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우유 가열 시에 막이 생기는 원리는 무엇인가요?
안녕하세요.질문해주신 것과 같이 우유를 가열할 때 윗면에 생기는 얇은 막은 단백질과 지방이 열에 의해 변성되고 응집되면서 형성되는 현상인데요, 단백질 중에서도 특히 유청단백질과 지방이 막 형성의 핵심 역할을 합니다.우유를 가열하면 우유 속 유청단백질 중에서도 특히 β-락토글로불린과 α-락트알부민은 온도가 약 60 ~ 70 °C 이상이 되면 변성됩니다. 이때 단백질의 3차 구조가 풀리면서 내부의 황 결합(S–S bond)이나 소수성 부분이 노출되고, 인접 단백질들과 서로 결합해 응집체를 형성하는데요, 이 현상은 비가역적인 화학적 변성 반응입니다.또한 우유의 표면 근처에는 지방구들이 존재하는데, 이들이 변성된 단백질과 결합하면서 복합막을 형성합니다. 이때 표면에 있는 물이 증발하면서 단백질-지질 혼합물이 표면에 농축되어 점차 얇은 막으로 굳습니다.가열 도중 표면에서는 지속적으로 수분이 증발하며 증발로 인해 그 자리에 단백질과 지방이 모여들어 점점 더 조밀한 막을 형성하게 됩니다. 따라서 물리적 응집과 화학적 변성이 동시에 일어나게 되는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.10.20
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과일을 자른 후 시간이 지나면 갈색으로 변하는 현상의 원리는?
안녕하세요.과일을 자른 후 갈색으로 변하는 현상은 일상 속에서 자주 볼 수 있는 효소적 갈변 반응으로, 이는 산화효소의 작용에 의해 일어나는 화학 반응인데요, 원래 과일의 세포가 잘리거나 손상되면, 그 속에 있던 효소와 기질이 공기 중의 산소(O₂)와 접촉하게 됩니다. 이때 핵심적으로 작용하는 효소는 폴리페놀옥시다아제(PPO) 또는 타이로시나아제이며, 이 효소들은 과일 속의 폴리페놀 성분을 산화시켜 퀴논이라는 중간산물을 만들고, 이 퀴논들은 불안정하여 서로 결합하거나 중합되어 갈색 색소를 형성하게 됩니다.과일의 갈변을 늦추기 위해서는 이산화 효소 반응을 억제하거나 산소 접촉을 줄이는 것이 핵심인데요, 우선 낮은 온도 유지가 중요합니다. 효소 반응 속도는 온도에 비례하므로, 낮은 온도에서는 효소의 활성과 반응속도가 감소합니다. 또한 산성 용액(레몬즙, 식초 등)을 가하면 폴리페놀옥시다아제는 pH 5~7에서 가장 활성이 높기 때문에 산성 환경에서는 효소의 3차 구조가 변해 활성이 저하됩니다. 이외에도 항산화제 사용(비타민 C, 아스코르빈산)이 가능한데요, 비타민 C는 퀴논을 다시 폴리페놀로 환원시켜 산화반응을 되돌립니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.10.20
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불소 이온이 치아의 법랑질을 강화시키는 화학적 원리는 무엇인가요
안녕하세요.질문해주신 것처럼 치약 속의 불소 이온은 치아 표면의 법랑질을 화학적으로 더 단단하게 만들어, 충치를 예방할 수 있게 만들어주는데요, 우선 치아의 가장 바깥층인 법랑질은 주로 수산화인회석으로 이루어져 있습니다. 이 결정은 단단하지만, 산에 의해 쉽게 녹는 성질을 가지고 있는데요 즉, 세균이 만들어내는 젖산이나 음식물 속의 산에 노출되면, 법랑질의 일부가 용해되어 충치가 생기게 됩니다.이때 치약 속 불소 이온(F⁻)은 치아 표면에 화학적 변화를 일으키는데요, 불소 이온은 수산화인회석의 수산화 이온(OH⁻) 자리에 치환되어 보다 안정한 화합물을 형성합니다. 이렇게 형성된 불화인회석 Ca₁₀(PO₄)₆F₂ 은 구조적으로 훨씬 더 조밀하고, 산에 잘 녹지 않는 결정이며, 법랑질의 용해도가 낮아지고, 산에 의한 탈회가 어려워집니다.또한 불소는 단순히 법랑질을 치환하는 데 그치지 않고, 산에 의해 일부 녹은 법랑질이 다시 미네랄화되는 과정을 촉진하는데요, 산성 환경에서 일부 인산염과 칼슘이 빠져나오면 탈회되고,불소가 존재하면, 주변의 Ca²⁺와 PO₄³⁻ 이온을 끌어들여 새로운 불화인회석 결정으로 재형성하기 때문에 불소는 법랑질의 회복과 재결정화를 도와주는 촉매적 역할을 한다고 보시면 됩니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.10.20
