 구성되어졌던 것이다―즉 다른 원자나 분자와 매우 용이하게 결합하도록 구성되는 것이었다.

불행히도 벤젠은 실제 그렇게 활동적으로 움직이지는 않는다. 오히려 다른 원자나 분자와 상당히 결합하기 어려운 매우 안정된 화합물인 것이다.
이러한 모순이 존재하는한 방울장난감 모형 전체가 의혹의 대상이 되는 것이며 화학자들은 새로운 종류의 모형을 찾아야 하는 어려움에 처하게 되었다.

케쿨레는 이문제를 수년간 연구하였다. 그는 탄소와 수소원자를 가능한 모든 방식으로 배열해 보았으나 만족할만한 모형을 찾을 수 없엇다. 케쿨레는 그가 어떻게 우연히 해결책을 알아냈는지를 손수 기록해 놓았다. 벨지움의 '겐트'거리에서 케쿨레는 재직중인 대학으로 합승마차를 타고 천천히 달려가고 있었다. 그는 피곤하였으나 늘 그렇듯이 그가 전념하고 있던 벤젠에 대하여 생각하고 있었다. 졸음에 빠졌으나 그는 자는 중에도 문제에 대한 생각을 떨쳐버릴 수가 없었다. 그는 탄소원자의 사슬에 대하여 꿈을 꾸었다. 탄소원자는 수소원자에 이리저리 꼬여서 결합되어 있었다. 그리고 꿈속에서 원자의 사슬이 갑자기 곡선을 이루면서 한쪽이 다른 한쪽의 끝에 연결되어 작은 6각형을 형성하면서 끊임없이 회전하였다.

그는 놀라서 깨어났다. 해결책을 얻었다고 깨달았다. 6개의 탄소원자는 수소원자와 이리저리 결합하면서 직선을 이룰 것으로 생각하는 것이 그당시의 통념이었다. 그러나 6개의 탄소원자가 고리를 형성하면 어떻게 될까?

그는 실험실로 돌아가서, 벤젠분자가 6개의 원자로 구성된 고리를 형성하고 있으며 수소원자가 각각에 결합되어 있다고 생각하였다. 그러한 배열은 대칭을 이루어 분자가 매우 안정적일 수 있는 것이다. 그는 다른 원자가 고리에 결합될 수 있는지를 생각해 보았으며 자신의 생각이 분자가 실제로 활동하는 방식과 정확히 일치하는 것을 알 수 있었다. 예를들어 2개의 염소원자가 2개의 수소원자를 대체하고 있는 방식은 모형에서나 실제에서나 오직 3가지 방식밖에 없는 것이다. 6개의 탄소고리 이론은 그후 계속 인정받아왔다. 고리로 연결되었다는 그 자체만으로 분자의 안정상태를 확실히 증명할 수 없었으나, 20세기초 원자는 가벼운 전자에 둘러 싸여 있는 작은 원자핵으로 구성되어 있음이 알려졌다. 원자간의 결합을 위해 상호작용을 하는 것은 전자이다. 1932년 '리누스 폴링'은 벤젠같은 분자의 경우 전자간의 상호작용은 매우 안정적인 상태를 유지한다는 것을 입증하였다. 그러나 케쿨레 이래로 벤젠에 대하여 발견된 모든 화학적 사실들은 각각의 분자는 작은 6각형의 탄소 원자고리라는 가설을 뒷받침하는 것이었으나 그 증거는 모두 간접적인 것들이었다.

마침내 1981년 주사형 터널식 현미경이라는 기구가 IBM에서 발명되었다. 극도로 가는 텅스텐 바늘이 진공에서 전자를 방사하여 방사된 전자가 물체의 표면에서 반사될때 표면이 어떤형태로 보이는가를 컴퓨터가 계산하는 기구로서 표면이 매우 상세히 관찰되어 원자의 형태를 알 수 있는 것이다.

