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F오비탈을 채우는 전이 금속들은 왜 배위결합을 잘 형성하지 않는 것인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 전이 금속이 배위결합을 잘하는 이유는 부분적으로 비어 있는 d 오비탈과 상대적으로 알맞은 에너지 준위 때문인데요, 하지만 f 오비탈을 채우는 란타넘족·악티늄족 금속들은 이와 다른 특성을 지니기 때문에 배위결합 형성 능력이 상대적으로 떨어진다고 볼 수 있습니다. 우선 d 오비탈은 원자핵에서 비교적 멀리 퍼져 있으며, 방향성이 뚜렷해 배위자의 전자쌍과 효과적으로 겹칠 수 있는데요, 그러나 f 오비탈은 매우 안쪽에 위치하고 방사형 확장이 작아서, 배위자의 전자쌍과 공간적으로 겹침이 잘 이루어지지 않습니다. 즉, 배위결합을 형성하기 위한 오비탈 겹침이 비효율적이므로 결합력이 약합니다.또한 f 오비탈 전자는 차폐 효과가 크지 못해서, 바깥쪽 5d, 6s 전자들이 핵에 강하게 잡히는데요, 이 때문에 란타넘족에서 잘 알려진 란타넘 수축이 나타나며, 금속 이온의 반지름은 작아지지만 오비탈 겹침 능력은 오히려 떨어집니다. 따라서 배위자가 접근할 때 정전기적 결합 능력, 즉 이온 결합적 성격은 가능하지만, 공유 결합적 성격은 약하기 때문에 배위결합을 잘 형성하지 못하는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.24
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구리의 밀도와 구리 주변 기포의 연관성
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 구리를 물에 넣었을 때 표면에 붙은 기포는 밀도 측정값에 영향을 줄 수 있으며, 표면 기포가 붙어 있으면 부피, 즉 물의 증가이 과대평가되면서 계산한 밀도가 실제보다 낮게 나옵니다.실험에서 구리의 부피를 측정하는 방법은 아르키메데스 원리처럼 물의 부피 증가량 ΔV로 구한 뒤 밀도 ρ=m/ΔV로 계산하는데요, 그런데 구리 표면에 공기방울이 붙어있는 경우에는 물에 넣어서 측정되는 증가한 부피는 구리 자체의 부피에 더해 기포의 부피까지 포함하게 됩니다. 즉 계산 되는 밀도는 실제 구리만으로 인한 밀도값보다 작아지게 되며, 기포 부피가 클수록 오차는 커질 수 있습니다. 기포가 쉽게 생길 수 있는 상황은 표면이 거칠거나 홈)이 있으면 공기가 포켓처럼 붙기 쉬우며, 시료가 건조하고 표면장력이 큰 경우 역시 기포가 잘 붙습니다. 또한 온도나 용액의 용존가스가 빠져나오며 기포가 생길 수도 있고 혹은 시료에 기름이나 오염물이 있으면 젖지 않아 기포 발생이 쉬워집니다. 따라서 이러한 상황을 예방할 수 있는 방법으로는 시료를 물로 미리 적셔서 기포 제거하는 방법이 있겠는데요, 시료를 물에 잠깐 담가 두어 붙어 있는 공기가 떠오르게 하는 것입니다. 또는 에탄올(70% 정도)을 먼저 적셔서 물과의 젖음성을 높이는 방안도 있습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.24
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일조량을 인위적으로 만들어주면 과일에 어떤 변화가 나오나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것처럼 일조량을 인위적으로 높이면 과일에 여러 가지 생리적, 품질적 변화가 일어날 수 있는데요, 그 정도는 광의 총량, 파장, 빛의 공급 방식이 지속적인지 간헐적인지, 온도·습도·CO₂·수분·영양 상태 등 여러 환경 요인에 의해 복합적으로 결정될 것입니다. 우선 광에너지가 많아지면 엽록체에서 광합성 속도가 높아지고 그 결과 당 생산량이 늘어나며, 엽록체의 광수용체는 빛의 파장에 따라서 대사 경로가 달라질 수 있습니다. 또한 잎에서 합성된 탄수화물이 과일로 더 많이 이동하면 과실의 당도가 증가할 수 있으며, 특정 파장대역의 빛이 안토시아닌, 폴리페놀, 휘발성 유기화합물 합성을 촉진할 수 있습니다. 반면에 질문주신 것과 같이 너무 강한 광은 엽록체 손상, 광호흡 증가로 오히려 생산성 저하시킬 수 있으며, 과일 표면 온도 상승으로 표피 손상되거나 광량 증가 시 잎과 과일 온도가 올라가 증산량과 수분 요구량이 증가하면서 물관관리 미흡하면 말라붙거나 균열이 발생할 수도 있습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.24
