안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
화학
Q. NMR에서 외부 자기장과 양성자의 스핀 방향이 일치할 때 에너지가 낮아지는 이유는 무엇인가요?
질문해주신 것과 같이 핵자기공명(NMR)에서 외부 자기장과 양성자의 스핀 방향이 일치할 때 에너지가 낮아지는 이유는 자기 쌍극자와 외부 자기장 사이의 상호작용 에너지 때문인데요, 양성자는 고유한 각운동량, 즉 스핀을 가지고 있고, 이 스핀에 따라 작은 자기 쌍극자 모멘트(μ)를 형성합니다. 이때 이 자기 모멘트는 마치 작은 막대자석처럼 외부 자기장 B₀와 상호작용하게 됩니다. 이 과정에서 자기 모멘트 벡터와 외부 자기장의 방향이 일치하면 에너지가 낮아지기 때문에 더 안정해지는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 에폭사이드의 고리 열림 반응은 왜 산성조건과 염기성 조건에서 생성물이 달라지나요?
에폭사이드의 고리 열림 반응이 조건에 따라 다르게 진행되는 이유는 에폭사이드의 전자 구조와 반응 메커니즘이 산성 조건과 염기성 조건에서 달라지기 때문인데요, 우선 에폭사이드란 삼원자 고리를 가진 고리형 에터로, 고리가 심하게 긴장을 받고 있어 반응성이 높습니다. 따라서 친핵체가 쉽게 공격할 수 있는데, 어디를 공격하느냐가 반응 조건에 따라 달라지게 됩니다.우선 염기성 조건에서는 친핵체(Nu⁻)가 직접 에폭사이드의 탄소를 공격하는데요 메커니즘은 SN2 반응과 유사하게 진행되므로, 친핵체는 입체적으로 덜 막힌, 즉 1차 또는 2차 탄소를 선호해서 공격하게 되며 따라서 염기성 조건에서는 덜 치환된 탄소 쪽에서 고리가 열리게 됩니다.반면에 산성 조건에서는 먼저 에폭사이드의 산소에 H+가 결합한 후에 반응이 이루어집니다. 따라서 일종의 탄소 양이온 비슷한 중간체가 형성되는데요, 이로 인해 고리 내 탄소들은 부분적으로 양전하를 띠게 되는데, 그중에서 더 치환된 탄소가 친핵체의 공격을 받기 쉬워지기 때문에 산성 조건에서는 더 치환된 탄소 쪽에서 고리가 열리게 되는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 금속에 다른 금속을 표면에 입히는 도금 과정은 전기 분해를 통해서 할 수 있다고 하던데 어떤 원리로 할 수 있나요?
네, 말씀해주신 것과 같이 도금이란 금속 표면에 다른 금속을 입히는 것을 말합니다. 도금할 때는 보통 도금을 하고자 하는 물체를 음극(–) 으로, 도금에 사용할 금속을 양극(+) 으로 연결한 뒤, 두 전극을 해당 금속 이온을 포함한 전해질 용액에 담급니다. 이후 전원 장치를 통해 전류를 흘리면, 양극에서 금속 원자가 전자를 잃고 금속 이온(Mⁿ⁺)으로 용액 속으로 녹아 들어가는데요, 이렇게 방출된 금속 이온은 용액을 통해 음극으로 이동하여 전자를 받아 다시 금속 원자로 환원되고, 이 금속 원자가 음극 표면에 차곡차곡 쌓여서 도금이 이루어지는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 양지식물은 왜 음지식물보다 색이 더 연한가요?
네, 말씀해주신 것과 같이 양지식물과 음지식물의 잎 색 차이는 주로 엽록소 농도와 광합성 적응 방식의 차이로 인해 설명할 수 있는데요, 우선 양지식물은 햇빛이 풍부한 환경에서 성장하기 때문에, 잎이 지나치게 짙으면 태양광을 과도하게 흡수하여 광손상을 겪을 수 있습니다. 따라서 햇빛이 충분한 환경에서는 엽록소를 상대적으로 적게 합성하여 잎 색이 연하게 나타나게 되는 것입니다. 반면 음지식물은 그늘이나 숲 속과 같이 빛이 제한된 환경에서 자라므로, 적은 빛도 최대한 흡수해야 하는데요, 이에 따라 엽록소를 많이 축적하여 잎이 진한 녹색을 띠게 됩니다. 또한 양지식물은 엽록소뿐 아니라 카로티노이드와 같은 보조 색소를 적절히 조절하여 빛 과다로 인한 산화 스트레스에 대비할 수 있습니다. 음지식물은 카로티노이드 비율은 낮고 엽록소가 많아 색이 진하게 보이는 반면, 양지식물 잎은 표피가 두껍고 기공이 발달하여 과도한 빛과 수분 손실을 조절하며 음지식물 잎은 얇고 넓게 퍼져 있어 적은 빛도 효율적으로 흡수할 수 있도록 구조가 발달되어 있습니다. 결국 양지식물과 음지식물의 잎 색의 차이는 햇빛 환경에 따른 광합성 적응 전략의 결과로, 햇빛이 풍부한 양지식물은 엽록소가 적어 잎 색이 연하고, 빛이 부족한 음지식물은 엽록소가 많아 잎 색이 진하게 나타난 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 비자발적인 전지를 구성했을 때 왜 백금을 주로 사용하나요?
