안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. 화분 잎이 하나만 색이 죽었어요ㅠ 어떤문제일까요?
안녕하세요. 올려주신 사진에서 보이는 잎은 가장자리가 갈변하고, 중간 부분은 노랗게 변색된 상태인 것으로 보이는데요, 이런 증상은 식물에서 흔히 나타나는 몇 가지 원인과 관련이 있을 수 있습니다. 우선 가장 의심되는 것은 과습인데요, 흙이 늘 축축하면 뿌리가 산소 부족으로 손상되고, 잎 끝이 갈변하거나 노랗게 변할 수 있습니다. 잎 하나만 색이 죽었다고 하셨는데요 과습의 문제가 아니라면 자연스러운 잎의 노화 과정일 수도 있습니다. 오래된 잎은 광합성 효율이 떨어지면서 먼저 노랗게 되고, 가장자리부터 갈변하면서 떨어져 나가는데요 잎 하나만 이런 증상이면 단순히 수명 다한 잎일 수 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 질량분석기로 화학종을 분석하고자 할 때 여러 피크가 나타나는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요, 질량분석기(Mass Spectrometer, MS)에서 하나의 화학종만 주입했는데도 여러 개의 피크가 나타나는 이유는 우선 동위원소가 존재하기 때문입니다. 원소는 여러 동위원소로 존재하는데요, 예를 들어서 염소(Cl)는 35Cl(약 75%), 37Cl(약 25%) 두 가지 동위원소가 자연적으로 존재하는데요, 이때 Cl 원자를 포함한 분자는 질량 차이만큼 여러 피크가 나타나며 따라서 분자가 단일 성분이어도 자연 동위원소 분포에 따라 M, M+1, M+2 … 피크가 나타나게 되는 것입니다. 또한 이온화 과정에서 분자의 파편이 발생하기 때문인데요, 질량분석기는 보통 전자이온화(EI)나 다른 이온화 기법을 써서 분자를 이온화하는데, 이 과정에서 원래 분자가 깨져서 작은 조각들이 생성되며, 따라서 여러 질량 대 전하비(m/z)에서 피크가 관찰되는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 동핵 이원자 분자에서는 왜 IR이 나타나지 않나요?
안녕하세요. 질문해주신 IR 분광법은 분자가 진동할 때 전기쌍극자 모멘트가 변하는지를 관찰하는 기법인데요, 따라서 이 기법의 핵심은 진동 중에 전하의 불균형이 생겨야 적외선을 흡수할 수 있어야 한다는 것입니다. 즉 어떤 분자의 진동이 IR에서 관찰되려면, 그 진동에 의해 전기쌍극자 모멘트가 변해야 하는데요, 진동은 있어도 쌍극자 모멘트가 변하지 않으면 IR 비활성입니다. H2나 N2 등의 동핵이원자분자의 경우에는 분자들은 두 원자가 같은 전기음성도를 가져서 항상 대칭적 전자 분포를 갖는데요, 따라서 평균 쌍극자모멘트가 0이 됩니다. 결과적으로, 적외선(IR) 복사가 와도 전기장과 상호작용할 수 없으므로 흡수 피크가 나타나지 않는 것입니다. 반면에 동핵 이원자 분자임에도 비대칭 구조인 경우에는 원자 간 전기음성도가 달라서 항상 쌍극자 모멘트가 존재하며 진동할 때 이 쌍극자 크기가 주기적으로 변하기 때문에 따라서 IR에서 강한 흡수 피크가 나타날 수 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. IR에서 왜 H를 포함하는 결합은 파수가 큰 범위에서 peak가 나타나나요?
네, 질문해주신 것과 같이 적외선 분광법(IR)에서 어떤 결합이 흡수하는 파수는 결합이 진동하는 고유 진동수와 관련이 있는데요, 진동수는 고전적인 조화 진동자 모델로 설명할 수 있는데, 여기서 핵심은 결합 세기와 진동에 참여하는 원자들의 질량입니다. 이때 H를 포함한 결합이 큰 파수에 나타나는 이유는 감쇠질량이 매우 작기 때문인데요, H 원자는 질량이 1 u로 매우 가벼우며, 이로 인해 따라서 C–H, O–H, N–H 같은 결합은 모두 다른 원자-원자 결합(C–C, C=O 등)보다 높은 파수에서 관찰되는 것입니다. 또한 결합이 상대적으로 강한데요, O–H, N–H 결합은 공유 결합이 강하고 힘 상수 k가 크기 때문에 진동수가 더 커집니다. 감사합니다.
