안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
화학
Q. 불균등화 반응에서 어떻게 한 화학종이 산화가 될 수도 있고 환원도 될 수 있는 것인가요?
네, 말씀해주신 것과 같이 불균등화 반응이란 자기산화-환원 반응이라고도 불리며, 한 화학종이 동시에 산화와 환원을 겪는 특수한 산화환원 반응을 말합니다. 즉 불균등화 반응은 동일한 화학종이 한쪽은 산화되고 다른 한쪽은 환원되는 반응인데요, 즉, 한 화학종이 자신과 반응하여 두 가지 서로 다른 산화수를 가진 생성물을 만듭니다.산화와 환원은 전자 이동에 의해 정의되는데요, 산화란 전자를 잃는 것을 의미하며 산화수가 증가하며 반대로 환원이란 전자를 얻는 것을 의미하며 산화수 감소를 수반합니다. 불균등화 반응에서는 동일한 화학종 분자나 이온이 서로 전자를 주고받음으로써, 한쪽은 전자를 잃고(산화), 다른 한쪽은 전자를 얻어(환원) 반응이 일어나게 되는 것인데요 즉, 화학종 자체가 산화제이자 환원제 역할을 동시에 수행한다고 보시면 됩니다. 감사합니다.
화학
Q. 염화나트륨(NaCl)은 고체 상태에서는 전기를 통하지 않지만, 수용액에서는 전기를 전도할 수 있는 이유는 무엇인가요?
질문해주신 NaCl이 고체와 수용액에서 전기 전도성이 다른 이유는 이온의 자유로운 이동 여부와 관련이 있는데요, NaCl 고체는 이온 결정 구조를 형성하는데 이떄 Na⁺와 Cl⁻가 규칙적으로 배열되어 있으며, 서로 강하게 정전기적 인력으로 결합되어 있습니다. 전류 전도 조건은 전하를 띤 입자가 자유롭게 움직여야 하는데요, 고체 NaCl에서는 Na⁺와 Cl⁻가 격자에 고정되어 있어 움직일 수 없으므로 전류가 흐르지 않습니다.이때 NaCl을 물에 넣으면, 물 분자의 극성 때문에 Na⁺와 Cl⁻이 격자에서 분리되어 용해되는데요, 이렇게 분리된 이온들은 물 속에서 자유롭게 이동할 수 있으며 자유롭게 움직이는 Na⁺와 Cl⁻이 전하를 운반함으로써 전류가 흐르게 됩니다. 감사합니다.
화학
Q. 뉴스 보다가 지구가 온실효과가 탄소가 증가해서라고 알고 있는데요, 맞지 않나요?
온실효과란 태양에서 지구로 들어오는 단파 복사 에너지는 대부분 지표면에서 흡수되어 다시 장파 복사로 방출되는 과정인데요, 이때 대기 중의 CO₂, CH₄, N₂O, 수증기 등의 온실가스가 일부 적외선을 흡수하고 재방출하여, 지표면 온도를 일정 수준 이상으로 유지합니다. 즉, 온실효과는 지구가 너무 차갑지 않게 하는 자연스러운 현상입니다.하지만 문제가 되는 것은 이러한 온실가스의 증가인데요, 산업혁명 이후 화석연료 연소, 산업, 농업 등의 인간활동으로 CO₂, CH₄, N₂O 등의 농도가 급격히 증가했으며 특히 CO₂ 농도는 약 280 ppm에서 현재 420 ppm 이상으로 증가했습니다. 온실가스가 많아지면 지표면에서 방출되는 열이 더 많이 갇히게 되어 지구 평균기온이 상승하는데요, 이것이 우리가 뉴스에서 흔히 말하는 탄소 증가로 인한 지구 온난화의 핵심입니다. 따라서 지구 온난화의 원인은 대기 중 온실가스 농도 증가, 그 중에서도 탄소(CO₂) 증가가 가장 큰 원인이 맞기 때문에 뉴스에서 말하는 내용은 기본적으로 옳습니다. 감사합니다.