비자발적인 전지, 즉 전기분해 장치를 구성할 때 백금(Pt) 전극을 자주 사용하는 이유는 주로 그 화학적 안정성과 전기적 특성과 관련이 있는데요, 우선 전기분해에서는 전극 표면에서 산화-환원 반응이 일어납니다. 만약 전극 자체가 쉽게 산화되거나 환원되면, 분해 대상 물질 대신 전극이 반응해버려 결과가 왜곡되는데요 백금은 귀금속으로 산화되거나 녹슬기 어렵고, 전기분해 환경에서도 거의 반응하지 않아 비활성 전극으로 적합하며 특히 백금은 전기전도성이 우수하기 때문에 주로 사용되는 것입니다. 이외에도 백금은 수소 발생 반응(H⁺ → H₂)이나 산소 발생 반응(OH⁻ → O₂)에서 반응 속도를 촉진시키는 우수한 촉매 역할도 하는데요, 덕분에 과전압을 줄여 전기분해 효율이 좋아집니다.백금 이외에 사용할 수 있는 전극으로는 흑연 전극이 있는데요, 값이 저렴하고 불활성에 가까워 자주 사용되며 단, 산소 발생 반응에서는 표면이 조금씩 산화 및 부식될 수 있어 장기 안정성은 백금보다 떨어집니다. 감사합니다.
화학
Q. 이온음료 냉동실에 넣은지 1시간정도 되었는데 살얼음이 생기네요?
말씀하신 것처럼 이온음료는 물이나 탄산음료보다 상대적으로 빨리 어는 것처럼 보이는 현상이 나타나는데요, 이온음료는 물 + 당류(포도당, 과당 등) + 전해질(나트륨, 칼륨, 마그네슘, 염화물 등) + 유기산(구연산 등)으로 이루어져 있습니다. 이 중 전해질과 당류는 용질로 작용하여 원래라면 순수한 물보다 어는점 내림 효과를 나타내는데요 즉, 같은 온도에서라면 물보다 늦게 얼어야 하는 게 맞습니다. 왜 빨리 어는 것처럼 보이는지에 대해서 생각해보자면 우선 이온음료에 들어 있는 전해질은 양이 아주 적은데요, 탄산음료에는 탄산가스 + 당류가 훨씬 많이 녹아 있어 실제로는 어는점이 물보다 더 크게 내려갑니다. 따라서 탄산음료는 훨씬 더 낮은 온도까지 식어야 어는 반면, 이온음료는 어는점 내림 효과가 작아서 상대적으로 쉽게 얼기 시작하는 것입니다. 반면에 탄산음료는 내부 압력 때문에 액체 상태가 더 안정화되는데요 냉동실에 두면 과냉각 상태가 되었다가, 개봉하거나 충격을 줄 때 갑자기 얼어붙는 경우가 많으며 이 때문에 얼어붙는 순간이 지연된 것처럼 느껴지는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 실온에서 참기름과 들기름을 실험해보면?
참기름과 들기름은 모두 불포화지방산이 풍부한 기름이지만, 구성 지방산의 차이 때문에 산패 속도 즉, 산화되면서 향과 맛이 변질되는 속도가 크게 다른데요 우선 참기름은 주로 올레산(ω-9 단일불포화지방산, 약 40%)과 리놀레산(ω-6, 다중불포화지방산, 약 40%)으로 구성되어 있습니다. 들기름은 주로 α-리놀렌산(ω-3, 다중불포화지방산, 55~65%) 함량이 매우 높습니다. 실온 보관(20~25℃, 직사광선 X, 개봉 후) 조건을 기준으로 연구 데이터와 식품 저장학에서 알려진 결과를 종합해보면 우선 참기름은 상대적으로 안정적이기 때문에 개봉 후 3~6개월 정도까지는 큰 변화가 없으며 항산화 성분 덕분에 보관성이 좋은 편입니다. 다음으로 들기름은 산화가 매우 빨라서 개봉 후 1~2개월 이내에 산패가 시작되며 특히 뚜껑이 자주 열리고 공기 접촉이 많으면 수 주 내에도 냄새가 변할 수 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 비자발적인 전지에서 용융 상태와 수용액 상태일 때 각각 산화와 환원은 어떤 식으로 달라지나요?