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얼음을 녹이기 위해 겨울철에 도로 위에 소금을 뿌리는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 겨울철 도로 위에 소금을 뿌리면 얼음이 녹는 이유는 소금이 물에 녹아 용액의 어는점을 낮추기 때문인데요, 이 현상은 화학적으로 용액의 ‘어는점 내림’ 현상으로 설명할 수 있습니다.원래 순수한 물은 0℃에서 액체 ↔ 고체(얼음) 의 평형상태를 이루는데요, 이때는 물 분자 간의 수소결합이 안정되어 얼음 격자가 형성되고 얼음과 물이 동적 평형을 유지합니다.단 소금을 뿌리면, 얼음 표면에 존재하는 얇은 물막에 소금이 녹는데요 이온 결합으로 이루어진 NaCl이 물에 녹아 나트륨 이온과 염화 이온으로 해리됩니다. 이 이온들은 물 분자 주변에 전기적으로 인력을 형성하여 물 분자들이 규칙적인 얼음 격자를 이루는 것을 방해합니다. 이때 물 속에 소금이 녹아 생긴 용액은 순수한 물보다 증기압이 낮아지는데요 즉, 물이 얼음으로 고체화되기 위해서는 물 분자들이 서로 규칙적으로 배열될 확률이 줄어드는 것입니다. 그 결과, 동일한 압력에서 물이 어는 온도가 0℃보다 더 낮아져야 평형이 성립합니다. 이 현상을 용액의 ‘콜리게이티브 성질’ 중 하나인 어는점 내림이라 고 하며 이때 소금이 많이 녹아 이온 농도가 높을수록, 그리고 이온으로 분리되는 수가 많을수록 어는점이 더 낮아집니다.또한 얼음이 녹을 때는 흡열 과정이 일어나며, 얼음이 녹기 위해서는 주변으로부터 융해열을 흡수해야 하는데요 그런데 소금이 녹은 용액은 이미 자유에너지가 낮기 때문에, 얼음이 녹아 물로 전환되는 과정이 더 안정된 상태로 향하게 되어 자발적으로 진행됩니다. 즉, 화학적으로는 소금이 물의 화학적 퍼텐셜(μ)을 낮추기 때문에, 얼음이 녹는 반응이 유리해지는 것으로 설명할 수 있습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.10.20
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희토류란 무엇이며 어디에 쓰이는건가요?
안녕하세요.질문해주사 희토류는 이름 그대로 희귀한 금속 원소들의 한 부류로 오늘날의 첨단 산업과 일상생활에 많이 사용되는 전략적 자원인데요, 우선 희토류란 주기율표에서 란탄족(원자번호57~71) 원소 15종에, 스칸듐(Sc) 과 이트륨(Y) 을 포함한 총 17종의 금속 원소군을 말합니다. 대표적으로 란탄(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 디스프로슘(Dy), 이터븀(Yb) 등의 원소가 있습니다.사실 희토류는 이름처럼 매우 드문 원소는 아닌데요, 지각 내 존재량으로 보면 구리나 납보다 많은 것도 있습니다. 다만, 자연 상태에서는 농도가 낮고 여러 광물 속에 섞여 있어서 추출이 어렵고 정제가 복잡하기 때문에 희토류라 불리는 것이며 희귀한 것은 존재량이 아니라 분리·정제의 어려움입니다.희토류는 대부분 은백색 금속이며, 전기적·자기적·광학적 성질이 독특하여 다른 금속에 소량 첨가만 해도 성능을 크게 향상시키는데요 예를 들어 자성을 강화하거나, 발광 특성을 바꾸거나, 열적 안정성을 높일 수 있습니다. 이러한 특성 때문에 희토류는 현대 기술 산업의 비타민 금속이라 불리기도 합니다.전자기기에 많이 사용되는데요, 네오디뮴(Nd)은 스피커, 이어폰, 스마트폰 진동모터, 하드디스크 등의 고성능 영구자석에 쓰이고 유로퓸(Eu), 터븀(Tb)은 LED와 LCD 디스플레이의 적·녹색 형광체로 사용됩니다. 즉 희토류는 우리가 직접 눈으로 보지 않아도 거의 모든 전자기기 속에 포함되어 있다고 보시면 됩니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.10.20
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이번에 노벨 화학상은 어떤 과학자가 수상하게 되었나요?
