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포르말린 용액 속의 포름알데히드가 시간이 지나면서 폴리옥시메틸렌으로 변하는 원리는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 포르말린은 포름알데히드의 수용액으로, 보통 37% 정도의 농도로 존재하는데요, 그러나 시간이 지나면서 이 용액 속의 포름알데히드는 안정한 단분자 상태로만 머무르지 않고, 점차적으로 폴리옥시메틸렌 형태의 중합체로 변할 수 있습니다. 우선 포름알데히드는 알데히드기(C=O)를 가지고 있어 전자밀도가 낮고, 친핵성 공격에 민감하며 또한 수용액 속에서는 단순히 HCHO로만 존재하지 않고, 대부분은 수화된 형태(메틸렌글리콜, HO–CH₂–OH)로 존재합니다.또한 메틸렌글리콜은 다시 다른 포름알데히드 분자와 반응하여 올리고머를 형성할 수 있는데요 예를 들어, 메틸렌글리콜의 –OH기가 다른 포름알데히드의 카보닐기를 친핵성 공격하면, –CH₂–O–CH₂– 결합이 만들어집니다. 이런 과정이 반복되면 (–CH₂–O–)ₙ 구조가 길게 이어진 폴리옥시메틸렌이 형성되며 즉, 반응은 수화 → 친핵성 첨가 → 축합 → 중합 순서로 진행된다고 보시면 됩니다. 게다가 포름알데히드는 작은 분자이고 매우 반응성이 크기 때문에, 용액 속에서 서서히 자기 자신과 반응해 중합체를 형성하는데요, 이를 막기 위해 공업적으로 제조된 포르말린에는 메탄올(10~15%)을 소량 첨가합니다. 이때 메탄올이 안정화제 역할을 하여 포름알데히드가 서로 결합하지 못하게 억제하는 작용을 합니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.24
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알켄에 HBr을 첨가할 때 과산화물이 존재하는 경우 반응 생성물이 달라지는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 알켄에 HBr을 첨가할 때, 일반적인 경우와 과산화물이 존재하는 경우 반응 경로가 달라지는데요, 우선 과산화물이 없는 경우는 일반적인 HBr 첨가 반응에 해당하며 이 경우에는 Markovnikov 규칙을 따릅니다. 알켄의 π 전자가 친전자체(H⁺)를 먼저 공격하여 카복양이온 중간체가 형성되며, 이때 더 안정한 탄소양이온이 선택적으로 생성됩니다. 이후 Br⁻가 이 카복양이온을 공격하여 최종 생성물이 얻어지는데, 이는 Markovnikov 첨가로서 Br이 더 치환도가 높은 탄소에 붙게 되며 즉, 중간체가 탄소양이온이기 때문에 반응은 전자밀도가 높은 쪽이 안정화되는 방향으로 진행됩니다.반면에 과산화물이 존재하는 경우에는 라디칼 첨가 반응을 진행하기 때문에 Anti-Markovnikov 생성물을 얻게 됩니다. 과산화물(RO–OR)은 열이나 빛에 의해 쉽게 라디칼(RO•)로 분해되는데요, 이 라디칼은 HBr에서 Br• 라디칼을 생성시킵니다. 생성된 Br• 라디칼이 알켄의 π 결합에 첨가될 때, 더 안정한 탄소 라디칼이 중간체로 형성되는 경로가 선호되며, 이때 안정한 라디칼은 보통 치환도가 높은 탄소에 형성됩니다. 따라서 Br•는 덜 치환된 탄소에 붙게 되고, 그 결과 Anti-Markovnikov 생성물이 형성됩니다. 마지막으로 라디칼 사슬반응이 반복되며 반응이 진행되며, 과산화물이 있을 때는 반응이 탄소양이온 중간체 경로에서 라디칼 중간체 경로로 바뀌기 때문에, Br이 붙는 위치가 반대로 바뀌는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.24
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불의 색깔이 어느색으로 변할때 높아지는건가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것에 대해 답변해드리자면 불의 색깔은 단순히 빨갛다, 파랗다로 구분되는 것이 아니라, 불꽃 안에서 일어나는 온도 차이와 원소의 방출 스펙트럼에 따라 달라지는데요, 우리가 일상에서 보는 불의 색은 주로 온도에 따른 흑체 복사 현상과 특정 원소가 타면서 내는 빛이 합쳐진 결과입니다.일반적으로 붉은색 불꽃은 약 600~800 ℃ 정도로 가장 낮은 온도의 불꽃인데요, 숯불이나 촛불 심지 가까이에서 볼 수 있습니다. 다음으로 주황색 ~ 노란색 불꽃은 약 1,000~1,200 ℃로 조금 더 뜨거운 불꽃으로, 나무나 종이를 태울 때 흔히 보이며, 노란색은 숯 입자나 탄소 입자가 달궈져서 발광하기 때문에 나타납니다. 파란색 불꽃은 약 1,500~1,700 ℃ 이상으로 연료가 완전 연소될 때 볼 수 있으며, 가스레인지의 불꽃이 대표적인 예인데요, 이는 불꽃의 가장 뜨겁고 효율적인 상태를 보여줍니다. 따라서 흔히 생각하는 것과 달리 붉은색보다 파란색 불꽃이 더 뜨거운데요, 불꽃의 온도가 더 올라가면 노란색과 흰색을 거쳐 파란색, 그리고 아주 고온에서는 눈에는 보이지 않는 자외선 영역까지 방출하게 됩니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.24
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착물에서 중심 금속 이온의 배위수를 결정하는 주요 요인은 무엇인가요?
