안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
화학
Q. 지방족 탄화수소에서 지방족이 기름일까요?
네, 질문해주신 지방족(aliphatic)이라는 말 때문에 흔히 지방(fat)에서 온 것 아니냐고 오해하기 쉬운데, 화학적으로는 ‘기름’이라는 의미의 지방과 직접적인 관련은 없습니다. 19세기 화학자들이 기름에서 얻어지는 여러 사슬형 탄화수소를 묶어 부르기 위해 aliphatic이라는 용어를 쓴 것이 지금까지 이어진 것인데요, 따라서 어원적으로는 ‘기름’과 관계가 있지만, 화학적 의미에서의 ‘지방족’은 단순히 방향족이 아닌, 사슬형 탄화수소 계열 전체를 가리키는 용어로 굳어졌습니다.다시 말씀드리자면 '지방족'은 방향족 고리 구조가 없는 탄화수소를 말하는 것이며, 여기에는 곧은 사슬형, 가지형, 고리형의 알케인까지 포함됩니다. 감사합니다.
화학
Q. 수소결합은 공유결합이나 이온결합보다 약함에도 불구하고 물성에 큰 영향을 미치는 원리가 무엇인가요?
네, 말씀해주신 것처럼 수소결합은 공유결합이나 이온결합에 비해 결합 에너지가 훨씬 작아 보통 수~수십 kJ/mol 정도에 불과한데요, 하지만 물성에 큰 영향을 미치는 이유는 개별 결합의 강도가 아니라, 결합이 형성되는 수와 구조 때문입니다. 우선 물 분자 하나는 산소에 두 개의 비공유 전자쌍을 가지고 있고, 수소 원자도 두 개가 있어서 네 개의 수소결합을 형성할 수 있는데요, 이 때문에 물 분자들은 단순히 독립적으로 존재하지 않고, 광범위한 수소결합 네트워크를 만들어 집단적으로 매우 안정된 구조를 형성합니다. 따라서 단일 결합이 약하더라도 전체적으로는 물성에 강한 영향을 줍니다.또한 수소결합은 약해서 쉽게 끊어지고 다시 형성될 수 있는데, 이 특성이 물에 독특한 점성을 부여하고 높은 비열, 높은 기화열 등 열역학적 성질을 설명합니다. 즉, 끊고 맺는 과정이 빠르게 반복되면서도 순간적으로 강력한 네트워크가 유지하게 됩니다. 감사합니다.
화학
Q. 금속이 전도성과 전성 및 연성을 갖게 되는 원리는 어떻게 설명할 수 있나요?
네, 말씀해주신 것처럼 금속에서는 원자들이 가전자 전자를 집단적으로 공유하여 전자를 특정한 한 원자에 속박하지 않고, 전자들이 자유전자 형태로 금속 전체에 퍼져 있게 되는데요, 따라서 금속은 흔히 양이온 격자가 자유전자 바다 속에 잠긴 구조인 전자 바다 모형으로 이해할 수 있습니다.우선 전도성의 원리를 전기전도성의 측면에서 설명하자면, 자유전자는 금속 전체에 걸쳐 퍼져 있기 때문에, 외부에서 전기장이 걸리면 전자들이 쉽게 이동할 수 있는데요, 이 자유전자의 흐름이 곧 전류가 되므로, 금속은 전기 전도성이 큽니다. 다음으로 열 전도성의 측면에서는 금속 내부에서 열이 가해지면 자유전자가 에너지를 받아 빠르게 이동하면서 다른 전자 및 격자와 충돌하여 에너지를 전달하는데요, 따라서 열도 잘 전달됩니다.다음으로 전성과 연성의 원리는 다음과 같은데요, 우선 금속 원자는 양이온 격자로 배열되어 있는데, 이 격자는 자유전자 바다 속에 떠 있습니다. 이때 외부에서 충격이나 힘을 가해 원자층이 밀려나도, 자유전자가 격자를 계속 붙잡아 주기 때문에 결합이 끊어지지 않고 새로운 배열로 다시 안정될 수 있으며 이로 인해 금속은 쉽게 깨지지 않고 두드리면 얇게 펴지는 전성과 잡아당기면 가늘게 늘어나는 연성을 갖게 되는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 갈바닉 전지에서 염 다리는 어떤 역할을 하며 없을 경우에는 전지 반응이 어떻게 달라지나요?