안녕하세요. 질문해주신 2025년도 노벨화학상은 금속·유기 골격체를 개발한 기타가와 스스무 일본 교토대 교수, 리처드 롭슨 호주 멜버른대 교수, 오마르 M. 야기 미국 버클리 캘리포니아대 교수 등 3인이 받았습니다.하이너 링케 노벨화학위원회 위원장은 이들의 연구를 두고 “MOF는 잠재력이 엄청나다. 새로운 기능을 지닌 맞춤형 물질을 만들 수 있는, 예전에는 예견하지 못한 기회를 마련해 줬다”고 말한 바 있는데요, MOF란 흔히 ‘분자 스펀지’라고 불리며 MOF 구조를 건물에 비유하면 건축물 꼭짓점엔 금속 이온이, 이를 잇는 모서리에는 유기 리간드가 자리해 3차원 골격 구조를 이루고 있습니다. 이렇게 형성된 내부엔 눈에 보이지 않을 만큼 미세한 구멍이 숭숭 뚫려 있어 ‘나노 크기 스펀지 창고’라고 할 수 있고 이 구멍 덕분에 MOF엔 공기나 가스, 냄새 분자 등 다양한 물질을 저장할 수 있는 것입니다. 다양한 영역에서 활용할 가능성이 높다는 평가가 있는데요 우선 뛰어난 흡착 능력 덕분에 탄소나 수소 같은 기체를 효과적으로 저장할 수 있고, 유해 가스를 포집해 없애는 데에도 쓰일 수 있습니다. 또한 의료 분야에선 MOF에 약물을 담아 서서히 방출하는 전달체로 활용하는 연구가 이뤄지고 있고, 산소 저장 장치나 방호 재료 같은 분야에서도 응용 가능성이 검토되고 있습니다. 감사합니디.
학문 / 화학
25.10.20
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축열조에서 열은 어떤방식으로 저장되는지 궁금합니다.
안녕하세요.축열조는 열에너지를 저장하는 탱크로, 에너지를 필요한 시점에 사용하기 위해 열을 저장하거나 방출하는 장치인데요 원래 열에너지는 물질의 온도 변화나 상태 변화에 의해 저장됩니다.축열조에서는 다음 두 가지 방식 중 하나로 열을 저장하는데요 현열 저장 방식은 물질의 온도를 높이거나 낮추면서 열을 저장하는 방식으로 예를 들어 온수를 저장하는 축열조가 대표적이며 1톤의 물을 30℃에서 80℃로 데우면, 그 온도 차에 해당하는 열이 저장됩니다. 구조가 단순하고 비용이 저렴하지만, 물질의 온도 범위에 제한이 있어서 단위 부피당 저장 가능한 열량은 비교적 작습니다.두번째는 잠열 저장 방식인데요 물질의 상변화, 즉 고체→액체, 액체→기체로 변할 때 흡수하거나 방출하는 잠열을 이용하는 방식입니다. 예시로는 빙축열 시스템이 있는데요, 물을 얼려서 냉열을 저장하며 낮에는 얼음을 녹여 냉방에 사용합니다. 온도 변화가 거의 없는 상태에서도 대량의 열을 저장할 수 있어, 효율이 높고 부피가 작습니다. 다만, 물질의 안정성과 반복 사용 수명, 비용이 관건입니다.실제 공장 및 건물에서의 축열조 운용 방식으로 냉난방 설비, 냉방용 축열조는 전력요금이 싼 심야 시간대에 냉동기를 가동하여 얼음을 만들고, 주간에는 얼음을 녹이면서 냉수를 공급합니다.난방용 축열조는 보일러나 히트펌프가 생산한 온수를 저장해 필요할 때 꺼내 씁니다. 산업용 공정, 공장에서는 고온의 폐열을 열매체유나 용융염 등에 저장해 다음 공정의 예열이나 열전환 장치에 재활용하기도 합니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.10.20
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이스트의 발효 과정에서 생성되는 에탄올은 빵이 구워질 때 어떻게 변화하며, 이 변화는 화학적으로 어떤 반응에 해당하나요?
