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양자역학에서 전자의 파동성은 원자 오비탈 모형과 어떻게 연결되나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 사항에 대해 답변 드리자면 우선 드브로이는 전자는 입자이면서 동시에 파동성을 가진다고 제안했는데요, 즉, 전자도 빛처럼 파동으로 설명 가능하며, 특정 조건에서는 간섭과 회절 현상을 나타낸다는 것입니다. 물론 보어 원자 모형에서는 전자를 원형 궤도로 설명했지만, 현대 양자역학에서는 전자 자체가 파동임을 고려하고 있는데요, 전자가 원자핵 주위를 돌면서 스스로 파동을 형성하며 전자파가 자신과 겹쳐서 상쇄되지 않는 조건에서 전자파가 원자 주위에서 고정된 파수를 가지도록 제한한다는 것입니다. 즉 이를 보어모형과 연관지어 보자면, 전자가 특정 궤도에 있을 때 전자파가 원형 궤도를 한 바퀴 돌면서 파동 위상이 맞으면 안정적이라는 것입니다. 또한 전자의 파동성 때문에 전자는 연속적인 에너지 상태가 아니라 특정 에너지 준위만 가지는데요, 이것이 양자화의 근본 원리이며 오비탈 모형에서 n, l, m 등의 양자수는 전자파의 진동 모드를 나타내게 됩니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.18
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엔트로피가 자발성 판단의 중요한 기준이 되는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 자발적 과정이란 외부에서 일이나 에너지를 추가하지 않아도 자연스럽게 일어나는 과정을 말하는 것인데요 초기에는 무질서도가 증가하는 방향이라는 경험적 정의가 있었지만, 정확하게는 열역학적 상태함수로 설명 가능합니다. 화학 반응의 자발성은 깁스 자유에너지 변화(ΔG)로 판단하는데요, 말씀해주신 것과 같이 깁스자유에너지 변화는 엔탈피 변화와 온도, 엔트로피 변화가 모두 관여합니다. 이때 엔트로피가 중요한 이유는 엔트로피 변화가 충분하면 열역학적으로 자연스럽게 진행되기 때문입니다. 즉 단순히 에너지 만으로는 반응의 자발성을 예측할 수는 없습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.18
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입체화학에서 키랄 중심이 물질의 물리적·생물학적 성질에 영향을 주는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 카이랄 중심이란 4개의 서로 다른 치환기를 가진 탄소 원자를 말하는데요, 거울상이성질체의 관계에 있을 경우 끓는점, 녹는점 등의 물성은 동일하지만 광학적 성질에서 차이가 발생합니다. 한쪽은 편광면을 시계방향으로 회전하며, 다른 한쪽은 반시계방향으로 회전하는데요, 즉, 광학활성에서 차이를 나타내기 때문에 분자 식별 및 분석이 가능한 것입니다. 이때 생체 내 효소, 수용체, 단백질은 대부분 카이랄한 환경인데요, 특정 3차원 배열의 분자만 결합 가능하며 이때 거울상 이성질체는 결합 친화력과 작용이 다르기 때문에 결과적으로 같은 화합물이라도 약리 작용이 크게 다를 수 있는 것입니다. 말씀해주신 것과 같이 탈리도마이드(R-형)은 입덧 완화 작용을 하지만 탈리도마이드(S-형)은 기형을 유발한다는 부작용이 있는데요, 즉 이는 인체 내에서 R ↔ S 형태로 상호변환되기도 하여 큰 문제 발생한 것이며, 결국 키랄 중심이 약물의 안전성과 효능에 직접적인 영향을 준다고 할 수 있겠습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.18
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탄소양이온의 안정성을 설명하는 hyperconjugation 이론은 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 탄소 양이온의 안정성을 설명하는 이론으로 hyperconjugation 이론이 있습니다. 우선 탄소양이온은 전자가 부족한 중심 탄소(C⁺)를 가진 구조인데요, 이러한 전자 결핍으로 인해 매우 반응성이 높으며 안정성의 순서는 3° > 2° > 1° > 메틸 순서입니다. 즉, 치환된 탄소(R)가 많을수록 전자공여 효과(+I 효과)로 양이온 중심의 전자 부족을 완화하기 때문에 안정화되는 것인데요, 하지만 이것만으로는 모든 안정성 차이를 충분히 설명하기 어려워 말씀해주신 hyperconjugation 개념이 등장합니다. Hyperconjugation은 σ결합 전자와 비공유 전자 또는 빈 p 오비탈(C⁺) 사이의 전자 공유 상호작용을 의미하는 것인데요, 즉 양이온 중심의 빈 p 오비탈과 인접 C–H σ결합 전자가 일종의 공명처럼 확산되어 전자를 나누어 가지는 효과인 것입니다. 이를 이용하면 중심 탄소의 빈 p 오비탈과 주변 σ결합 전자가 부분적으로 공유되어 양이온의 전자 부족을 보충할 수 있기 때문에 탄소 양이온의 안정성을 설명할 수 있습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.18
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나이가 들수록 잔소리가 심해지는건, 호르몬의 변화로 볼 수 있나요?