네, 질문해주신 것처럼 갈바닉 전지에서 염 다리는 단순한 연결 부품이 아니라, 전지가 지속적으로 작동할 수 있게 해 주는 핵심 장치인데요, 염 다리의 중요한 역할은 '전하 평형 유지'입니다. 전극 반응이 진행되면, 산화 전극(음극)에서는 금속이 전자를 잃고 금속 이온이 용액으로 들어가므로 양이온 농도가 점점 많아지며 반대로 환원 전극(양극)에서는 금속 이온이 전자를 받아 고체 금속으로 석출되므로 용액 속 양이온 농도가 줄고 상대적으로 음전하(음이온)가 많아집니다. 이렇게 되면 전하 불균형이 커져 전자의 흐름이 곧 멈추게 되는데요, 이때 염 다리는 이를 막기 위해, 보통 KNO₃, KCl과 같이 반응에 직접 관여하지 않는 전해질 용액을 채워 넣어 양쪽 전해질 용액 사이에서 이온의 이동 통로 역할을 합니다. 즉, 음극 쪽에는 음이온이 이동해와서 과도한 양전하를 중화시키고, 양극 쪽에는 양이온이 이동해와서 과도한 음전하를 중화시키게 되는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 갈바니 전지에서 기전력을 증가시킬 수 있는 요인은 무엇이 있나요?
네, 질문해주신 것과 같이 갈바니 전지에서 기전력(E)은 두 전극에서 일어나는 산화·환원 반반응의 전위차로 결정되며, 이는 열역학적으로 반응의 자발성을 반영하는데요, 따라서 전지의 기전력을 크게 만들려면 두 전극의 전위차를 벌려 주는 요인들이 필요합니다. 우선 산화되기 쉬운 금속, 즉 전위가 매우 낮은 금속을 음극으로, 환원되기 쉬운 이온, 즉 전위가 높은 반응을 양극으로 선택하면 전위차가 커지기 때문에 기전력을 증가시킬 수 있습니다. 또한 산화 전극 용액의 농도를 낮추면 산화가 잘 일어나게 되고 이로 인해 기전력이 증가하며, 환원 전극 용액의 농도를 높이면 환원이 잘 일어나기 때문에 기전력을 증가시킬 수 있습니다. 마지막으로 Nernst 식에 온도가 들어가기 때문에, 반응의 엔트로피와 자유에너지 변화에 따라 기전력이 온도 의존성을 가질 수 있는데요, 일반적으로 온도를 높이면 전위차가 커지는 경우도 있지만, 반드시 항상 증가하는 것은 아니며 반응에 따라 다릅니다. 감사합니다.
화학
Q. 기전력은 세기성질에 속하는데 어떻게 더하고 뺄 수 있나요?
네, 말씀해주신 것과 같이 전기화학에서 다루는 기전력(E°) 은 양에 따라서 값이 변하지 않는 세기성질에 해당합니다. 세기 성질은 질량이나 부피처럼 크기에 의존하지 않는 성질이므로, 보통은 단순히 더하거나 빼는 것이 잘 어울리지 않아 보일 수 있는데요 기전력은 산화·환원 반반응을 조합할 때 더하고 빼는 방식으로 계산할 수 있는데, 이는 기전력이 직접 더해지는 것이 아니라 Gibbs 자유에너지 변화(ΔG)가 더해지는 과정의 결과이기 때문입니다.전기화학 반응에서 자유에너지 변화는 ΔG = -nFE라고 표현할 수 있는데요, 이때 전지의 기전력 자체는 세기 성질이지만, ΔG는 광의적 의미에서 크기성질이므로 반응이 합쳐질 때 단순히 더해질 수 있는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 산과 그 짝염기의 평형 상수를 곱하면 물의 자동이온화 반응에서의 평형상수가 되는 이유는 무엇인가요?
