물리화학

物理化學
Physical Chemistry

1 개요

물리화학은 화학적 현상의 물리적 근원을 이해하는 것이 목표인 분야이다. 양자화학, 화학 통계열역학, 화학반응속도론이 주된 분야이며, 고분자화학, 표면화학, 광화학, 분광학[1], 전기화학[2], 물리유기화학, 생물리화학 역시 물리화학의 범주에 들어간다.

2 특징

화학 현상의 물리적 근원을 다룬다는 것은, 거시적으로 나타나는 물질의 현상을 원자, 전자, 분자, 에너지와 같은 물리학의 용어로서 설명한다는 뜻이다. 따라서 물질의 에너지 준위는 어떠한지(양자화학), 전자, 분자가 그러한 에너지 준위에 어떻게 분포해 있으며(통계역학), 그로 인해 화학 반응은 어떤 방향으로 일어나고(열역학), 또 그 속도와 메커니즘은 어떠한지(반응속도론)와 같은 질문이 물리화학이 근본적으로 답하고자 하는 물음이 되는 것은 자연스럽다. 그러나 물리화학이 단지 다른 화학 분야의 이론적 바탕을 제공하기 위해 존재하는 분야는 아니며, 오늘날 산업에서 쓰이는 수많은 소재와 촉매 개발을 촉진하여 인류 생활을 윤택하게 한 고마운 분야이다.

또, 다른 화학 분야가 다루는 대상에 의해 정의된다면 물리화학의 제 분야는 어떤 물리적 원리와 화학 현상을 연결지을 것인지에 의해 정의된다. 예컨대, 광화학은 전자기파와 물질의 상호작용을 연구하고, 열화학은 열과의 상호작용, 전기화학은 전류와의 상호작용, 방사화학은 방사선과 물질과의 상호작용, 기계화학은 역학적 변형이나 진동, 충격과의 상호작용을 연구한다.

아주 비슷한 이름의 화학물리학이라는 분야가 있는데, 거의 같고 굳이 구분하자면 물리화학은 거시적인 성질에 더 주목하고 화학물리학은 미시적인 근원에 더 관심이 많는 것 정도가 차이라고 하지만... 사실은 화학자는 물리화학이란 이름을 좋아하고 물리학자는 화학물리학이란 이름을 좋아한다는 것 정도가 차이.[3][4]

3 교육

고등학교의 경우 화학2의 2,4단원이 여기에 해당한다.

3.1 대학교 학부과정에서의 교과목 이름

줄여서 피씨(PC)라고 부르는 학생들이 많다. 화학을 전공하는 학생들은 보통 학부 2학년때 배우기 시작하며, 그 덩치가 덩치이다보니 2학기는 기본이고 가끔 3학기에 걸쳐 배우기도 한다. 물론 한 학기에 그 두꺼운 Atkins 책 전체를 미친 듯이 나가는 헬게이트를 여는 일도 있다 다른 화학과 마찬가지로 물리화학의 범위도 매우 넓은데 학부 물리화학에서 주로 공부하는 토픽은 열역학, 통계역학, 고체/액체 물리, 분광학, 화학 동역학, 반응 속도론, 양자역학, 분자 대칭론[5] 등이 있다. 그 중에서 필수적으로 들어가는 토픽은 열역학, 양자역학, 통계역학, 화학 동역학 정도. 하지만 지나치게 방대한 내용을 2-3학기에 가르치는 관계로, 몇몇 토픽(특히 양자역학)은 물리학과 강의의 열화버전이 되어 버리기도 한다. 필수 선행과목은 미적분학과 선형대수. 특히 선형대수를 못 하면 양자 파트에서 좋은 점수를 받기 힘들다. 화학과 이외에 다른 학과에서도 배우지만 주로 학과의 성향에 따라 선택적으로 가르친다.