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배위결합 이론 중 VBT와 CFT는 어떤 차이가 있나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 착물의 배위결합을 설명하는 대표적인 이론이 원자가 결합 이론인 VBT와 결정장 이론인 CFT인데요, 두 이론은 착물이 어떻게 결합하고 안정화되는지를 설명하지만 접근 방식에 뚜렷한 차이가 있습니다. 우선 VBT, 원자가 결합 이론은 중심 금속 이온의 궤도함수와 리간드가 제공하는 전자쌍이 겹쳐지면서 공유결합(배위결합)이 형성된다고 보는 이론인데요, 금속 이온의 전자배치와 혼성 궤도를 고려하여 착물의 배위수, 기하 구조 등을 설명합니다. 따라서 착물의 구조적인 형태를 잘 설명할 수 있다는 장점이 있지만, 반면에 착물의 자기적 성질이나 분광학적 성질등을 충분히 설명할 수 없다는 단점이 있습니다. 다음으로 결정장 이론은 금속 이온과 리간드 사이 결합을 순수하게 정전기적 상호작용(전하-전하 반발)으로 설명하는 이론으로 공유 결합보다는 전자 구름의 배치에 따른 전기적 효과에 집중합니다. 이때 리간드가 중심 금속 이온의 주변에 접근하면, 금속의 d 오비탈이 리간드의 전자쌍에 의해 서로 다른 에너지를 갖게 분리되며, 착물의 자기적 성질과 색깔, 안정화 에너지 등을 잘 설명할 수 있다는 장점이 있으나 결합을 단순히 정전기적 상호작용으로만 보므로, 실제 공유 결합 성격이 있는 착물의 성질을 완벽히 설명하지는 못합니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.24
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손소독제는 왜 금방 손에서 사라지나요??
안녕하세요. 질문해주신 것처럼 손소독제가 금방 손에서 사라지는 이유는 주로 알코올의 물리적 성질 때문이라고 보시면 됩니다. 우선 알코올은 끓는점이 낮으며 휘발성이 높은데요, 에탄올은 끓는점이 약 78 ℃, 이소프로판올은 약 82 ℃로, 물보다 훨씬 낮습니다. 끓는점이 낮다는 것은 상온에서도 쉽게 증발할 수 있다는 뜻이며, 손소독제는 보통 알코올 함량이 60~80% 이상이므로, 손에 닿자마자 빠르게 기화합니다.또한 약 36~37 ℃의 손의 온도와 주위 환경의 열에 의해 알코올 분자가 빠르게 에너지를 얻을 수 있으며, 또 손은 표면적이 넓어서 알코올이 퍼지면 증발 속도가 더 빨라집니다. 게다가 손소독제에는 물도 들어있는데, 알코올이 물과 수소결합을 하면서 물의 증발도 함께 촉진하며, 그 결과 시원하게 날아가는 느낌과 함께 금방 건조되는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.24
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2차전지와 1차전지의 차이점과 전망
안녕하세요. 질문해주신 것처럼 전지는 크게 1차전지와 2차전지로 나뉘는데, 두 종류의 가장 큰 차이는 재사용 가능 여부라고 할 수 있습니다. 먼저 1차 전지는 한 번 사용하면 재충전이 불가능한 전지인데요, 화학 반응이 비가역적이라 전기를 쓰면 내부 물질이 소모되고 다시 되돌릴 수 없습니다. 예시로는 알칼라인 전지가 있으며 장점으로는 가격이 저렴하고 보관 안정성이 높음, 오랫동안 방전되지 않고 저장 가능하다는 점이 있습니다. 반면에 단점으로는 다 쓰면 버려야 하므로 지속성과 경제성이 떨어진다는 것입니다. 2차 전지는 재충전 가능한 전지인데요, 화학 반응이 가역적이라 충전 시 전류를 역방향으로 흘려주면 원래의 화학적 상태로 돌아갑니다. 예시로는 리튬이온전지가 있으며 장점은 충전과 방전을 수백~수천 회 반복 가능, 장기적으로 경제적이라는 점이 있습니다. 반면에 단점은 구조가 복잡하고 발화·폭발 위험, 고온·저온에 민감, 생산 비용이 높다는 점이 있습니다. 감사합니다. 앞으로의 전망으로는 1차 전지는 아직도 리모컨, 시계, 청력보조기 등의 소형 전자기기에서는 많이 쓰이며, 특히 리튬 전지는 장기간 안정적 전압 공급이 필요할 때 여전히 강세를 보이지만 다만, 친환경·재활용 측면에서 수요는 점점 제한적일 것으로 보입니다. 2차 전지는 전기차(EV), 에너지 저장장치(ESS), 재생에너지 인프라와 직결되어 있어 여전히 핵심 산업인데요, 현재는 리튬이온전지가 주류지만, 리튬과 코발트 등의 자원 문제와 안전성 문제 때문에 전고체전지, 리튬-황 전지, 나트륨이온 전지 등 차세대 기술이 활발히 연구 중이며, 향후 10~20년간은 2차전지가 계속 에너지 패러다임의 중심이 될 가능성이 큽니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.24
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포도당과 과당의 구조적 차이는 무엇이며 이 두 단당류가 베네딕트 용액과 반응하는 원리는 무엇인가요?