화학
Q. 액화 기화 이런용어는 어떨때 쓰는 용어 인가요??
네, 질문해주신 '액화'나 '기화'와 같은 용어는 물질이 상을 바꿀 때 쓰는 표현인데요, 화학과 물리학에서는 물질이 고체-액체-기체 사이를 오가며 일어나는 변화를 상변화라고 부릅니다.먼저 고체와 액체 간의 관계에서 융해란 고체 → 액체를 의미하며 대표적인 예시로는 얼음이 물로 녹는 과정이 있습니다. 반대로 응고란 액체 → 고체가 되는 과정을 말하며 예시로는 물이 얼음으로 어는 과정이 있습니다.다음으로 액체와 기체 간의 관계에서 기화란 액체 → 기체를 의미합니다. 이때 증발은 액체 표면에서 서서히 일어나는 기화를 의미하는 것이고, 끓음은 특정 온도, 즉 끓는점에서 액체 전체가 급격히 기화되는 것을 말하며 반대로 액화란 기체 → 액체를 의미하는 것으로 예로는 수증기가 물방울로 바뀌는 과정이 있습니다.마지막으로 고체와 기체 간의 관계에서 승화란 고체 → 기체를 의미하며 드라이아이스가 바로 이산화탄소 기체가 되는 과정이고 재승화란 기체 → 고체를 의미하며 겨울에 수증기가 바로 눈이나 서리로 바뀌는 과정을 의미하는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. NMR에서 O나 N과 결합한 H는 왜 짝지음을 하지 않나요?
네, 말씀해주신 것과 같이 핵자기공명분광법(NMR)에서는 핵 스핀 간의 상호작용 때문에 피크가 갈라지는 짝지음 현상이 나타나는데요, 그런데 실제로 측정해보면 O–H, N–H 결합에 있는 수소는 옆자리 탄소의 수소와 잘 coupling하지 않고 단일 피크로 나타나게 됩니다. 우선 알코올(-OH), 아민(-NH₂), 아마이드(-CONH₂) 같은 그룹의 수소는 용액에서 매우 쉽게 다른 분자와 수소 결합을 하거나, 용매 또는 불순물 속의 다른 프로톤과 교환되는데요, 이 교환 속도가 NMR 측정 시간보다 빠르기 때문에, 다시 말하자면 coupling 상호작용이 측정되기 전에 프로톤이 계속 바뀌어버리기 때문에 평균화되어 싱글렛으로 나타나는 것입니다. 또한 보통 탄소–수소 간의 J coupling은 7 Hz 정도이지만, O–H나 N–H의 경우 전자가 산소나 질소 쪽에 더 끌려가 있어 결합을 통한 스핀 전달이 약하며, 따라서 coupling 효과가 나타나더라도 피크가 갈라질 만큼 크지 않습니다. 감사합니다.
화학
Q. 왜 다단계 반응에서는 반응식의 계수와 속도식의 차수가 무관한가요?
네, 말씀해주신 것과 같이 단일단계 반응에서는 반응식에 나타난 계수가 바로 반응 속도식의 차수와 일치하는데요, 이는 단일 단계 반응이 곧 분자들이 충돌하는 실제 사건을 그대로 반영하기 때문입니다.하지만 대부분의 실제 화학 반응은 여러 단계를 거쳐 진행되는데요, 이 경우 전체 반응식은 단지 시작물질과 생성물의 물질수지를 나타낸 것이고, 속도는 실제로 반응 속도를 지배하는 속도결정단계에 달려 있습니다. 이때 속도결정단계란 여러 반응 경로 중에서 가장 느린 단계로, 전체 반응 속도를 좌우하는데요, 따라서 속도식은 이 단계에 참여하는 실제 반응종의 농도에 의해 결정됩니다. 즉 다른 중간 단계의 계수들은 단지 최종적으로 반응식에 합쳐져 나타날 뿐, 속도와 직접적으로 연결되지 않는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 유전자 변형 작물(GMO)이 농업에 주는 장단점은 무엇인가요?
