안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
화학
Q. 중간체와 전이상태는 어떠한 차이를 가지나요?
안녕하세요. 중간체와 전이상태에 대해 질문 주셨는데요, 우선 전이상태란 화학 반응에서 반응물이 생성물로 전환되는 과정 중 가장 높은 에너지 상태를 말하는 것으로 반응 좌표 상에서 에너지 장벽의 꼭대기에 위치합니다. 이 상태는 매우 불안정하고 순간적인 상태로 존재 시간은 극히 짧으며 원자가 부분적으로 결합된 상태를 가지고 있어, 완전히 분리된 물질처럼 존재할 수 없기 때문에 따라서 흔히 구조를 정확히 분리하여 관찰할 수 없고, 이론적 계산이나 반응 속도 연구를 통해 추정합니다. 다음으로 중간체란 다단계 반응에서 한 단계가 끝나고 다음 단계가 시작되기 전에 형성되는 비교적 안정한 화학종을 말하는데요, 반응 좌표 상에서는 국소적 에너지 최소점에 위치합니다. 상대적으로 안정하여 분리, 검출, 관찰이 가능한 것이며 라디칼, 카보양이온, 카르보아니온, 분자간 복합체 등 다양한 형태로 존재할 수 있습니다. 반응 속도나 조건을 조절하면 실제로 화학 실험에서 얻을 수 있는 경우도 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 발열 반응과 흡열 반응에서 온도가 평형 상수에 미치는 영향은 어떤 차이가 있나요?
안녕하세요. 질문해주신 것과 같이 발열 반응과 흡열 반응에서 온도가 평형 상수에 미치는 영향은 르샤틀리에 원리와 반응의 열역학적 관계를 통해 이해할 수 있습니다. 우선 발열반응은 말씀해주신 것과 같이 반응물이 생성물이 되는 과정에서 에너지를 방출하며, 반대로 흡열반응은 반응물이 생성물이 되는 과정에서 에너지를 흡수해야 합니다. 르샤틀리에 원리에 따르면, 계에 온도, 압력, 농도와 같은 외부조건이 변화하면 평형은 그 변화를 상쇄하려는 방향으로 이동하는데요, 발열반응의 경우 온도를 높이면, 외부에서 열이 추가된 것이므로 평형은 열을 흡수하는 방향, 즉 역반응으로 평형이 이동하는 것입니다. 반대로 흡열반응에서는 온도를 높이면, 외부에서 열이 공급되므로 평형은 정반응으로 이동하게 됩니다. 감사합니다.
화학
Q. 고1 통합과학2 광합성할때 산화환원
안녕하세요. 식물에서 광합성이 일어날 때 말씀해주신 것과 같이 CO2는 환원이 되고, H2O는 산화가 됩니다. 이때 산화란 전자를 잃는 것을 의미하며, 환원이란 전자를 얻는 것을 의미합니다. 광합성이 진행되는 동안 H2O는 전자를 잃고 다음과 같은 반응을 통해 H₂O → ½ O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ 산화됩니다. 반면에 CO₂는 전자를 얻어 에너지가 높은 유기물(C₆H₁₂O₆)로 변하는데요, 그래서 CO₂가 환원된다고 말하는 것입니다. 즉 광합성에서는 물에서 전자를 뺏어서 CO₂에 줘서 포도당을 만든다라고 생각하면 됩니다. 물이 산화되고 CO₂가 환원되는 이유는 전자 이동 때문이라는 사실만 기억하면, 그냥 외우는 것보다 훨씬 이해가 쉬울 것 같습니다 감사합니다.
화학
Q. 왜 동일한 반응물이라도 온도에 따라서 반응 속도가 달라지나요?
안녕하세요. 화학 반응 속도가 온도에 따라 달라지는 이유는 분자 운동과 활성화 에너지와 관련이 있는데요, 우선 반응물이 반응을 일으키려면 서로 충돌해야 하는데, 온도가 높아지면 분자들의 평균 운동 에너지가 증가합니다. 운동 에너지가 증가하면 충돌 빈도가 증가하고, 분자들이 서로 부딪칠 때 충분한 에너지를 갖게 되어 반응이 일어날 확률이 높아집니다.이때 모든 화학 반응에는 반응물이 생성물로 변하기 위해 넘어야 하는 에너지 장벽, 즉 활성화 에너지(Eₐ)가 존재하는데요, 온도가 높아지면 더 많은 분자가 이 활성화 에너지 이상을 갖게 되어 반응할 수 있으며 이를 수학적으로 표현하면 아레니우스 방정식을 표현할 수 있습니다. 즉 온도가 높을수록 분자 운동이 활발해지고, 충돌할 때 활성화 에너지를 충분히 갖는 분자가 많아지는데요, 그 결과 같은 반응물이라도 반응 속도가 빨라지고, 속도 상수 k가 증가하는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 유투브를 보다가 고릴라가 동물원에서 짝짓기하는데
안녕하세요. 네, 질문해주신 사항에 대해서 답변드리자면 가장 인간과 유전적으로 가까운 동물은 침팬지라고 할 수 있습니다. 인간과 침팬지는 DNA 염기 서열 기준으로 약 98~99%가 동일한데요 이는 인간과 다른 동물들, 예를 들어 인간과 약 98% 일치하는 고릴라, 인간과 약 97% 일치하는 오랑우탄과 비교해도 가장 높은 수치입니다.침팬지는 사회적 상호작용, 도구 사용, 문제 해결 능력, 심지어 감정 표현에서도 인간과 비슷한 행동을 나타내며 고릴라도 인간과 상당히 유사한 유전자를 가지고 있으며, 사회적 행동과 감정 표현에서 인간과 닮은 모습을 보이지만, 침팬지보다는 유전적 거리가 조금 더 멀어 행동이나 생리적 특징이 조금 다릅니다. 따라서 인간과 유전적으로 가장 가까운 동물은 침팬지라고 할 수 있겠습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 체관과 물관 세포가 서로 맞닿아 있는 것은 동화산물을 수송할 때 어떠한 장점이 있나요?
