염료와 화학 공업

  요즘에야 우리 모두 색깔이 현란한 옷을 입고 다니지만 예전에는 특수 계층만이 값비싼 천연염료로 물들인 옷을 입는 혜택을 누릴 수 있었다. 옷감을 물들이는 화학적 기술의 역사는 아마도 인류의 역사만큼이나 길 것이다. 처음에는 풀잎이나 열매에서 옷감을 물들이는 염료를 우연히 발견하게 되었을 것이다. 우리 선조들도 치자나 쪽, 창포로 옷감을 물들였던 기록을 갖고 있다.

  역사에 남아 있는 가장 오래된 본격적인 염료는 '인디고'라는 것이다. 4천 년 전의 이집트 왕실 무덤에서 인디고로 물들인 옷을 입은 미라가 발굴된 적이 있다. 그러나 이런 천연염료는 매우 귀중했기 때문에 일반인들은 사용할 수 없었다. 고대 로마인들은 지중해 지역 특산의 달팽이가 분비하는 맑은 액체를 효소로 처리해서 '로열 퍼플'이라는 짙은 보라색 염료를 만들었다. 로열 퍼플은 왕립 공장에서만 만들 수 있었고 다른 곳에서 이 염료를 만들면 사형에 처해졌다고 한다. 전체를 로열 퍼플로 물들인 옷을 입을 수 있는 사람은 왕이나 감찰관 또는 승전 장군뿐이었다. 극소수의 치장을 위해서 얼마나 많은 달팽이가 희생되었는지는 쉽게 짐작할 수 있을 것이다. 무려 1만 2천 마리의 달팽이를 잡으면 겨우 1.4 g의 염료를 얻을 수 있었다고 한다.

  그 후 교역이 활발해짐에 따라 따뜻한 지역에서 자라는 인디고페라 속의 향료 식물에서도 비슷한 염료를 얻게 되어서 더 많은 사람들이 염색된 옷을 입을 수 있게 되었다. 19세기 후반에는 달팽이나 인디고 식물에서 얻어지는 염료의 주성분이 인디고 분자라는 사실이 밝혀졌다. 이후 독일 화학자들이 인디고를 인공적으로 합성하는 방법을 알아냈다. 이를 계기로 급속도로 발전한 염료 화학 덕분에 색은 다양한 인공 염료 합성법이 일반화되어 이제는 누구나 아름다운 색으로 물들여진 옷을 입게 된 것이다.

 

<색깔은 왜 나타날까?>

  우리는 아름다운 색을 가진 것을 좋아한다. 장미꽃의 붉은색과 푸른 소나무 숲은 누구에게나 감탄의 대상이 된다. 가을이 되면 온갖 색깔의 단풍이 우리의 마음을 설레게 만들기도 한다. 우리 주변의 온갖 색깔은 어떻게 나타나는 것일까?

  빛은 전기장과 자기장이 서로 수직으로 진동하는 전자기파로, 전기장의 진동을 나타내는 파장에 따라서 독특한 특성을 가지고 있어서 우리 생활에 유용하게 사용된다. 빛은 전기장과 자기장의 파동을 나타내는 파장에 따라 라디오파, 마이크로파, 적외선, 가시광선, 자외선, X-선, 감마선 등으로 구분된다. 그중에서 사람의 눈으로 인식할 수 있는 빛은 파장이 400 nm에서 700 nm 범위에 속하는 가시광선뿐이다. 파장이 긴 쪽은 붉은색으로, 짧은 쪽은 푸른색으로 보인다. 빛은 고전역학에서는 파동의 성질을 나타내지만, 양자역학적으로 볼 때는 '광자(photon)'라고 부르는 입자의 흐름과 같은 특성을 나타내어서 입자의 파동의 이중성을 보이기도 한다. 광자의 에너지는 빛의 파장의 역수에 해당하는 진동수에 비례한다.

  가시광선은 주로 원자나 분자를 구성하는 전자가 가지고 있는 에너지가 감소할 때 외부로 방출된다. 원자나 분자에 들어 있는 전자는 '원자오비탈' 또는 '분자오비탈' 이라고 부르는 특별한 모양으로 분포하고 있으며, 그런 전자들은 원자나 분자의 종류에 따라 결정되는 고유한 에너지를 갖는다. 어떤 오비탈에 있는 전자는 에너지가 더 낮은 오비탈로 그 분포가 바뀌게 되면 두 오비탈의 에너지 차이에 해당하는 에너지를 가진 빛이 방출된다. 밤거리를 장식하는 네온등, 가로등으로 사용되는 나트륨 전구, 백열전구, 형광등 등이 모두 전자가 방출하는 빛을 이용하는 것이고, 레이저는 원자나 분자를 특별하게 고안된 공명관 속에 넣어서 물리적 특성이 우수하고 강한 세기의 및을 만들어낸 것이다.

  한편 가시광선의 모든 파장의 빛이 고르게 섞여 있는 백색광을 분자에 쪼여 주면 분자의 전자가 높은 에너지 상태로 그 분포의 모양이 바뀌면서 특별한 파장의 빛을 흡수하게 된다. 모든 파장의 빛을 전부 흡수하는 물질은 검게 보이고, 전혀 흡수하지 않는 물질은 흰색으로 보이게 된다. 그러나 가시광선 영역의 빛 중에서 특별한 색깔의 빛만을 흡수하는 물질은 흡수하는 색깔의 보색으로 보이게 된다.