안녕하세요. 질문해주신 것처럼 착물에서 중심 금속 이온의 배위수는 단일한 요인으로만 결정되지 않고 금속 이온의 크기, 전하, 전자 배치, 그리고 리간드의 성질과 입체적 요인이 함께 작용하여 정해지는 것인데요, 이때 일반적으로 금속 이온의 크기가 클수록 더 많은 리간드를 둘러쌀 수 있어 배위수가 커지며, 반대로 이온이 작을수록 배위수는 제한됩니다. 또한 리간드의 크기도 중요한데, 불소 이온이나 암모니아처럼 작은 리간드는 여러 개가 동시에 배위될 수 있는 반면, 부피가 큰 인계 리간드나 유기 리간드는 입체적 장애로 인해 배위수가 줄어드는 경향을 보입니다.다음으로는 금속 이온의 전하와 전자 구조 역시 중요한 요소인데, 전하가 큰 금속 이온은 리간드를 강하게 끌어당길 수 있어 비교적 많은 리간드를 배위할 수 있고, 전이금속의 경우에는 d-오비탈의 전자 배치에 따라 특정한 배위수가 안정해지는 경향이 나타납니다. 예를 들어 d⁸ 배치를 가진 Ni²⁺나 Pt²⁺는 배위수 4에서 평면 정사각형 구조를 선호합니다. 또한 리간드의 배위 자리 수도 큰 영향을 미치는데, 단치 리간드는 각각 하나의 배위 자리를 차지하지만, EDTA와 같은 다치 리간드는 한 분자가 여러 자리를 동시에 차지하여 전체 리간드 수는 줄어들지만 배위수는 효과적으로 채워집니다. 전형 원소와 비교했을 때 전이금속에서 다양한 배위수가 나타나는 이유는, 전형 원소가 보통 옥텟 규칙에 의해 결합수가 제한되는 반면 전이금속은 d-오비탈을 포함한 여러 빈 오비탈을 이용할 수 있어 더 다양한 배위수를 수용할 수 있기 때문입니다. 따라서 배위수는 금속 이온의 물리적 크기와 전하, 전자 구조, 리간드의 크기와 배위 특성, 그리고 입체적 제약에 의해 종합적으로 결정된다고 할 수 있습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.24
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EDTA와 같은 다치 배위자가 환경 오염 물질 제거에 활용되는 원리는 무엇인가요?
