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유기물 (organic compound)

무기물과 유기물, 이 둘의 차이는 무엇일까요? 명칭에서 보듯이 '무'와 '유'의 차이 즉 '없고' '있고'의 차이입니다. 즉, 탄소 화합물이 없으면 무기물, 탄소화합물이 있으면 유기물이라고 정의합니다.

1807년 스웨덴의 화학자 베르젤리우스는 물질을 유기물과 무기물로 구별했다. 유기물은 무기물과 달리 생물체 중에 있는 생명력과 관계가 있다고 믿었다. 이를 생기론(Vitalism)이라고 한다. 베르젤리우스는 유기화합물은 생물체의 생명력에 의해서만 만들어지는 것으로 동식물의 체내에만 존재하고 인공적으로 합성할 수 없다고 생각했다.

이와 같은 분류는 생명 현상에 관련되어 만들어지는 화합물은 모두 탄소 화합물이므로, 무기물로부터는 만들 수가 없다는 생각에서 유래된 것이다. 유기물은 탄소를 포함하고 있는 화합물로 열을 가하면 연기를 내면서 타고 그 과정에서 에너지를 낼 수 있다. 생물체는 탄수화물, 지방, 단백질과 같은 유기물과 물, 칼슘, 칼륨, 마그네슘과 같은 무기물로 구성되어 있다.

하지만, 탄소를 함유하고 있어도 무기물인 것이 무수히 많습니다. 금속의 탄화물(Fe3C,CaC2,WC,등 Metal Carbides), 금속의 카보닐화합물(Fe(CO),Ni(CO)4,등), 탄산과 탄산염들(H2CO3, CaCO3,등)

유기물 (organic compound) 보다는 탄소 화합물(carbon compound) 가 더 본질에 맞는 표현이다.

탄소화합물이란 것은 탄소원자, C를 중심으로 수소를 비롯한 몇 가지 원소, 탄소, 수소, 산소, 질소 등으로 이루어진 물질을 말하며 생명체만이 가지고 있거나 이들이 만들어내는 물질을 말합니다.

탄소는 지금까지 존재가 확인된 114종의 원소 중에서 6번째로 가벼운 원소다. 아득한 옛날 태양보다 큰 별들이 수명을 다할 때 일어나는 초신성 폭발 과정에서 만들어진 탄소가 지천으로 널려있는 것은 아니다. 탄소는 태양 질량의 0.29%에 불과하고, 지구에서도 12번째로 흔한 원소일 뿐이다. 그렇다고 탄소를 함부로 여길 수는 없다. 탄소가 나타내는 놀라운 수준의 화학적 다양성 때문이다. 지금까지 알려진 7000만 종이 넘는 화학물질 중 절대 다수가 탄소로 만들어진 것이다. 서열과 구조가 분명하게 확인된 단백질과 DNA의 수도 6000만 종이 넘는다.

외각전자가 4개라는 사실은 탄소가 다른 어떤 원소보다 다양한 화합물을 만들 수 있다는 가능성을 나타낸다. 지금까지 알려진 1천만종에 가까운 화합물 가운데 탄소가 다른 원소와 결합해 이뤄진 화합물이 대부분을 차지하고 있으니 그 다양성이 어느 정도인지 짐작할 수 있을 것이다. 이렇게 탄소와 결합한 화합물을 탄소화합물 또는 유기화합물이라고 한다.

화합물의 backbone - 탄소는 Super flex : 요술쟁이 네 개의 팔로 온갖 조화 부린다. - 탄소는 Super power : 가장 단단한 구조물을 만든다

이렇듯 엄청난 수의 탄소화합물이 만들어질 수 있는 중요한 이유는 탄소가 수소, 질소, 산소, 황 등의 비금속 원소와 안정한 공유결합 화합물을 만들기 때문이다. 또 탄소가 다른 원자와 결합할 수 있는 최외각 전자가 4개라는 사실과 적절한 크기(0.077nm)를 갖고 있는 것도 다양한 화합물을 만들 수 있는 중요한 이유다. 탄소와 같이 4개의 외각전자를 가지고 있지만 크기가 0.118nm으로 너무 커서 탄소처럼 온갖 조화를 부리기 어려운 원소가 바로 규소(Silicone, Si)다. 또 탄소화합물은 탄소의 수가 증가할수록 사슬 모양, 가지모양, 고리 모양 등의 다양한 구조를 만들 수도 있다. 만약 과학자들이 조물주가 돼 새로운 생명체를 탄생시킨다면 무엇보다도 탄소를 이용할 것이라고 하는 이유도 여기에 있다.

생명의 원소인 탄소는 지구 환경에서 생명현상을 유지하기 위해 다음과 같은 여러 생명조건을 충족하고 있다.

첫째 생체 구성물은 에너지를 함유하고 전환하는 작업이 용이해야 한다. 둘째 생체 구성물의 조립과 분해가 용이해야 한다. 셋째 생체 구성물은 구조적 다양성을 수용할 수 있어야 한다. 넷째 생체 정보인 두뇌정보, 유전정보, 구조정보 등을 수용하고 처리할 능력이 있어야 한다. 다섯째 지구상에 풍부하게 존재해야 한다.

4개의 전자가 외각전자로 있다. 이들 외각전자가 어떤 배치를 하느냐에 따라 흑연이 될 수도 있고 다이아몬드가 될 수도 있다. 4개의 전자가 공유결합을 위한 팔을 뻗어 정사면체의 꼭지점에서 다른 탄소와 결합을 하면 전기전도성이 없는 다이아몬드가 된다. 물론 결합력은 강해 경도가 높다.

