안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. 조화객관환원이론에 대해서 어떻게 생각하시나요
안녕하세요. 말씀해주신 조화 객관 환원 이론은 로저 펜로즈와 스튜어트 해머로프가 제안한 의식 이론으로, 뇌에서 의식이 단순한 신경 신호 처리의 산물이 아니라 양자역학적 현상, 특히 미세소관 안에서 일어나는 양자 중첩과 그 붕괴에 의해 생긴다고 설명하는 이론입니다. 이는 의식은 단순한 뉴런 네트워크 계산 결과가 아니라, 양자 중첩, 붕괴, 패턴 형성의 과정을 통해 순간순간 발생한다는 해석을 제시하는데요 우선 과학계에서 이 이론은 주류가 아닙니다. 우선 뇌는 따뜻하고 습한 환경이라 양자 상태가 매우 쉽게 붕괴되는데, 수십~수백 밀리초 단위로 안정된 양자 중첩이 유지될 수 있을지 의문이 제기되고 있으며, 기존의 신경과학 연구는 의식을 설명하는 데에 꼭 양자 현상을 필요로 하지 않아도 충분히 설명 가능한 모델을 가지고 있기 때문입니다. 하지만 최근 미세소관이 단순한 세포 구조 지지대 역할을 넘어서, 신경세포 내에서 신호 처리와 동기화에 관여할 수 있다는 연구들이 조금씩 나오고 있긴 합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 유전자 치료가 기존 치료법과 다른 점은 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것처럼 미래의 바이오기술로 각광받고 있는 유전자 치료는 기존 치료법과 근본적으로 접근 방식이 다릅니다. 기존 치료법은 주로 질병의 증상이나 결과를 완화하거나 조절하는 데 초점을 맞추었는데요, 예를 들어, 진통제나 항염제와 같은 약물은 이미 나타난 증상을 완화하며, 인슐린 주사나 항생제는 결핍된 물질을 외부에서 보충하여 질병을 조절하지만, 질병의 근본 원인을 해결하지는 못했습니다. 또한 수술적 치료 역시 종양을 제거하거나 장기를 대체하는 방식으로 문제를 해결하지만, 근본적인 유전적 결함을 수정하지는 못합니다. 반면에 유전자 치료는 질병의 근본 원인을 직접적으로 다루는 치료법인데요, 즉 특정 질병의 원인이 되는 결함 유전자나 비정상 유전자를 바로잡거나 정상 유전자를 세포에 전달함으로써 세포 수준에서 질병을 치료하는 것입니다. 즉, 기존 치료법이 증상 완화나 단백질 결핍 보충에 집중했다면, 유전자 치료는 질병의 근본 원인을 수정하여 맞춤형 치료와 장기적인 효과를 제공할 수 있다는 점에서 큰 차이를 나타낸다고 보시면 됩니다. 감사합니다.