안녕하세요. 질문해주신 포도당과 과당의 구조적 차이는 포도당은 6탄당 중에서도 알도스에 속하며, 분자 내에 알데하이드기(-CHO)를 가지고 있습니다. 반면 과당은 역시 6탄당이지만 케토스로, 분자 내에 케톤기(C=O)를 포함하고 있는데요 즉, 두 당의 기본 골격은 같지만, 탄소 사슬에서 카보닐기가 끝에 있으면 알도스, 사슬의 중간에 있으면 케토스가 됩니다. 또한 다음으로 Benedict’s 용액 반응 원리를 보면, Benedict’s 용액은 청록색 Cu²⁺ 이온을 포함하고 있는데, 환원성 당이 존재하면 이 Cu²⁺가 Cu⁺로 환원되면서 적갈색의 산화구리(I) 침전(Cu₂O)이 생깁니다. 포도당의 경우 알데하이드기가 산화되어 카복실산(-COOH)으로 바뀌는 과정에서 전자를 내어주고, 이 전자가 Cu²⁺를 환원시키는 것입니다.과당은 케톤기만 가지고 있어 직접적으로는 잘 산화되지 않을 것 같지만, 실제 수용액에서는 케토-엔올 서로이성질화가 일어나는데요 즉, 염기성 Benedict’s 용액 조건에서 과당은 에놀 형태를 거쳐 알도스 형태로 전환될 수 있습니다. 이렇게 되면 과당도 알데하이드기로 변환된 상태에서 산화 반응을 일으켜 Cu²⁺를 환원시킬 수 있기 때문에 환원성 당으로 작용하게 됩니다. 즉, 포도당은 알데하이드기를 직접 산화하여 Cu²⁺를 환원시키고, 과당은 알칼리 조건에서 알도스로 이성질화된 뒤 같은 원리로 반응하기 때문에 둘 다 베네딕트 시약에서 적갈색 침전을 형성하는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.24
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시약 조건에 따라서 알카인의 수소화 반응 진행 시 생성물이 달라지는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 질문해주신 것과 같이 알카인의 수소화 반응에서 생성물이 시약 조건에 따라 달라지는 이유는 반응이 진행되는 메커니즘의 차이 때문입니다.먼저 Lindlar 촉매 조건에서는 팔라듐(Pd)에 탄소나 CaCO₃를 담지한 촉매에 Pb(OAc)₂나 퀴놀린 같은 억제제를 첨가하는데요, 이 경우 알카인의 삼중 결합에 수소가 촉매 표면에서 동시에 두 개의 원자 형태(H·)로 흡착된 후 같은 면으로 syn 첨가되기 때문에, 두 수소가 같은 방향으로 붙어 시스-알켄이 형성됩니다. 또한 이 촉매는 알켄까지 더 이상 수소화되지 않도록 반응 속도를 제한하여, 알켄 단계에서 반응이 멈추도록 조절합니다.반대로 Na/NH₃조건에서는 금속 나트륨이 전자를 방출하여 알카인의 삼중 결합에 전자가 하나 들어가면서 라디칼 음이온을 형성하는데요, 이어서 액체 암모니아에서 제공되는 프로톤(H⁺)이 결합하고, 다시 전자 전달 및 프로톤화가 반복되면서 최종적으로 알켄이 만들어집니다. 이 과정은 단계적으로 일어나고, 전자와 양성자가 교대로 다른 탄소 원자에 붙기 때문에 반대쪽 면으로 첨가가 일어나고, 결과적으로 트랜스-알켄이 주생성물이 됩니다. 즉 Lindlar 촉매 조건에서는 촉매 표면에서의 동시 첨가 때문에 시스-알켄이 생기고, Na/NH₃ 조건에서는 전자 전달 후 단계적 프로톤화 때문에 트랜스-알켄이 생성됩니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.24