질문해주신 유전자 변형 작물(GMO)은 특정 유전자를 삽입하거나 제거하여 원하는 형질을 갖도록 만든 작물을 말합니다. 장점으로는 '병충해 및 잡초 저항성 강화'가 있는데요, 해충에 저항하는 Bt 옥수수처럼 자체적으로 살충 단백질을 생산하는 작물은 농약 사용량을 줄일 수 있으며 제초제 저항성 콩이나 옥수수는 잡초 제거가 용이해 노동력과 비용 절감이 가능합니다. 두번째로는 '수확량 증가와 안정적 생산'이 있습니다. 가뭄, 염분, 고온이나 저온 등 환경 스트레스에 강한 형질을 도입하면 기후 변화에도 안정적인 생산이 가능하며 이는 식량 안보 문제 해결에 기여할 수 있습니다. 세번째로는 '품질 및 영양 강화'가 가능한데요, 비타민 A가 강화된 황금쌀처럼 특정 영양소를 보강하여 영양결핍 문제를 개선할 수 있으며 저장성이 개선된 GMO 작물은 유통 기한을 늘려 식품 폐기를 줄일 수 있습니다.반면에 단점으로는 '생태계 교란 가능성'이 제기됩니다. GMO 작물의 유전자가 주변의 야생종과 교배되어 슈퍼잡초 같은 새로운 문제를 만들 수 있는데요, 특정 해충만을 겨냥한 GMO는 시간이 지나면서 내성을 가진 해충의 출현을 촉진할 수 있습니다. 또한 '인체 안전성 논란'이 있습니다. 현재까지 과학적으로 GMO 식품이 인체에 해롭다는 확실한 증거는 부족하지만, 장기적 영향에 대한 불확실성은 여전히 존재하는데요 따라서 아직 알레르기 유발 가능성이나 새로운 독성 물질 생성 가능성에 대한 우려가 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 차세대 전지로 주목받고 있는 전고체 전지는 기존 리튬 이온 전지와 비교했을 때 어떠한 장점이 있나요?
네, 말씀해주신 것과 같이 전고체 전지(ASSB)는 기존의 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한 전지로, 차세대 전지 기술로 주목받고 있습니다. 기존 리튬이온전지는 유기용매 기반 액체 전해질은 가연성, 폭발성 위험이 있었는데요 반면에 전고체 전지는 전해질이 고체이므로 누액, 화재, 폭발 위험이 크게 감소하게 되며, 특히 고전압 및 고에너지 밀도 전극에서도 안정성이 높습니다. 또한 고체 전해질은 리튬 금속 음극 사용 가능을 허용하는데요, 기존 리튬이온전지에서는 금속 리튬 사용이 어렵지만, 전고체 전지는 리튬 수지상 결정의 성장 억제가 가능하며, 결과적으로 단위 부피/질량당 저장 가능한 에너지 증가하여 전기차, 에너지 저장장치(ESS) 등에서 장점이 있습니다. 또한 고체 전해질은 화학적으로 안정하며, 액체 전해질에서 발생할 수 있는 전극 부식이나 분해 반응이 최소화되며 반복적인 충전 및 방전 시 전지 용량 유지가 더 우수해지면서 수명 연장이 가능해집니다. 감사합니다.
화학
Q. 전지에서 전해질이 중요한 역할을 하는 이유는 무엇인가요?
전지에서 전해질은 단순히 용액에 녹아 있는 이온이 아니라, 전류가 흐르도록 하는 핵심 매개체 역할을 하는데요, 가장 큰 역할은 '이온 전도 매개체' 역할을 수행할 수 있다는 점입니다. 전지는 전자를 외부 회로로 흐르게 하는 산화-환원 반응이 일어나지만, 전해질이 없으면 전자를 따라갈 이온이 부족한데요, 전해질 속 양이온과 음이온이 전극 사이에서 전하 균형을 맞추며 이동하는 과정에서 전류를 유지할 수 있습니다. 또한 전지의 안정성에도 관여하는데요, 적절한 전해질은 전극과 반응하면서 불필요한 부반응을 최소화하며 전해질이 전극 표면에서 보호막을 형성해 전극 손상을 방지하게 됩니다. 전해질이 불안정할 경우 여러가지 문제가 발생할 수 있는데요, 우선 전해질이 불안정하면 이온 이동이 느려져 내부 저항 증가하기 때문에 전류가 약해지고 전지 효율 감소할 수 있습니다. 또한 전해질이 전극과 화학적으로 반응하여 가스가 발생하거나 전극이 손상될 수 있으며, 예를 들어서 수계 전해질에서 전압이 높으면 물이 분해되어 H₂와 O₂가 발생하게 됩니다. 감사합니다.