안녕하세요. 말씀해주신 것과 같이 식물에서 체관과 물관 세포가 서로 맞닿아 있는 구조는 식물에서 동화산물, 주로 설탕의 효율적인 수송과 관련이 있습니다. 체관에서 설탕과 같은 동화산물이 부유물질이 풍부한 체관 원형질체 안으로 적재되면, 해당 부위의 삼투압이 높아지는데요, 이처럼 삼투압이 높아지면 체관 세포 안으로 물관에서 물이 이동하게 됩니다. 이때 체관과 물관이 바로 맞닿아 있으면, 물관에서 물이 체관으로 이동하는 경로가 짧아 수송 효율이 높아지는 것이며, 반대로 체관과 물관이 멀리 떨어져 있다면 물을 끌어오는 데 더 많은 에너지와 시간이 필요하게 됩니다.또한 물관과 체관이 맞닿아 있으면, 뿌리나 저장조직에서 필요한 부위로 빠르게 물이 공급되어 압력차 유지가 용이한데요 즉, 체관-물관 간의 물 교환이 원활해져 설탕 등 동화산물이 빠르게 장거리 이동할 수 있게 됩니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 토양의 염류 농도가 높을 경우 식물의 무기이온 수송과 수분 흡수에 어떠한 문제가 생길 수 있나요?
안녕하세요. 말씀해주신 것과 같이 토양의 염류 농도가 높을 경우 식물에게는 크게 두 가지 문제가 발생할 수 있는데요 무기이온 수송의 장애와 수분 흡수의 저해입니다. 우선 토양에 염류가 과도하게 많으면, 특히 Na⁺, Cl⁻ 같은 이온 농도가 높아지면 식물 세포가 정상적으로 필요한 K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, NO₃⁻ 등의 무기이온을 흡수하기 어려워지는데요, 이는 경쟁적 억제 현상 때문입니다. 예를 들어, K⁺와 Na⁺는 화학적으로 비슷하기 때문에 Na⁺가 많으면 K⁺가 뿌리 세포막의 수송 단백질에 의해 흡수되는 과정이 방해받습니다. 또한 세포막 전위와 관련된 전기화학적 기울기가 손상될 수 있는데요, 토양에 Na⁺나 Cl⁻가 과다하면 뿌리 세포 밖의 양전하가 증가해 정상적인 H⁺-구동 능동수송이 효율적으로 작동하지 못하게 되며 결과적으로 양이온이나 음이온의 흡수가 저하됩니다.다음으로 토양의 염류 농도가 높으면 토양 용액의 삼투압이 증가하는데요, 식물 뿌리 세포가 물을 흡수하려면 뿌리 내부보다 토양 용액의 삼투압이 낮아야 하는데, 염류 농도가 높으면 삼투압 차이가 줄어들거나 역전될 수 있습니다. 이렇게 되면 뿌리가 물을 흡수하기 어려워지고, 심한 경우에는 삼투압으로 인해 세포 내 물이 빠져나가 탈수 스트레스가 발생할 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 뿌리털이 토양으로부터 무기 이온을 흡수할 때 수동수송과 능동수송은 각각 어떻게 일어나나요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 뿌리털이 토양으로부터 무기 이온을 흡수할 때 수동수송과 능동수송은 서로 다른 원리로 작동합니다. 우선 수동수송은 에너지 소비 없이 물질이 이동하는 과정인데요, 이때 농도 차나 전기화학적 기울기를 따라 이동하며, 대표적으로 단순확산과 촉진 확산이 있습니다. 단순확산이란 무기 이온이 세포막을 직접 통과하는 경우이며 대부분 이온은 극성이거나 전하를 띠므로 지질 이중층을 직접 통과할 수 없습니다. 하지만 산소, 이산화탄소처럼 비극성 분자는 세포막을 자유롭게 통과할 수 있습니다. 대부분의 무기 이온은 이온 통로를 통해 이동하는 촉진확산의 방식을 따르는데요, 예를 들어, 토양 속 K⁺ 농도가 뿌리 세포 내보다 높으면, K⁺는 농도 기울기를 따라 뿌리털 세포 안으로 확산됩니다. 여기서는 에너지를 ATP로 직접 쓰지 않으며, 전기적/농도 기울기가 충분해야만 이동이 일어납니다.