화학
Q. 동핵이원자 분자의 경우 라디칼이 쉽게 형성되는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 이핵이원자보다는 H₂, O₂와 같은 이핵이원자분자에서 라디칼이 상대적으로 쉽게 형성됩니다. 균일분해는 공유결합 전자가 두 원자에게 균등하게 나눠지는 과정인데요, 결과적으로 두 개의 라디칼이 형성됩니다. 이때 동핵이원자 분자는 두 원자의 전기음성도가 같아서 전자쌍이 중앙에 균일하게 분포하게 되는데요, 결합 전자를 나눌 때 어느 한쪽에 치우치지 않고 균등하게 분할 가능하기 때문에 라디칼 형성이 용이합니다. 반면, 이핵이원자 분자는 전기음성도 차이가 존재하기 때문에 전자가 더 전기음성도가 큰 쪽으로 치우칩니다. 이로 인하여 균일분해 시 전자가 균등하게 나누기 어려운 것이며 결합이 극성화되어 균일분해보다 이온 형성 경향이 큰 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 촉매가 있는 반응과 없는 반응에서 활성화에너지 차이가 반응속도에 영향을 미치는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 촉매가 활성화 에너지를 낮추어 반응 속도를 높이는 이유는 화학 반응의 속도가 전이 상태의 에너지 장벽에 얼마나 민감한가와 관련이 있는데요, 말씀해주신 것과 같이 촉매는 반응물과 상호작용하여 전이 상태까지 가는 경로를 변경합니다. 결과적으로 활성화 에너지(Ea)가 낮아지며, ΔG는 변하지 않기 때문에 반응의 열역학적 평형은 그대로 유지됩니다. 즉 촉매가 존재하지 않아서 활성화 에너지가 높은 경로는 반응물에서 전이 상태까지 넘어야 하는 장벽이 크기 때문에 반응이 느리게 진행되는 것이며, 반면에 촉매가 존재하면 활성화에너지를 낮추는 새로운 전이 상태 경로를 거치면서 장벽이 낮기 때문에 많은 분자가 전이 상태를 넘어 반응이 빨라지는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 다단계 반응이 진행될 때 반응 전체 활성화 에너지는 어떻게 표현할 수 있나요?
안녕하세요. 질문해주신 것과 같이 다단계 반응에서 반응 전체 활성화 에너지를 이해하려면, 각 단계별 전이 상태와 반응물 및 생성물 에너지를 구분해야 하는데요, 우선 단일 단계 반응에서 활성화 에너지(Ea)는 반응물과 전이 상태 사이의 에너지 차이로 정의되며 즉, 반응물에서 전이 상태까지 도달하는 데 필요한 최소 에너지입니다. 반면에 다단계 반응에서는 여러 개의 전이 상태(TS1, TS2, …)와 중간체가 존재하는데요, 이때 다단계 반응에서 전체 속도를 결정하는 단계는 가장 높은 에너지 장벽을 가진 전이 상태입니다. 따라서 반응 전체 활성화 에너지는 가장 큰 단계의 활성화 에너지로 표현됩니다. 즉 즉, 다단계 반응에서도 전체 반응이 얼마나 빨리 진행되는가는 가장 높은 에너지 장벽에 의해 제한된다고 보시면 됩니다. 감사합니다.
화학
Q. E1이나 E2반응 진행 시에 왜 더 많이 치환된 알켄이 주 생성물이 되나요?
안녕하세요. E1, E2 반응에서 더 많이 치환된 알켄이 주 생성물이 되는 이유는 알켄의 안정성과 관련이 있는데요, 알켄의 안정성은 탄소가 얼마나 많은 알킬기(R)로 치환되어 있는지에 따라 달라집니다. 이는 하이퍼콘쥬게이션과 유도효과와 관련이 있는데요, 우선 알킬기의 σ전자와 C=C π전자 사이의 상호작용을 통해서 π결합 안정화가 가능하며 알킬기는 전자를 공급하여 π결합을 안정화시킬 수가 있습니다. 즉 이러한 요인으로 인해 치환기가 많을 수록 알켄의 안정성은 커지는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 방향족 화합물이 특수한 안정성을 갖게 되는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 질문해주신 것과 같이 방향족 화합물이 특수한 안정성을 가지는 이유는 단순히 이중결합과 단일결합이 반복되기 때문이 아니라, π전자들이 분자 전체에 걸쳐 비편재화되기 때문입니다. 