네, 질문해주신 것과 같이 비자발적인 전지, 즉 전해 전지에서 어떤 물질이 산화-환원되는지는 전기분해가 용융 상태에서 진행되느냐 아니면 수용액 상태에서 진행되느냐에 따라 달라집니다. 우선 용융 상태에서는 순수한 염, 예를 들어서 NaCl을 고체에서 가열하여 녹여 만든 이온 상태인데요, 이때는 해당 화합물에서 유래한 양이온과 음이온만 존재하며 따라서 전기분해 반응도 단순하게 일어납니다. 즉, 용융 상태에서는 화합물 이온 그대로 전극 반응이 일어납니다.반면에 수용액에서는 단순히 염이 해리된 이온만 있는 것이 아니라, 물(H₂O) 자체도 산화-환원될 수 있는 경쟁 반응에 참여하는데요, 따라서 어떤 반응이 실제로 일어날지는 각 이온의 표준 전극 전위(E°)와 물의 산화·환원 전위와의 상대적인 차이에 의해 결정됩니다. 즉, 수용액 상태에서는 물의 산화-환원 반응과 용질 이온의 반응이 경쟁하며, 전극 전위가 더 유리한 쪽이 실제 반응으로 일어납니다. 감사합니다.
화학
Q. 갈바니 전지와 전해전지에서 전극의 부호가 반대인 이유는 무엇인가요?
질문해주신 것처럼 갈바니 전지와 전해 전지에서 전극의 부호가 서로 반대가 되는 이유는 전자가 이동하는 원동력이 어디에서 기인하는가 즉, 반응이 자발적으로 일어나는지 아니면 외부에서 강제로 밀어붙여야 하는지에 달려 있는데요, 우선 갈바니 전지의 경우를 보면, 두 전극 사이의 전위차 때문에 자발적인 산화-환원 반응이 일어납니다. 산화가 일어나는 전극에서는 전자가 방출되어 외부 회로로 이동하고, 이때 전자를 내놓는 쪽은 상대적으로 전위가 낮으므로 -극이 됩니다. 반대로 환원이 일어나는 전극은 전자를 받아들이는 쪽이므로 전위가 높아 상대적으로 +극이 되며 즉, 갈바니 전지에서는 산화 전극 = 음극, 환원 전극 = 양극이라는 관계가 성립합니다.반면에 전해 전지에서는 자발적이지 않은 반응을 외부 전원이 강제로 진행시킵니다. 이때 외부 전원에서 전자를 밀어 넣어 주는 전극이 환원이 일어나는 곳인데, 여기서는 외부 전원이 전자를 공급하므로 전자가 모여드는 전극이 -극이 되고, 반대로 산화가 강제로 일어나야 하는 전극은 외부 전원에 의해 전자가 뽑혀 나가기 때문에 전자가 부족해지고, 따라서 상대적으로 +극이 됩니다. 즉, 전해 전지에서는 산화 전극 = 양극, 환원 전극 = 음극이라는 관계가 성립하여 갈바니 전지와 정반대가 됩니다. 감사합니다.
화학
Q. 갈바니 전지는 언제 방전이 일어나나요?
질문해주신 것과 같이 갈바니 전지가 방전한다는 것은, 전지를 구성하는 두 전극 사이에 전자가 실제로 흐르면서 외부 회로로 전류가 나가는 과정을 의미합니다. 우선 갈바니 전지는 서로 다른 금전극과 전해질을 조합했을 때 전위차가 발생하고, 이 전위차에 의해 자발적인 산화-환원 반응이 동시에 일어나도록 설계된 장치인데요, 방전이 시작되는 순간은 외부 회로가 닫혀 두 전극이 전선으로 연결될 때입니다. 이때 금속 전극 중에서 상대적으로 환원력이 큰 금속이 산화되며 전자를 잃고, 그 전자가 전선을 따라 다른 전극으로 이동하여 그곳에서 환원 반응을 일으키게 됩니다.예를 들어, 아연–구리 전지(Zn–Cu 전지)에서는 아연이 아연 이온(Zn²⁺)으로 산화되면서 전자를 방출하고, 그 전자가 구리 전극으로 이동해 용액 속의 Cu²⁺ 이온이 환원되어 구리 금속으로 석출되며, 이런 반응이 연속적으로 진행될 때 전자가 계속 흘러 전류가 유지되며, 우리는 이를 전지가 방전되고 있다고 표현합니다. 즉 갈바니 전지가 방전되는 조건은 외부 회로가 연결되어 있어 전자가 이동할 수 있는 통로가 있어야 하며, 두 전극 사이에 충분한 전위차가 존재해서 산화-환원 반응이 자발적으로 일어날 수 있어야 합니다. 감사합니다.