반면에 능동수송은 세포가 에너지를 사용하여 농도 기울기와 반대 방향으로 물질을 이동시키는 과정으로 식물에서 주로 ATP를 사용하는 펌프가 관여합니다. 예를 들자면 뿌리 세포막에는 H⁺-ATPase가 존재하여, 세포 안의 H⁺를 토양 쪽으로 내보내는데요, 이로 인해 세포 안은 음전하를 띠게 되고, 세포 밖은 양전하가 많아집니다. 결과적으로 K⁺, NO₃⁻ 같은 양이온이 세포 안으로 들어오기 쉬운 전기화학적 기울기가 형성됩니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 물관을 통한 물의 수송에서 응집력과 장력이 작용할 때 수소 결합은 어떤 역할을 하나요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 식물체 내에서 물이 뿌리에서 잎까지 수송되는 과정은 응집-장력설로 설명할 수 있으며, 이때 물 분자 사이의 수소 결합이 핵심적인 역할을 합니다.우선 물 분자는 극성을 띠고 있어 한 분자의 산소와 다른 분자의 수소 사이에 수소 결합이 형성되는데요, 이 수소 결합 덕분에 물 분자들은 강하게 끌어당겨 서로 연결된 연속적인 물 기둥을 형성할 수 있습니다. 이때 만약 수소 결합이 없다면, 물 분자들은 쉽게 분리되어 긴 관을 따라 수 m ~ 수십 m 이상 끌어올려질 수 없습니다.또한 잎의 기공을 통해 수분이 기화하면, 잎 세포 벽에 있는 물이 당겨져 위쪽으로 장력이 발생하는데요, 이 장력이 아래쪽의 물관에까지 전달되어, 뿌리에서 잎까지의 물 기둥 전체를 위로 끌어올립니다. 이때 물 기둥이 끊기지 않고 장력이 전해질 수 있는 이유가 바로 수소 결합으로 형성된 응집력 덕분입니다. 또한 물은 셀룰로오스 성분으로 이루어져 있는 물관 벽에 있는 극성 작용기와도 수소 결합을 형성하여 관 벽에 달라붙는데요, 이 부착력 덕분에 장력에 의해 아래로 떨어지지 않고, 관 벽을 따라 안정적으로 이동할 수 있는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 식물 뿌리에서부터 물의 흡수 경로는 어떻게 나타나나요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 식물의 뿌리에서 물이 흡수되어 줄기를 거쳐 잎까지 올라가는 과정은 매우 정교한 경로를 따르며, 특히 뿌리 피층에서의 이동 방식에 따라 크게 세포벽 경로, 세포질 경로, 공동체 경로로 나눌 수 있습니다. 우선 세포벽 경로란 세포벽과 세포벽 사이의 공간, 세포간극 등을 통해 물이 이동하는 방식으로 세포질 안으로 들어가지 않고, 세포막을 거치지 않은 채 비세포질적 공간을 따라 빠르게 이동합니다. 이때 물의 확산 속도가 빠르며 뿌리 표피에서 내피 직전까지 효율적으로 이동 가능합니다. 그러나 내피의 카스파리안 띠에서 차단되며, 이는 수베린이 함유된 방수 구조로, 세포벽을 통한 단순 확산을 막고, 결국 물은 세포막을 통과해야만 안쪽으로 들어갈 수 있습니다.다음으로 세포질 경로란 물이 세포막을 통과하여 세포질로 들어온 뒤, 원형질연락사를 통해 인접한 세포의 세포질로 연속적으로 이동하는 방식입니다. 세포막을 한 번 통과해야 하므로 선택적 투과성이 작용하며 물과 용질의 선택적 조절 가능한데요, 이떄 세포질 내부를 거쳐 내피까지 도달하므로, 카스파리안 띠의 차단에 직접적 영향을 받지 않으며 경로 자체는 세포 내부라 속도는 느리지만, 조절이 가능하다는 점이 장점입니다. 마지막으로 공동체 경로란 물이 한 세포에서 세포막을 통해 들어갔다가 다시 빠져나와 인접 세포로 이동하는 과정을 반복하는 것인데요, 세포막을 여러 번 오가며 이동하며 물과 용질 이동에 있어 가장 정밀한 조절이 가능합니다. 상대적으로 에너지 소모가 크고 속도는 느릴 수 있으며 이온 농도 조절, 수분 스트레스 상황과 같은 특정 환경에서 중요한 역할을 합니다. 감사합니다.