안녕하세요. 질문해주신 EDTA는 대표적인 헥사덴테이트 다치 배위자로서, 한 분자가 중심 금속 이온과 여섯 자리에서 동시에 배위 결합을 할 수 있는데요, 이 때문에 금속 이온과 결합할 때 매우 안정한 킬레이트 착물을 형성하게 되는데, 바로 이 특성이 환경 오염 물질 제거에 활용되는 원리입니다.우선 납(Pb²⁺), 카드뮴(Cd²⁺), 수은(Hg²⁺), 구리(Cu²⁺) 등과 같은 중금속 이온은 물속에서 자유 이온 형태로 존재할 경우 생물체에 쉽게 흡수되어 독성을 나타내는데요, 이때 EDTA가 투입되면, 그 다치 배위자 구조로 인해 중금속 이온을 꽉 붙잡아 안정적인 착물을 형성합니다. EDTA는 여러 개의 배위자 원자가 하나의 금속 이온을 동시에 둘러싸며 다중 결합을 형성하기 때문에, 단순한 단치 배위자 여러 개가 결합하는 것보다 훨씬 안정한 착물이 만들어지며 이로 인해 금속 이온이 쉽게 떨어져 나오지 못하고, 용액 속에서 비활성화된 상태로 존재하게 되는 것입니다. 또한 EDTA-금속 착물은 일반적으로 물에 잘 녹고 안정하기 때문에, 토양이나 침전물에 붙어 있던 중금속을 용액으로 끌어내는 역할을 할 수 있는데요 따라서 오염된 토양이나 폐수 속에서 금속 이온을 추출해내거나, 더 이상 생물학적으로 유해하게 작용하지 못하게 합니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.24
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옥타헤드랄 착물에서 [MA₆] 형태일 때, 이성질체가 존재할 수 있는 경우와 없는 경우는 어떻게 구분할 수 있나요?
안녕하세요. 옥타헤드랄 착물에서 [MA6] 형태를 가질 때 이성질체가 생기는지 여부는 리간드의 종류와 배열 가능성에 따라 결정되는데요, 우선 모든 리간드가 동일한 경우에는 여섯 자리 모두 똑같은 리간드이므로 배열을 바꿔도 차이가 없기 때문에 이성질체 역시 존재하지 않습니다. 다음으로 리간드 5개가 동일하고 1개만 다른 경우 역시 다른 리간드는 어느 자리나 배치해도 같은 대칭성을 가지므로 결과적으로 동일하기 때문에 이성질체를 가지지 않습니다. 다음으로 리간드 4개 동일, 2개가 다른 경우에는 두 개의 B가 옥타헤드랄에서 인접 위치(90°) 에 있으면 cis, 마주보는 위치(180°) 에 있으면 trans가 되므로, 기하 이성질체가 존재합니다. 리간드 3개가 동일하고 3개가 다른 경우에는, 세 개의 B 리간드가 모두 인접해 삼각형 모양을 이루면 facial (fac) 이성질체, 세 개가 직선(한 축에 두 개, 반대축에 하나)으로 배열되면 meridional (mer) 이성질체가 되며 이 역시 이성질체가 존재합니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.24
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배위자란 무엇이며, 단치 배위자와 다치 배위자의 차이는 무엇인가요?
안녕하세요. 질문해주신 것과 같이 배위자는 리간드라고도 불리며 금속 이온 중심에 전자쌍을 제공하여 배위 결합을 형성하는 분자나 이온을 말하는데요 즉, 금속은 빈 궤도를 가지고 있고, 리간드는 비공유 전자쌍을 제공하여 착물을 형성합니다. 이때 단치 배위자란 한 개의 원자가 전자쌍을 제공해 금속과 한 자리로만 결합하는 리간드를 말하는 것으로, 예시로는 H2O, NH3, NO2- 등이 있으며 결합할 수 있는 자리가 오직 하나이므로, 금속과 단일 배위 결합만 형성합니다. 반면에 다치 배위자란 분자 안에 여러 개의 전자쌍 제공 원자를 가져서 금속 이온에 여러 자리로 동시에 결합할 수 있는 리간드를 말하는 것인데요, 이는 리간드 안에 배위 가능한 원자가 몇 개 있는가로 결정됩니다. 대표적인 예시인 에틸렌디아민(en)은 두 개의 N 원자가 각각 전자쌍 제공하기 때문에 이치 리간드에 해당하며, EDTA는 육치 리간드에 해당합니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.24
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배터리는 자주 충전하는 것이 방전하고 풀로 충전하는것보다 좋다고 하는데요. 그럼 그렇지 않은 배터리도 있나요??