워낙 수식이나 계산 문제와 씨름할 일이 많다보니 수치해석 프로그램 하나 정도는 꼭 다룰 줄 알아야 한다. 대부분 MS 엑셀이나 오리진만 제대로 쓸 줄 알아도 상당부분 커버가 되지만 그 외에 매스매티카나 매틀랩(MATLAB)을 사용할 것을 권장하는 경우도 있다. 그래서인지 왠지 유기화학과는 상극의 속성으로 그려진다.

3.1.1 교재

가장 유명한 교재로는 화학을 전공하는 학생들이라면 다 아는 P. W. Atkins의 Physical Chemistry가 있다.[6][7] 칼라풀하고 그림이 많이 나오며 번역 판이 있다는 것은 Mcquarrie책과 비교하면 확실한 장점이지만 악명 또한 높다. 일단 소개하는 내용 자체는 많지만 논리적인 개념 전개라는 측면에서는 많이 미흡하여 이런 개념이 왜 나오는지, 그리고 어떻게 적용하는지에 대해 계속 의문이 들게 된다. 특히 양자 파트가 기초부터 차근히 나가지 않아 어렵다는 말을 많이 듣는다.[8] 번역판 역시 연식이 있으신 분이 번역해서 그런지 말투가 번역어투적이고, 용어도 지나치게 딱딱하게 번역되어있다.

추가적으로, 저자가 Atkins와 Paula로 같은 Physical Chemistry for Life Sciences도 있으며 이는 앳킨스 물리화학에서 생명과학과 가장 밀접한 것만 뽑아 낸 버전이라고 보면 된다.

그리고 인지도는 낮지만 흔히 빨간 벽돌책[9]이라고 부르는 McQuarrie & Simon의 Physical Chemistry: A Molecular Approach[10]도 세계적으로 많이 쓰인다. 당장 이 두 책만 비교해봐도 알 수 있지만 물리화학 책들의 내용 배열 순서는 매우 다르고 다루는 범위도 차이가 많이 난다.

이 외에도 위의 두 책처럼 엄청난 파괴력을 가지고 있지는 않지만 Levine[11], Engel/Reid 책도 있다. Engel/Reid 책은 집필 의도가 "앳킨스 할아버지 죽으면 내가 그 자리 먹어야지"가 아닐까 싶을 정도로 앳킨스와 유사하다. 앳킨스 쓰던 학교가 Engel/Reid로 바꾼 경우도 있을 정도. 그러나 단점으로 번역판에서 연습문제의 번역이 이상한 경우가 종종 발견되므로 원서나 솔루션이 요구된다.

3.1.2 물리화학실험

이 과목에는 실험도 병행되는데, 유기화학이나 무기화학 실험에 비해 약품 냄새가 덜 난다. 즉, 기기에 크게 의존한다. 학교마다 다르겠지만 여러가지로 분석화학 실험이나 기기분석 실험과 비슷하다. Bomb calorimeter로 열용량과 엔탈피 구하는 것은 간단하니까 많이 하며, UV-Vis를 찍기도 하고, viscosity를 측정하기도 하고, 컴퓨터 시뮬레이션을 돌리기도 한다.

3.2 대학원에서의 관련 과목

위에 열거한 각 토픽들이 독립된 클래스로 개설되는 것은 기본이며, 전체적으로 한 단계 위의 내용을 배우는 고급(advanced)물리화학, 다른 화학분야와 짬뽕시킨 물리생화학[12], 물리유기화학[13]도 있고 그 외에 각종 분광학(Spectroscopy)이라든지 레이저 화학, 양자화학, 펨토초 화학, 전산 화학 등 과목 종류는 많다. 물론 이게 한 번에 다 개설될리는 없고(...) 실제로 가르칠 능력이 있는 교수가 있는지 없는지에 따라 과목 개설 여부가 결정된다.