벤젠과 같은 방향족 화합물은 6개의 탄소가 고리 형태로 연결되어 있는데요, 각 탄소는 sp² 혼성화를 가지며, 남은 p 오비탈에는 π전자 하나씩이 있습니다. 이때 이 π전자들이 개별적인 C=C 결합에 국한되지 않고 고리 전체에 퍼져 있는데요, 전자가 분자 전체에 걸쳐서 비펴재화되어 있습니다. 이때 π전자들이 분자 전체에 퍼지면서, 개별 이중결합 상태보다 에너지가 더 낮아지게 되는 것입니다. 즉 π전자가 분자 전체에 퍼져 있기 때문에 부분적인 전하 집중이 없기 때문에 특정 위치에서 반응이 일어나기 어렵고, 분자가 안정적인 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 알케인에서 알카인 쪽으로 갈수록 탄소의 결합된 수소에 산성도가 커지는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 알케인 → 알켄 → 알카인 순으로 갈수록 탄소에 결합된 수소의 산성도가 커지는 이유는 탄소의 혼성 궤도함수(sp³, sp², sp)와 전자 밀도 차이와 관련이 있는 요인입니다.우선 sp 혼성화 탄소는 s 전자 비율이 높아 전자를 핵 쪽으로 끌어당기는 능력이 큰데요 즉, sp 탄소가 결합한 수소(H)의 전자밀도는 낮아져, H⁺로 떨어지기 쉽기 때문에 산성이 증가합니다. 따라서 혼성화(sp³ → sp² → sp)가 증가할 수록 s 전자 비율이 증가하기 때문에 전자가 핵 쪽으로 끌리면서 H의 전자밀도가 낮아지고, 탈리 시 생성된 카르바나이온이 안정화되기 때문에 알카인의 C–H가 가장 산성도가 큰 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 알코올과 에터의 끓는 점을 비교했을 때 왜 알코올의 끓는점이 더 높은가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 알코올과 에터 모두 산소를 포함하지만, 끓는점에서 큰 차이가 나는 이유는 분자 간 상호작용 차이가 있는데요, 우선 물질의 끓는점은 분자 사이의 인력이 얼마나 강한지에 의해 결정됩니다. 분자간 인력이 강할수록 더 많은 열에너지를 공급해야 분자를 서로 떼어내어 기체 상태로 만들 수 있으므로 끓는점이 높은데요, 이러한 끓는점을 높이는 데 기여할 수 있는 분자간의 상호작용으로는 수소결합이 있습니다. 이때 알코올은 OH기를 가지고 있는데요, OH기는 강한 수소결합을 형성할 수 있으며, 수소(H)가 산소(O)와 강하게 상호작용하면서 분자끼리 서로 끌어당길 수가 있기 때문에 분자 간 인력이 강해서 끓는점이 높은 것입니다. 반면에 에터는 산소는 있지만 –OH기가 없으며, 이로 인해 수소결합을 형성할 수가 없습니다. 즉 오직 쌍극자–쌍극자 상호작용과 약한 분산력만 존재하기 때문에 분자 간 인력이 알코올보다 약해서 끓는점이 낮은 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 얼음은 왜 금방 녹는지 궁금해요 알려주세요
안녕하세요. 얼음이 빨리 녹는 이유와 컵 주변에 물이 맺히는 현상은 모두 열역학과 물리학적 에너지 전달과 관련이 있는데요, 우선 얼음은 온도가 0°C이고, 미지근한 음료는 얼음보다 높은 온도를 가지고 있는데 이때 온도 차이가 크면 클수록, 열은 고온에서 저온으로 빠르게 이동합니다. 따라서 음료가 얼음에 열을 전달하면, 얼음의 분자들이 고체 구조를 유지할 수 없을 만큼 에너지가 증가하여 녹게 됩니다. 또한 얼음을 녹이려면 융해열이 필요한데요, 얼음 1g을 녹이는 데 약 334 J의 열이 필요한데, 미지근한 음료는 많은 열을 얼음에 빠르게 전달할 수 있기 때문에, 얼음이 금방 녹는 것입니다.다음으로 공기에는 항상 수증기가 포함되어 있는데요, 공기의 온도와 습도에 따라 포화 상태가 달라집니다. 이때 얼음이 들어간 컵은 차가워져서, 컵 표면의 온도가 공기보다 낮아지며 공기 중 수증기가 컵 표면에 닿으면, 공기가 냉각되어 포화 상태를 넘어 응결됩니다. 따라서 결과적으로 컵 주변에 물방울이 맺히는 것입니다. 감사합니다.