안녕하세요. 나이가 들 수록 잔소리가 심해지는 것은 호르몬의 영향일 수도 있고, 이외의 외부적인 요인에 의한 것일 수도 있습니다. 우선 나이가 들수록 일부 사람들은 스트레스 반응이 민감해지거나 조절이 어려워질 수 있는데요 높은 스트레스 호르몬 수치는 신경민감성과 불안감을 증가시켜, 사소한 일에도 잔소리나 통제를 원하는 행동으로 나타날 수 있습니다. 또한 여성의 경우 폐경기 전후 에스트로겐 감소로 인하여 감정 기복이 심해지며, 인내심이 감소할 수 있고 남성 역시 안드로겐(테스토스테론)이 감소하는데요 이는 일부 연구에서 사회적 공격성이나 참을성 변화와 관련있습니다. 이처럼 호르몬 변화로 인해 감정 조절 능력이 약간 달라지면서 반복적 지적이나 잔소리 행동이 나타날 수 있습니다. 또한 이와 같은 호르몬적 변화 이외에도 나이가 들면서 자신이 가진 경험과 지식이 늘어나면서 더 잘 알고 있다는 인식이 강해지는데요, 이로 인해 자녀나 주변 사람에게 자신의 기준을 반복적으로 전달하려는 경향을 강화하게 됩니다. 또한 은퇴, 자녀 독립 등 삶의 구조 변화로 인해 기존의 역할적 상실감을 겪으면서 이를 잔소리를 통해 존재감을 표현하기도 하는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.18
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너구리가 고양이 사료를 먹으면 건강에 문제가 생길 수 있나요?
안녕하세요. 네, 말씀하신 것처럼 너구리가 고양이 사료를 먹는 상황은 흔히 아파트나 주거지 근처에서 관찰되는데요, 이처럼 너구리가 도심으로 모여드는 이유는 생태계 파괴로 기존 서식지에서 먹이를 구하기 어려워졌기 때문입니다. 우선 너구리는 잡식성의 포유류이기 때문에 주로 과일, 견과류, 곤충, 작은 척추동물, 버섯, 달걀 등을 섭취하는데요 따라서 다양한 영양소를 균형 있게 섭취하는 것을 자연적으로 선호합니다. 고양이 사료는 단백질과 지방이 매우 높은 편이며, 특정 필수 아미노산이 포함되어 있으며 고양이의 소화와 영양 요구량에 맞춰 제조되어 있습니다. 따라서 너구리가 먹기에 지나치게 단백질과 지방이 많고, 탄수화물과 식이섬유가 적긴 합니다. 장기적으로 단백질과 지방 과잉으로 인해 간과 신장에 부담이 될 수 있으며 단백질·지방 위주의 사료를 과다 섭취 시 설사, 구토, 소화불량 가능합니다. 즉, 단기적으로 소량 섭취는 치명적이지 않을 수 있으나, 장기적으로는 영양 불균형, 소화 장애, 비만 등 건강 문제를 초래할 수 있을 것입니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.09.18
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알켄의 첨가 반응에서 Markovnikov의 법칙이 성립하는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 질문해주신 Markovnikov 법칙이란 알켄에 HX(할로젠화 수소)나 H–OH(물) 같은 친전자체(E⁺)가 첨가될 때 수소(H)가 이미 수소가 많은 탄소에 첨가되고, X나 OH가 수소가 적은 탄소에 첨가되는 경향을 나타낸다는 것입니다. 이때 알켄 첨가 반응은 일반적으로 친전자체(E⁺)가 π결합을 공격하는 과정으로 진행되는데요, 우선 π전자밀도가 높은 알켄의 C=C 결합에서 친전자체가 먼저 전자를 공격합니다. 이 과정에서 탄소양이온이 생성되는데요, 이때 H⁺가 어느 탄소에 붙느냐에 따라 중간체 카보양이온의 위치가 달라집니다. 이 과정에서 더 안정한 탄소양이온이 생성되는 방향으로 반응이 진행되기 때문에, 수소가 더 많은 수소를 가진 탄소에 붙고, 그 결과 카보양이온은 더 치환된 탄소에 위치하게 되는 것입니다. 즉 수소가 많은 탄소에 H⁺가 붙으면, 남은 탄소에 생성되는 카보양이온은 치환기가 많아 안정해지기 때문에, 반응이 빠르게 진행되는 것이며 따라서, 친전자체는 안정한 카보양이온에 붙어 최종 생성물이 결정됩니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.18
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베이킹 소다가 산불 진압에 도움이 될 수 있는지 궁금합니다.