4 대학원에서의 연구 분야

다른 화학 분야에 비해 이 물리화학을 전공으로 택하는 학생은 많지 않은 편이다. 화학과에서 물리화학을 수월하게 할 수 있을 정도로 수학 및 물리 실력이 좋은 사람의 비율이 높지 않기 때문.[14] 그리고 물리화학을 정말로 좋아하는 학생들은 물리학을 복수 전공하기도 하며, 아예 학부에서 물리학을 전공하고 화학과 대학원에 진학하여 물리화학을 공부하기도 한다.[15] 보통 물리화학을 연구하는 실험실에는 기계들이 들어차있고 화학 약품이나 실험 기구는 별로 없다. 특히 물리화학의 주요 세부 학문인 전산(계산)화학의 경우 실험실에 정말로 컴퓨터만 있고 비커가 하나도 없다. 있어도 연필꽂이로 쓴다.

화학의 다른 분야들과 비교했을 때 상당히 이질적으로 평가받는 관계로, 타 전공자들은 물리화학 전공자들을 P-Chem 등의 약어로 줄여 부른다. 물론 물리화학 전공자들끼리도 서로 말 안 통하는 게 함정
  1. ↑ 분석화학의 한 분야로 볼 수도 있다.
  2. ↑ 전기분석은 분석화학의 한 분야로 볼 수도 있다.
  3. ↑ 예를 들어, AIP나 arxiv에서는 화학물리학이라는 이름을 쓰지만 ACS에서는 물리화학이라는 용어를 쓴다. RCS는 절충안인지 뭔지 Physical Chemistry Chemical Physics, 흔히 PCCP라고 부르는 저널을 만든다.
  4. ↑ 근데 화학물리학 저널 편집자는 대개 화학자이다.
  5. ↑ 분자 대칭론의 경우 무기화학 첫 장에서도 가르친다. 여기에서는 분자 대칭에 따라 기저함수를 깔끔하게 정의하는 데에 주목한다.
  6. ↑ 2016년 10월 기준 원서는 10판까지, 번역본은 9판까지 출간되었다. 1000페이지정도에 60000원 조금 넘는 가격을 자랑한다.
  7. ↑ 심지어 비 화학과라도 물리화학 시간에 앳킨스를 쓰기도 한다.
  8. ↑ 다른 의견도 있다. 다른 교과서랑 함께 비교하면 McQuarrie의 양자 파트가 약간 쉬운 거지 Atkins가 특별히 어려운 건 아니다. 스핀이나 고분자 같이 비교적 덜 중요한 내용을 제외하면 책 전체 분량은 다른 경쟁 교재에 비해 많은 것도 아니다. 그리고 학부생 중 많은 수가 관련 다른 전공과목을 수강하지 않고 졸업하는 것을 감안하면 이때 살짝 배워두는 것도 나쁘지 않다. 물론 실제 수업에서는 시간 관계상 다루지 않는 경우가 많다.
  9. ↑ 참고로 이건 한국에서만 쓰는 표현은 아니다!
  10. ↑ 처음에 보면 그 어마어마한 두께 때문에 경악하게 되지만 의외로 학부 교재로서의 평은 앳킨스보다도 좋은 편이다. 주로 초반의 양자 파트가 호평을 받기에 이 부분만 따로 나온 2판도 존재. 특히 중간중간에 삽입된 수학 파트는 수학이 부족한 학생에게 꽤 도움이 된다. 이 교재에서 수학 파트만 따로 수업하는 경우도 있을 정도.
  11. ↑ 이쪽은 대학원용 양자화학 책으로 유명하다. 특히 양자화학의 역사를 서술한 뒷부분은 전공자라면 반드시 필독.
  12. ↑ 이쪽은 생화학을 전공하는 학생들에게 필수로 요구하는 경우도 많다.
  13. ↑ 이 쪽 역시 유기화학을 전공하는 학생들에게는 거의 필수로 요구한다.
  14. ↑ 이런 재능이 있는 학생들은 주로 물리학과를 택한다.
  15. ↑ 복수전공까지는 아니더라도, 몇몇 과목은 여건이 되면 물리학과 버전으로 다시 듣는 것이 많은 연구실에서 권장된다. 전산화학 전공자라면 양자역학 및 통계역학, 레이저 전공자라면 광학 정도.