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광학활성을 가지는 카이랄 분자가 효소와 상호작용할 때, 라세미 혼합물이 서로 다른 반응성을 보이는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 광학활성을 가지는 카이랄 분자가 효소와 상호작용할 때 라세미 혼합물이 동일하게 반응하지 않고 서로 다른 반응성을 보이는 이유는, 효소 자체가 카이랄성을 가진 3차원 입체적 촉매이기 때문입니다. 효소는 대부분 아미노산으로 이루어진 단백질이며, 아미노산 자체가 카이랄성을 가지므로 전체적으로도 비대칭적인 입체 구조를 형성하며 이 때문에 효소의 활성 부위는 특정한 입체적 배열을 가지며, 기질이 정확히 들어맞아야 반응이 일어납니다. 이 현상을 흔히 유도 적합 모델로 설명하는데요 즉, 기질이 효소의 활성 부위와 결합할 때는 단순한 화학 결합뿐만 아니라 입체적인 맞춤이 필수적입니다.또한 라세미 혼합물은 서로 거울상 관계인 두 가지 입체 이성질체를 1:1로 포함하며 하지만 효소의 활성 부위는 거울상 대칭이 아니기 때문에, 두 입체 이성질체가 동일하게 들어맞을 수 없습니다. D-포도당와 같은 한쪽 입체 이성질체는 효소의 활성 부위에 정확히 들어맞아 강하게 결합하고 반응이 원활히 일어납니다. 다른 쪽 입체 이성질체는 활성 부위에서 결합 위치가 어긋나거나 필요한 수소결합, 반데르발스 상호작용, 전기적 인력과 같은 상호작용을 형성하지 못해 반응성이 현저히 떨어지며, 경우에 따라서는 아예 반응하지 않을 수도 있습니다.생체 내 대사 효소들은 대부분 D-포도당을 인식하도록 진화했기 때문에, L-포도당은 제대로 대사되지 못하며, 단백질 합성 과정의 tRNA 결합 효소와 리보솜은 L-아미노산만 인식하여 단백질을 합성할 수 있으며, D-아미노산은 효소 활성 부위에 맞지 않아 이용되지 않습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.24
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알데하이드가 Tollens 시약과 반응할 때 은거울 반응이 일어나는 원리는 무엇인가요?
안녕하세요. 질문해주신 것처럼 Tollens 시약 [Ag(NH₃)₂]⁺ 착이온을 포함하고 있는데요, 이는 Ag⁺ 이온이 암모니아 분자 두 개와 배위결합한 안정한 착이온이며, 산화제 역할을 합니다. 이때 알데하이드는 R–CHO 형태이며, 산화되면 카복실산(R–COOH)으로 바뀌며, 이 과정에서 알데하이드의 –CHO 그룹이 전자와 수소를 잃고 산화됩니다. 즉, 알데하이드가 산화되면서 2개의 전자와 2개의 양성자를 내놓습니다.반면에 Tollens 시약 속의 [Ag(NH₃)₂]⁺ 이온은 이 전자를 받아 환원되는데요, 결과적으로, 알데하이드에서 나온 전자가 은 이온에 전달되어 Ag⁺가 Ag(0) 금속으로 환원되며, 이 은이 용기 벽에 부착되어 반짝이는 은거울을 형성합니다. 산화 반응과 환원 반응을 합치면 알데하이드는 카복실산 음이온(R–COO⁻)으로 산화되며 Ag⁺는 Ag(0)로 환원되어 은거울이 형성됩니다. 즉, 은거울 반응은 알데하이드의 –CHO가 전자를 내놓으면서 카복실산으로 산화되고, 이 전자를 Tollens 시약 속의 은 이온이 받아 환원되면서 은 거울이 생성되는 산화–환원 반응인 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.24
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