안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
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.
화학
Q. 주기율표에서 금속과 비금속의 경계선은 어디인가요?
주기율표에서 금속은 전자를 잃고 양이온이 되기 쉽고, 전기·열 전도성이 있으며, 광택과 전성 및 연성을 가지는 원소를 말하고, 비금속은 전자를 얻거나 공유하여 화합물을 형성하고, 전기·열 전도성이 낮으며, 기체나 부서지기 쉬운 고체 형태로 존재하는 경우를 말합니다. 이때 금속과 비금속의 경계는 계단선이라고 불리는 사선 형태로 나타나는데요, 이 경계선은 붕소(B)에서 시작하여 규소(Si) – 비소(As) – 텔루륨(Te) – 아스타틴(At) 쪽으로 이어지며 계단선의 왼쪽과 아래쪽은 금속, 오른쪽 위쪽은 비금속이 주로 위치합니다. 또한 질문해주신 준금속은 경계선 위에 있거나 그 근처에 위치하고 있는데요, 대표적인 준금속으로는 B, Si, Ge, As, Sb, Te, At이 있으며 이들은 금속적 성질과 비금속적 성질을 동시에 가지는 특성이 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 꿀은 왜 상하지 않는 식품으로 불리나요??
네, 말씀해주신 것과 같이 꿀은 쉽게 상하지 않는 식품에 해당합니다. 꿀의 당 함량은 약 80% 정도로 매우 높은데요, 이 높은 당 농도는 삼투압이 매우 높아 미생물이 생존하기 어렵게 만듭니다. 또한 고농도로 인해서 만일 미생물이 침입했다고 하더라도 물이 미생물 내부로 빠져나가 탈수 현상이 일어나며, 세포가 생존할 수 없게 됩니다. 그래서 대부분의 박테리아와 곰팡이가 꿀 안에서 번식하지 못하는 것입니다. 또한 꿀의 수분 함량은 약 15~20% 정도로, 식품에서 미생물이 증식하기 위해 필요한 수분이 부족한데요, 이와 같이 수분 활성이 낮으면 미생물의 생육과 효소 활동이 억제되어 장기간 보관이 가능합니다. 게다가 꿀에는 과산화수소(H₂O₂)가 소량 포함되어 있어, 세균과 곰팡이를 억제하는 역할을 할 수 있으며 또한 꽃에서 유래한 폴리페놀, 플라보노이드 같은 천연 항균 성분이 있어 보존성을 높입니다. 감사합니다.
화학
Q. 화합물의 산화수를 결정할 때 전위원소의 산화수를 가장 나중에 결정하는 이유는 무엇인가요?
질문해주신 것과 같이 화합물의 산화수를 결정할 때 전이 금속의 산화수를 마지막에 결정하는 이유는, 전이 금속이 다른 전형원소보다 산화수가 다양한 경우가 많기 때문입니다. 산화수는 원자가 전자를 갖는 가상의 수로, 화합물에서 전자를 완전히 이동시킨다고 가정할 때의 전하를 나타냅니다. 이때 Fe, Cu, Mn, Cr 등 전이 금속은 여러 산화수(+2, +3, +6 등)를 가질 수 있는데요 O, H, Cl과 같은 전형원소는 대부분 일정한 산화수를 가지므로 먼저 결정하면 전체 전하 균형을 이용해 전이 금속의 산화수를 쉽게 구할 수 있습니다. 반면에 전이 금속은 착이온이나 다원자 리간드와 결합하여 산화수가 화합물마다 달라질 수 있는데요, 따라서 다른 원소의 산화수를 먼저 결정한 후 남은 전하로 산화수를 계산하는 것이 효율적입니다. 감사합니다.