안녕하세요. 질문해주신 베이킹 소다는 알칼리성 무기염으로, 화염과 접촉하면 열에 의해 분해되어 이산화탄소(CO₂)를 발생시키는데요, 이때 발생한 CO₂가 산소를 밀어내면서 연소를 억제하게 되는 것입니다. 또한, 분해 과정에서 열을 흡수하여 국소 온도를 낮추고, 화염 확산을 지연시키는 효과가 있는데요, 이러한 이유로 주방용 화재 진압에 제한적으로 사용되고 있습니다. 하지만 산불과 같은 경우에는 나무, 풀, 건조한 잎 등 자연 연료가 넓게 퍼져 있으며, 강한 바람으로 인해 화염이 빠르게 확산되고, 소방관이나 장비가 직접 화염 근처에 접근하기 어렵습니다. 따라서 작은 화재에는 몇 스푼 정도면 효과가 있지만, 산불처럼 수십~수백 헥타르 규모에서는 필요량이 현실적으로 불가능하며, 산불의 열과 바람 때문에 베이킹 소다를 충분히 뿌리더라도 CO₂가 즉시 연소를 억제하기 어렵기 때문에 산불 진압에 적용하기에는 한계가 따릅니다. 따라서 일반적으로 산불 진압 시에는 물 또는 소화액 등을 사용하는데요, 연료를 적셔 연소를 억제하게 됩니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.18
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전이금속 착물에서 배위수가 결정되는 요인은 무엇인가요?
안녕하세요. 질문해주신 전이금속 착물은 금속 중심과 리간드 사이의 배위결합으로 이루어지며, 배위수는 금속 원자를 중심으로 주변에 몇 개의 리간드가 결합할 수 있는가를 나타내게 됩니다. 우선 배위수 결정 요인으로는 금속 중심 요인이 있는데요, 금속 이온의 반지름이 크면 공간적으로 더 많은 리간드를 수용할 수 있습니다. 예를 들어서 큰 금속 이온인 La³⁺, Zr⁴⁺ 등은 8~9배위도 가능하며, 작은 금속 이온인 Fe³⁺, Cr³⁺ 등은 6배위가 일반적입니다. 또한 산화수가 높으면 금속 이온이 더 전자를 끌어당기는 능력이 커지는데요, 이로 인해 배위 결합이 강해집니다. 그러나 높은 산화수는 금속 반지름을 줄여서 공간적 제한을 만들기도 합니다. 다음으로 전이금속의 d-오비탈 전자배치가 배위수와 기하학적 구조에 영향을 줄 수 있는데요, 특히 6배위, 4배위의 구조의 안정성이 d 전자수와 관련되어 있습니다. 또한 영향을 줄 수 있는 요인으로 리간드 요인이 있는데요, 큰 리간드는 금속 주변에 많이 붙기 어려우며 배위자 내에서 두 개 이상의 배위부를 가진 리간드는 배위수를 줄이면서 안정화됩니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.18
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카이랄 중심이 없는 경우에도 광학활성 물질일 수 있는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 카이랄 중심이 없어도 분자가 광학활성을 나타낼 수 있습니다. 우선 광학활성이란 편광면을 회전시키는 능력을 의미하며, 이는 분자가 거울상과 겹쳐지지 않는 구조를 가지고 있을 때 나타나는데요, 일반적으로 카이랄 중심이 있으면 쉽게 광학활성이 생기지만, 카이랄 중심이 없어도 분자 전체 구조가 대칭성이 없으면 광학활성을 가질 수 있습니다. 카이랄 중심이 없지만 광학활성을 갖는 대표적인 예시가 말씀해주신 allen 구조인데요, 이는 C=C=C 형태의 연속 이중결합이며, 중앙 탄소는 sp 탄소로 두 말단의 탄소가 각각 평면을 형성합니다. 하지만 두 말단 탄소에 서로 다른 치환기가 있으면, 전체 분자는 거울상과 겹치지 않는 구조가 되기 때문에, 카이랄 중심이 없더라도 축 카이랄리티가 발생할 수 있습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.18
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