우선 탄소는 공유결합(covalent bond)을 하는데 최적의 조건을 가지고 있으며 생명체를 이루는 다른 원자들 특 수소. 질소. 산소. 황, 등의 비금속 원소와 안정한 공유결합 화합물을 만들 수 있다. 여기서 공유결합이란 2개의 원자들이 원자가전자(valence electron)의 전자쌍을 서로 공유하여 결합을 이루는 상태라고 말할 수 있다. 그런데 탄소는 가장 바깥 껍질에 4개의 전자들을 가지고 있다. 이 4개의 전자들이 옥텟(octet) 규칙에 의하여 다른 원소들의 각각의 전자들과 4번의 공유결합을 할 수 있게 된다. 그러나 이러한 의문을 가질 수 있을 것이다. “생명체들은 왜 공유결합이 필요하며, 원소들은 그냥 가만히 있을 것이지 공유결합을 하려고 하는 것인가?” 생명체에게 공유결합이 필요한 이유는? 화학결합의 종류는, 이온결합, 공유결합, 배위결합, 수소결합들이 있는데 이중 생명체에서 적합한 화학결합은 이온결합과 공유결합 두 개로 꼽을 수 있는데 세포속의 물 때문에 이온결합은 결합이 쉽게 부숴지는 경향이 있어서 생명체에서의 가장 적합한 화학결합은 공유결합이라고 말할수 있는 것이다. 원소들은 왜 공유결합을 하려고하는 것인가? 그 이유는 원자핵 주위를 돌고있는 전자들 중에서 가장 바깥껍질에 있는 전자(원자가 전자)가 8개 일 때 매우 안정한 상태가 된다. 여러분들은 안정한 상태이고 싶은가 아니면 불안정하고 싶은가? 누구에게 물어보아도 편하고 행복한 안정한 상태가 되고들 싶을 것이다. 아마도 원자역시 안정하고 싶을 것이다. 그러니 안정한 상태인 원소들(불활성 기체)을 빼고는 모든 원자들 역시 원자가 전자8개 이도록 만들고 싶을 것이다. 그래서 공유결합을 할 수 있다. 이것이 옥텟규칙이다. 본론으로 되돌아와서 즉, 탄소가 4번의 공유결합을 할 수 있다. 그러면 가장 바깥껍질에 4개의 전자를 가지고 있는 원소들 특 14족 원소들 규소, 저미늄, 주석, 남도 탄소와 같이 최적의 공유결합을 할 수 있는 요소들이라고 할 수 있다. 하지만 규소 다음부터인 저미늄부터는 금속이며 옥뎃규칙은 d오비탈 이상이 되면 옥텟규칙이 거의 작용하지 않는다고 봐야된다.

규소가 아닌 탄소가 선택받은 이유는? 첫 번째 특징은 위 규소의 특징과 같이 규소는 탄소보다 큽니다.

약 탄소의 크기는 0.077mm 정도이며 규소의 크기는 0.118mm 정도라고 합니다. 0.041의 크기 차이인데 규소는 거의 탄소의 절반정도가 더 크다는 말인데 이렇게 규소가 크면 상대적으로 다른 원소들과 다양한 결합을 하기 힘들어지며 결합을 통하여 형성된 화합물들이 세포를 이룰 때 그 크기가 상대적으로 비대해 질 거라고 봅니다. 세포의 가장 큰 특징인 “작다 왜? 부피에 비해서 표면적이 늘어나닌까” 라는 특징에 규소는 효율적이지 못합니다. 뭐 그러면 생물체 전체가 모두 커지면 되지 않겠느냐 라고 생각할 수 있습니다. 그럼 두 번째 특징을 한번 보겠습니다.

두 번째 특징은 규소화합물은 탄소화합물보다 결합강도가 강합니다.

결합강도가 강하면 좋은 것이 아니냐? 뼈도 잘 안 부러지고 잘 다치지도 않으며 강한 힘을 낼 수도 있고 수명도 길어 지겠지요 하지만, 반대로 생각해보면 생체구성물의 조립과 분해가 용이하지 않으며 필요치 않고 해가되는 물질들은 없어 버려야하는데 그러지 못하게 됩니다. 뿐만 아니라 대사 작용시 생산되는 ATP 가지고 에너지를 사용하는데 ATP 생산과정에서 링크를 끊음으로 인하여 에너지를 생산시키는데 그 링크를 부수지 못하여 에너지 생산에 차질이 생기게 되며 그 외 세포분열, 단백질합성 등 모든 생명현상에서는 모두 탄소를 끊었다 붙였다 하며 여러 대사 작용을 하는데 결합강도가 높아져서 결합되지도 끊어지지도 않는다면 DNA생성, 단백질 합성, 성장, 생식 등 어떠한 생명현상도 일어나지 않을 것입니다.

마지막 세번째 상온에서의 규소와 탄소의 성질 때문입니다.

탄소-산소 즉, Co₂는 기체로 존재 하고 있는 반면에 규소-산소 화합물은 상온에서 고체로 존재하기 때문입니다. Co₂즉 이산화탄소는 1차 생산자인 식물에서 에너지 소스로 섭취가 가능하지만 규소-산소 화합물인 석영은 식물이 에너지 소스로 사용하려면 석영을 잘게 부수어서 사용하여야하는데 식물에게는 잘게 부수는 능력이 없지요. 그러면 규소-산소 화합물을 기체로 섭취 하려면 되어야한다면 평균온도는 몇 백도가 되어야 할 것입니다. 이러한 환경에서는 생명체가 살 수 없을 것입니다. 즉, 규소는 탄소보다 크고, 결합강도가 높으며, 상온에서 고체 상태를 이룹니다.

http://www.seehint.com/word.asp?no=11662

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10.3 KB 유기물.txt · 마지막으로 수정됨 2017/03/16 11:42 저자 V_L V_L

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