안녕하세요.빵을 만들 때 반죽 속에서 이스트가 발효를 하면 에탄올과 이산화탄소가 함께 생성되는데요 이 중에서 이산화탄소는 빵을 부풀게 하는 역할을 하고, 에탄올은 굽는 과정에서 화학적으로 변하거나 사라지게 됩니다.이스트의 발효 반응에서 포도당이 분해되어 에탄올과 이산화탄소가 생기는데, 반죽 속에는 소량의 에탄올이 존재하게 되는데요 그런데 빵을 180~200 °C 정도로 굽게 되면, 에탄올은 끓는점이 약 78 °C로 낮기 때문에 대부분 기화하여 공기 중으로 날아가 버립니다.또한 에탄올은 단순히 증발할 뿐 아니라, 고온에서 산화나 열분해가 일어나기도 하며 산소가 충분한 오븐 내부에서는 일부 에탄올이 산화 반응을 겪을 수 있습니다. 이는 연소 반응으로, 에탄올이 산소와 반응하여 이산화탄소와 물로 바뀌는 산화 반응입니다. 또한, 완전한 연소가 되지 않는 국소적인 부분에서는 부분 산화 또는 열분해에 의한 향기 화합물 형성도 함께 일어나는데요, 이 과정에서 빵의 고소한 구운 향이 만들어지게 되는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.10.18
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이스트가 빵 반죽 속에서 이산화탄소를 생성하는 화학 반응식은 어떻게 되며, 이때 사용되는 기질은 무엇인가요?
안녕하세요.질문해주신 바와 같이 빵을 만들 때 사용하는 이스트는 일종의 단세포 진균으로, 빵 반죽 속에서 당인 포도당, 설탕 등을 분해하여 에너지를 얻는 과정에서 이산화탄소와 에탄올을 생성하는데요, 이 현상은 무산소 상태의 혐기성 조건에서 일어나는 알코올 발효입니다. 포도당 1분자가 분해되어 에탄올 2분자와 이산화탄소 2분자가 만들어지는데요 기질은 주로 포도당(C₆H₁₂O₆), 과당, 자당 등 단당류나 이당류이며 이스트가 분비하는 효소에 의해 먼저 포도당 형태로 전환됩니다.발효 과정에 대해 설명드리자면, 이스트는 산소가 부족한 환경에서 해당과정을 통해 포도당을 분해하는데요 이 과정에서 피루브산이 생성되고, 이 피루브산이 효소 작용을 받아 에탄올과 CO₂로 전환됩니다.이때 생성된 CO₂ 기체가 반죽 속의 글루텐이라는 단백질 구조에 의해 가두어지면서 기포가 형성되고, 열을 받아 팽창하면서 빵이 부풀어 오르게 됩니다.에탄올은 굽는 과정에서 대부분 증발하여 사라지며, 남은 것은 풍미를 약간 부여하는 정도에 그칩니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.10.18
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우리나라 산에도 야생 늑대가 서식을 하는지요?
안녕하세요.현재 대한민국의 자연 상태에서 야생 늑대는 사실상 멸종된 상태입니다.과거에는 한국늑대라고 불리는 아시아 회색늑대의 아종이 한반도 전역의 산악 지대에 널리 분포했는데요, 이 늑대는 중국 북부, 만주, 러시아 연해주 등에도 이어지는 시베리아 늑대의 아종으로 분류됩니다.조선시대 문헌이나 일제강점기 기록에도 늑대의 존재가 자주 등장했으며 당시에는 가축이나 사람을 공격했다는 기록도 있고, 겨울철에 한반도 북부에서 눈밭을 따라 무리를 지어 이동했다는 보고도 있습니다.하지만 늑대는 20세기 중반 이후 급격히 사라지기 시작했는데요 사람에 의한 직접 포획과 박멸로 인한 것으로, 가축 피해를 막기 위해 정부나 지방 단위로 늑대를 잡는 정책이 있었습니다.또한 서식지 파괴 때문인데요, 산림이 개간되고 도로가 생기면서 늑대가 살아갈 숲이 줄어들었습니다. 또한 사슴, 멧돼지 같은 초식동물이 줄어들자 먹이를 찾기 어려워졌습니다. 이러한 이유로 1950년대~1960년대 이후 남한에서는 사실상 야생 늑대의 개체가 확인되지 않았습니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.10.18
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