네, 질문해주신 것과 같이 산의 해리 평형상수(Ka)와 짝염기의 염기 해리 평형상수(Kb)가 곱해지면 물의 자동 이온화 평형상수 Kw가 되는 이유는, 두 반응이 사실상 같은 전체 반응, 즉 물의 이온화을 다른 경로로 표현한 것과 관련이 있습니다. Ka는 산이 H⁺를 내놓는 성향을, Kb는 짝염기가 OH⁻를 만드는 성향을 나타내는데요, 이 두 반응은 사실상 하나의 큰 반응(물의 자동 해리)을 두 부분으로 쪼개어 본 것이고, 따라서 곱하면 최종적으로 물의 평형상수가 되기 때문에 질문 주신 것처럼 Ka x Kb = Kw 형태의 식이 성립하는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 강산과 약산의 기준이 평형상수 1로 구분지어지는 이유는 무엇인가요?
네, 말씀해주신 것과 같이 산의 세기를 구분할 때 평형상수(Ka)를 사용하는데, 이 값이 1보다 크면 강산, 1보다 작으면 약산이라고 설명하는 이유는 산의 해리 반응이 얼마나 완전히 일어나는지를 수학적으로 표현한 기준과 관련이 있습니다.평형상수 Ka값은 평형상태에서의 반응물과 생성물의 농도로 표현하게 되는데요 이러한 평형상수 값은 산 해리 반응이 오른쪽으로 얼마나 기울었는가를 나타내는데, 값이 1을 기준으로 반응물과 생성물의 크기가 역전되기 때문에, 그 지점을 강산과 약산을 나누는 경계로 삼는 것입니다. 다만 일반적으로 강산은 수용액에서 완전히 해리되는 산이라고 정의하고, Ka가 아주 크거나 무한대에 가까운 경우로 설명하는 반면, 약산은 Ka가 1보다 훨씬 작은 경우에 해당한다고 구분합니다. 즉, Ka = 1 근처에 있는 경계 상황은 실제 물질에서는 거의 나타나지 않고, 실제 강산들은 Ka가 10⁵ 이상처럼 매우 큰 값입니다. 감사합니다.
화학
Q. 갈바니 전지에서 염다리가 있어야지만 전류가 지속적으로 흐르는 것 있는 이유는 무엇인가요?
네, 맞습니다. 말씀해주신 것과 같이 갈바니 전지에서 염다리는 단순한 보조 장치가 아니라 전류를 지속적으로 흐르게 하는 핵심 장치입니다. 갈바니 전지에서는 산화–환원 반응이 두 전극에서 분리되어 일어나는데요, 전자는 외부 도선을 따라 이동하지만, 용액 속 이온의 불균형이 생기면서 곧 전류가 끊기게 됩니다. 이렇게 되면 전하 불균형 때문에 더 이상 전자의 이동이 불가능해지는데, 이때 염다리에는 전해질이 들어있어서 이와 같은 전하 불균형을 해소해주고 이를 통해 두 용액의 전기적 중성이 유지되고, 전자가 계속 흐를 수 있게 되는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 주기율표에서 주기적 성질이 규칙적으로 변화할 수 있는 원리가 무엇인가요?
질문해주신 것처럼 주기율표에서는 원자 반지름, 이온화에너지, 전자 친화도, 전기음성도, 산화수 등의 주기적 성질이 규칙적인 변화를 보이는데요, 이는 원자의 전자배치와 유효핵전하로 설명할 수 있습니다.원자는 중심의 양전하를 띤 원자핵과, 그 주위를 도는 전자들로 이루어져 있는데요, 원자핵의 양전하 크기는 원자번호(Z)에 의해 결정되고, 전자의 분포는 전자껍질과 전자배치에 의해 정해집니다. 이때 원자가 전자를 잡아당기는 힘은 단순히 핵전하(Z)로 결정되는 것이 아니라, 내부 전자들이 외부 전자를 가려주는 차폐 효과까지 고려한 값이 중요한데요, 이를 유효핵전하라고 하며, 대체로 오른쪽으로 갈수록 커지고, 아래로 갈수록 작아집니다. 예를 들어서 원자 반지름으로 설명해드리자면, 같은 주기에서 오른쪽으로 갈수록 원자핵에 양성자가 늘어나 유효핵전하가 커지므로 전자가 더 강하게 끌려 반지름이 줄어들게 되며 같은 족에서는 아래로 갈수록 전자껍질 수가 늘어나므로 반지름이 커집니다. 감사합니다.