화학
Q. HF는 불소가 산소보다 전기음성도가 큰데도 물보다 끓는점이 낮은데요 이 현상을 어떻게 설명할 수 있을까요?
HF의 끓는점이 H₂O보다 낮은 이유는 결합 구조와 수소 결합의 강도 차이로 인한 것입니다. HF, H₂O 모두 극성 공유결합을 갖지만, HF의 전기음성도 차이(ΔEN)는 H₂O보다 조금 더 크기 때문에 결합 극성은 HF가 더 큰데요, HF 분자는 선형적인 1:1 연결로 약한 수소 결합을 형성합니다. 이때 HF는 F가 단일 전자를 가지므로, 분자 간 연결은 사슬 모양으로만 형성되어 있으며 결과적으로 분자 간 상호작용이 강하지 않아 끓는점이 상대적으로 낮습니다. 반면에 물 분자는 2개의 수소와 2개의 전자쌍을 가지고 있어 4개의 수소 결합을 형성할 수 있는데요, 3차원 격자 구조처럼 분자끼리 강하게 연결되어 있어, 증발시키려면 더 많은 에너지가 필요하고 이로 인해 끓는점이 높습니다. 감사합니다.
화학
Q. 전기음성도 차이가 큰 공유 결합이 반드시 이온 결합으로 간주되지 않는 이유는 무엇인가요?
'전기음성도'는 원자가 공유하고 있는 전자를 끌어당기는 힘을 나타내는 값인데요, 두 원자가 결합할 때 전기음성도 차이(ΔEN)가 크면, 공유 전자가 한쪽으로 치우쳐 결합이 극성화됩니다. 이때 극성 공유결합이란 ΔEN이 약간 크지만, 전자가 완전히 이동하지는 않은 상태를 말하는 것이며, 이온결합이란 ΔEN이 매우 커서 전자가 거의 한쪽으로 이동해 양이온과 음이온을 형성한 상태를 말합니다. 실제 화학 결합은 순수 공유결합과 순수 이온결합 사이의 연속체를 이루고 있는데요 ΔEN이 커도 완전히 전자가 이동하지 않으면, 결합은 여전히 공유적 성질을 일부 가지며, 단순히 이온 결합으로만 정의할 수 없습니다. NaCl처럼 결정 구조를 이루며 전형적인 이온 결합 특성을 나타내는 경우와, HF처럼 ΔEN이 크지만 분자 단위로 존재하며 공유 결합 특성을 유지하는 경우를 구분해야 합니다. HF는 ΔEN 약 1.9로 상당히 큰 편이지만, 분자 내부 공유결합과 수소 결합 구조 때문에 순수 이온결합으로 간주하지 않는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 적정 시험 진행시 지시약은 왜 한 두 방울만 사용 하는 것인가요?
적정시험에 사용하는 지시약은 용액의 pH 변화를 눈으로 확인할 수 있게 색으로 나타내는 물질인데요, 예를 들어서 페놀프탈레인(약염기성 변화를 붉은색으로), 메틸오렌지(산성에서 황색, 산성으로 변하면 빨간색)가 있습니다. 적정에서는 당량점에서 색이 바뀌는 지점을 시각적으로 확인하는 것이 목적입니다. 이때 지시약을 소량만 사용하는 이유는 용액 성질을 변화시키지 않기 위함인데요, 지시약도 화학물질이므로, 많이 넣으면 용액의 pH나 반응 균형에 영향을 줄 수 있습니다. 특히 약산-강염기, 약염기-강산 적정에서는 지시약 농도가 높으면 당량점 근처 pH를 조금씩 이동시켜 오차가 발생할 수 있습니다. 또한 적은 양이면 용액 전체에 충분히 섞여도 색이 연하게 나타나므로, 당량점 근처의 작은 pH 변화에도 색 변화가 뚜렷하게 관찰됩니다. 반면에 많이 넣으면 색이 너무 진해져서, 작은 pH 변화가 눈으로 구분되지 않기 때문에 소량을 사용하는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 중화 적정 곡선에서 왜 당량점 부분에서 pH가 급격하게 변하는 것인가요?