고체벤젠의 표면에 전자가 반사되도록 해보면 흥미로운 것이나 전류 전도에 필요한 성질을 벤젠은 가지고 있지 않다. 더우기 고체의 형태에서도 벤젠분자는 매우 활동적으로 움직여 사진이 잘 보이지 않을 정도로 희미해진다.
벤젠을 안정상태로 만들기 위해 일산화탄소와 결합시킨 다음 전류를 전도하는 로듐으로 그전체를 감쌌다. 드디어 올해에야 사진을 얻을 수 있었던 것이다. 그 사진은 6각형의 탄소고리 형태를 보여주고 있었다. 과학자들은 케쿨레의 꿈을 실제로 볼 수 있었으며 그 꿈은 옳았던 것이다.

In 1865, a chemist solved a problem in a dream, and now, a century and a quarter later, scientists have finally checked the matter in the most direct possible manner-and, behold, the dream-solution turns out to have been correct.
It came about in this way. In the early 1860s, chemists were learning the manner in which atoms combined with each other to form molecules. The system they used explained the properties of molecules in terms of their atom connections. A few simple rules about the manner in which each kind of atoms hook up to others produced models that looked like Tinker Toys, and that clarefied an enormous number of chemical observations.
Leading in this effort was a German chemist named Friedrich A. Kekule, who was, however, stumped by one important problem the Tinker-Toy models didn't seem to solve.

This involved a compound named benzene. Kekule knew that each benzene molecule was made up of six carbon atoms and six hydrogen atoms, but there seemed no way of fitting them together properly. No matter how they were put together, the result was the kind of molecule that ought to be very active-that ought to combine with other atoms and molecules easily. Unfortunately, that was not how benzene behaved in real life. It was a very stable compound that combined with other atoms and molecules only with considerable difficulty.

As long as this discrepancy existed, the whole Tinker-Toy system was suspect, and chemists did not relish having to look for a new kind of model.
Kekule spent years on this problem. He arranged the carbon and hydrogen atoms in every conceivable way but failed to find a satisfying model. He himself described what happened to give him a solution.
He had taken a horse-drawn bus that carried him slowly along the streets of Ghent, Belgium, toward the university where he was teaching at the time. He was tired and, of course, was thinking of the benzene problem, which con sumed all his thoughts.

He fell into a doze and even while sleeping, the problem did not leave him. He dreamed about chains of carbon atoms, twisting this way and that as they attached themselves to hydrogen atoms. And, in the dream, a chain of atoms suddenly curved so that one end hooked to the other end and formed a tiny hexagon of carbon atoms, spinning endlessly.
He woke with a start and realized he had the solution. Everyone had been taking it for granted that six carbon atoms would form a straight line with hydrogen atoms attached here and there. But what if the six carbon atoms formed a ring?

Back in his laboratory, he considered a molecule of benzene as consisting of a ring of six carbon atoms, with one hydrogen atom attached to each. Such an arrangement was very symmetrical, which should give the molecule considerable stability. He considered the way in which other atoms could attach themselves to such a ring and found that the predictions exactly matched the way the molecule behaves in reality. There were, for instance, just three ways in which two chlorine atoms could substitute for two hydrogen atoms, both in the model and in reality.

The six-carbon ring has been accepted ever since.
Just the ring itself didn't quite account for the stability, to be sure, but in the early 20th Century it was found that atoms consist of tiny nuclei surrounded by light electrons. It is the electrons that interact with each other to form bonds between atoms. In 1932, Linus Pauling showed that, in the case of molecules like benzene, the electrons' interaction produces a very stable situation.

But though every chemical fact discovered about benzene since Kekule's time went to strengthen the suggestion that each molecule is a ring of carbon atoms shaped like a tiny hexagon, the evidence was all indirect.
Finally, in 1981, a device called a Scanning Tunneling Microscope was invented at IBM.
It consisted of an extremely fine tungsten needle that emits electrons in a vacuum. These electrons bounce off the surface of material. From the reflection of those electrons, a computer can calculate what the surface doing the reflecting looks like. The surface could be seen in such detail that the atoms themselves could be made out.

It would be interesting to bounce electrons from a surface made of solid benzene, but something that conducted electricity was needed, a property benzene didn't have. What's more, even in solid form, benzene molecules move about so much that the picture was to fuzzy to show much.
The benzene was combined with carbon monoxide to keep it steady, and the whole bound to rhodium metal, which conducts electricity. Pictures were then obtained at last, just this year. And what they showed was carbon rings in the shape of hexagons. Scientists could see Kekule's dream, and it was correct.
(c) 1988, Los Angeles Times Syndicate