화학
Q. 화학 반응은 크게 산과 염기 반응과 산화 환원 반응으로만 나뉜다고 하는데요. 이 이외의 반응은 존재하지 않는 것인가요?
네, 질문해주신 것처럼 화학 반응을 산–염기 반응과 산화–환원 반응으로만 나누는 것은 산업화학이나 일반 화학 교육에서 주로 사용하는 큰 분류 기준일 뿐, 실제로는 이 외에도 다양한 반응이 존재합니다.산-염기 반응에서는 H+의 이동이 중심이 되며, 산화-환원 반응에서는 전자의 이동이 중심이 되는데요, 이 두 가지는 화학 반응에서 전하와 전자의 이동을 기준으로 큰 틀에서 나눈 분류입니다. 그러나 실제 화학에서는 전자 이동이나 H⁺ 이동 외에도 다른 형태의 화학 변화가 많이 존재하며 그 예시로는 침전반응이 있습니다. 이는 두 수용액을 섞어 불용성 고체(침전물)가 생성되는 반응으로 전자 이동 없이도 일어납니다. 또한 가수분해나 축합반응이 있는데요, 물 분자와 결합하거나, 두 분자가 결합하면서 물이 제거되는 반응입니다. 감사합니다.
화학
Q. 약산의 이온 화도는 왜 묽을수록 증가하는 것인가요?
질문해주신 약산의 이온화도가 농도에 따라 달라지는 이유는 화학 평형과 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있습니다. 약산(HA)은 물에 녹으면 일부만 이온화되어 H⁺와 A⁻를 생성하는데요, 이때 이온화도(α)는 전체 분자 중 몇 %가 이온화되었는지를 나타냅니다. 이때 농도가 낮으면 평형에서 H⁺와 A⁻의 상대적 농도가 더 커야 평형 상수 Ka를 만족할 수 있는데요 즉, 용액이 묽어질수록 평형을 맞추기 위해 더 많은 분자가 이온화되는 것입니다. 반면에 수용액 상태에서 완전히 해리되는 강산의 경우에는 이미 거의 100% 이온화되어 있어, 농도에 따른 변화가 거의 없습니다. 감사합니다.
화학
Q. 방향족 화합물이 향을 나타내는 원리는 무엇인가요?
네, 말씀해주신 것과 같이 방향족 화합물은 벤젠 고리 같은 고리 구조에 π 전자가 비편재화 되어 있는 구조를 가지고 있는데요, 이때 이중 결합과 단일 결합이 교대로 있는 것처럼 보이지만, 실제로 π 전자가 고리 전체에 퍼져 안정화되어 있습니다. 이런 안정화 구조를 방향족성이라고 부릅니다.대부분 방향족 화합물은 비교적 작은 분자량을 가지고 있으며, 휘발성이 높아 공기 중으로 쉽게 증발하는데요 이때 향은 주로 분자가 코 점막의 후각 수용체에 도달해야 느낄 수 있는데, 휘발성이 높아야 효과적입니다. 방향족 고리는 π 전자가 비편재화 되어 있어, 특정 수용체 단백질과 약한 전기적 상호작용이나 π-π 상호작용을 할 수 있는데요, 이러한 상호작용이 후각 수용체를 자극하여 인간이 ‘향’으로 감지하게 되는 것입니다. 또한 벤젠 고리에 결합된 다양한 치환기(-OH, -CH₃, -NO₂ 등)는 분자의 극성과 입체 구조를 바꾸는데요, 이로 인해 후각 수용체와의 결합 방식이 달라져 향의 종류가 다양하게 나타납니다. 감사합니다.
화학
Q. 산과 염기 반응과 산화하는 반응을 구분할 수 있는 방법이 있나요?
산-염기 반응이란 브뢴스테드–로우리 기준에서 산은 수소 이온(H⁺)을 주는 물질, 염기는 수소 이온(H⁺)을 받는 물질이며, 이때 전자가 이동하는 것이 아니라, H⁺ 이온의 이동이 중심입니다.반면에 산화-환원 반응에서는 전자 이동을 포함하는데요, 산화란 전자를 잃는 것을 말하며 이 과정에서 산화수가 증가합니다. 반면에 환원이란 전자를 얻는 것을 말하며 산화수는 감소하게 됩니다. 반응 전후의 원자 산화수 변화를 확인하면 쉽게 구분됩니다. 즉 H⁺이 이동하는가?를 판단하시면 산–염기 반응 가능성이 높으며, 어떤 원자의 산화수가 변했는가?를 판단하시면 산화–환원 반응 가능성이 높고 경우에 따라 두 가지가 동시에 일어날 수도 있습니다. 감사합니다.