네, 질문해주신 중화 적정 곡선에서 당량점 부근에서 pH가 급격히 변하는 이유는 화학 평형과 완충 능력의 관점에서 이해해볼 수 있는 사항입니다. 중화 적정은 산과 염기가 1:1 몰 비율로 반응하는 지점을 찾는 과정인데요, 예를 들어서 강산(HCl) + 강염기(NaOH) → NaCl + H₂O가 되며 당량점은 산과 염기가 정확히 반응하여 남는 산이나 염기가 없는 상태를 의미합니다. 적정 곡선 초기와 중간 구간에서는 산 또는 염기의 농도가 비교적 많고, 아직 반응이 충분히 진행되지 않은 상태입니다. 이때 약산/약염기가 존재하면 완충 용액 역할을 하여, 소량의 산이나 염기가 첨가되어도 pH 변화가 완만한데요 즉, 용액의 완충 능력 때문에 곡선이 천천히 변화합니다.이때 당량점에서는 남는 산이나 염기가 거의 없고, 반응물과 생성물의 농도가 비슷한데요 용액이 완충 역할을 거의 하지 못하기 때문에, 조금만 산이나 염기가 더 들어와도 pH가 크게 변하게 되는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 한국의 수산시장이 변화를 겪게 되는 시기가 점점올까요?
질문해주신 사항에 대해 답변해드리자면, 한국 수산시장은 이미 기후변화의 영향을 받고 있으며, 앞으로 점진적 변화가 계속될 것으로 예상되고 있습니다. 최근 수십 년간 해수온이 상승하고 해양 산성화와 해류 변화가 일어나면서, 기존 냉수성 어종인 굴, 명태, 오징어 등의 어획량이 감소하고 아열대성 어종인 참돔, 낙지, 일부 새우류는 출현이 늘고 있습니다.특히 양식 산업에서도 해수온 상승으로 양식어류의 성장 속도와 질병 발생률이 변화하고 있어, 여름 고수온 피해가 증가하는 사례가 나타나고 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 다양성자산은 어떤 식으로 분해반응을 일으키는 것인가요?
다양성자산은 한 분자가 2개 이상 수소 이온(H⁺)을 방출할 수 있는 산을 말하는 것인데요, 대표적인 예시로는 황산(H₂SO₄, 2가), 인산(H₃PO₄, 3가), 구연산(C₆H₈O₇, 3가) 등이 있으며, 이때 각 수소 이온이 해리되는 정도는 동일하지 않고, 서로 다른 평형 상수를 가집니다. 다양성자산은 한 번에 모든 수소 이온을 내놓는 것이 아니라, 단계적으로 해리되는데요, 첫 번째 H⁺가 떨어져 나가면 음이온이 형성되며 음전하가 남아있기 때문에, 다음 H⁺가 떨어져 나가기 어려워지기 때문에 평형 상수가 작아집니다. 또한 첫 번째 해리 후 남은 음이온이 구조적으로 안정화되면, 두 번째 H⁺ 방출이 제한됩니다. 감사합니다.
화학
Q. 가용성 염의 경우에는 평형상수 값을 두 이온 농도의 곱으로 구할 수 없는 이유가 무엇인가요?
가용성 염은 물에 잘 녹아 대부분이 이온으로 존재하는 염을 말하는데요, 대표적인 예시로는 NaCl, KNO₃ 등이 있으며, 이런 염은 물속에서 거의 100% 해리합니다. 즉, NaCl → Na⁺ + Cl⁻ 처럼 완전히 이온화됩니다. 일반적으로 용해 평형상수(Ksp)는 난용성 염 또는 불용성 염에 대해 정의됩니다. 이때 가용성 염은 거의 완전히 해리되므로, 평형 상태라는 개념 자체가 사실상 의미가 없는데요 즉, NaCl → Na⁺ + Cl⁻ 는 99% 이상 해리되어서 농도를 평형에서 계산할 수 없고, 단순히 용해 후의 농도는 용해량에 따라 결정됩니다. 따라서 [Na⁺][Cl⁻]를 K처럼 계산하는 것은 불가능하며, “평형상수 값”이라는 개념이 사실상 존재하지 않는 것입니다. 감사합니다.