안녕하세요. 질문해주신 것과 같이 배터리마다 내부 화학 반응 방식이 달라서 충전 습관이 수명에 미치는 영향도 다르게 나타나는데요, 자주 조금씩 충전하는 것이 좋다는 말은 리튬이온 배터리(Li-ion)에 해당하는 얘기인데, 다른 배터리에는 꼭 맞지 않을 수 있습니다. 우선 리튬이온 배터리의 경우에는 깊게 방전(0%까지)하거나 100% 완충 상태로 오래 두면 수명이 빨리 줄어드는데요 따라서 20~80% 사이에서 자주 보충 충전하는 것이 수명에 유리하며, 결과적으로 자주 충전하는 게 좋다는 말은 리튬이온 배터리에는 맞습니다.다음으로 니켈-카드뮴 배터리의 경우에는 메모리 효과가 있어서, 항상 중간까지만 충전·방전하면 배터리가 마치 그 부분까지만 쓸 수 있는 것처럼 용량이 줄어드는데요, 따라서 주기적으로 완전 방과 완전 충전을 해주는 것이 필요합니다. 따라서 Ni-Cd는 자주 충전하는 것보다, 일정 주기마다 완전 충·방전을 해주는 것이 좋습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.24
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전자저울로 질량을 왜 재나요 (중2 밀도)
안녕하세요. 질문해주신 사항에 대해 답변 드리자면, 우선 질량(m)은 물체가 가진 물질의 양, 위치에 관계없이 변하지 않으며 단위로는 g, kg을 사용합니다. 다음으로 무게(W)는 물체가 중력에 의해 끌리는 힘, W=m×g으로 나타내며, 단위는 N입니다. 즉, 질량은 얼마나 많은 물질이 들어있나를 뜻하고, 무게는 그 물질이 중력 때문에 얼마나 세게 끌려가나를 뜻합니다. 따라서 전자저울은 사실 물체의 무게(힘)를 직접 감지하는데요 물체를 올리면, 그 무게에 해당하는 힘이 저울 내부의 센서에 전달되며, 저울은 그 힘을 전기 신호로 바꾸어 표시합니다. 그런데 여기서 중요한 점은, 저울이 중력이 일정한 조건, 예를 들어서 지구 표면, g ≈ 9.8 m/s²에서 사용된다는 전제로, 측정된 무게를 자동으로 질량 단위(g, kg)로 환산해서 보여준다는 것입니다.이때 보통 일상생활이나 실험실에서 사용하는 저울은 중력가속도 g가 일정하다는 전제를 깔고 있는데요, 따라서 무게와 질량이 비례 관계이므로, 무게를 측정해서 질량 값으로 환산해 주는 방식으로 쓰는 것입니다. 예를 들어 100 g짜리 추를 표준으로 삼아 저울을 교정하면, 다른 물체도 같은 조건에서 그에 비례하는 질량으로 표시되는 것입니다. 따라서 전자저울은 실제로는 무게(힘)를 측정하지만, 지구 표면에서 무게와 질량은 일정한 비례 관계에 있으므로 질량으로 환산해 표시하는 것이며, 그래서 과학 수업이나 밀도 측정 같은 실험에서는 전자저울을 사용해 질량(g, kg)을 구하는 것이 가능합니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.24
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배위결합을 이루는 리간드가 결합할 수 있는 수가 정해져 있는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것처럼 금속 이온과 리간드가 배위결합을 이룰 때 몇 개의 리간드가 결합할 수 있는지, 즉 배위수가 정해지는 것은 여러 화학적·공간적 요인들이 함께 작용하기 때문인데요, 우선 배위 결합은 금속 이온의 빈 궤도와 리간드의 전자쌍이 겹치면서 형성됩니다. 따라서 금속 이온이 사용할 수 있는 빈 궤도의 수와 공간적 배열이 리간드 결합 수를 제한하는데요, 예를 들어서 3d, 4s, 4p, 4d 궤도의 혼성화를 통해 [Fe(H₂O)₆]²⁺ 같은 배위수 6의 착물이 안정화될 수 있습니다. 또한 금속 이온 주위를 리간드가 둘러쌀 때, 서로의 부피, 즉 입체장애가 영향을 주는데요, 이때 H₂O, NH₃ 등과 같이 작은 리간드는 많이 들어갈 수 있지만, PPh₃, bulky chelating ligands 등의 큰 리간드는 적은 수만 안정적으로 결합할 수 있습니다. 게다가 금속 이온의 전하가 크면 많은 리간드를 끌어들일 수 있지만, 동시에 리간드 간의 전자쌍 반발도 커지기 때문에 따라서 정전기적으로 안정된 상태에서 균형이 잡히며, 일정한 배위수가 선호되는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.24
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