안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
화학
Q. 이산화탄소 농도가 높으면 왜 산성도가 강해지나요?
네, 질문해주신 것처럼 이산화탄소 농도가 높아지면 산성도가 강해지는데요, 산성도가 강해지는 이유는 화학적 평형 반응에 있습니다. 우선 이산화탄소(CO₂)는 물(H₂O)에 녹으면 단순히 기체 상태로 머무는 것이 아니라 화학 반응을 일으키는데요, 용해된 CO₂ 일부는 물과 반응하여 탄산(H₂CO₃)을 형성합니다. 생성된 탄산은 약산으로서 수소이온(H⁺, 양성자)을 방출할 수 있는데요, 즉, 이산화탄소 농도가 높을수록 물속의 H⁺ 이온 농도가 증가하게 되고, pH가 낮아져 산성도가 강해지는 것입니다. 정리해드리자면 CO₂가 많이 녹을수록 탄산(H₂CO₃)도 더 많이 만들어지는데요, 탄산이 많아지면 그만큼 더 많은 H⁺가 방출됩니다. 따라서 pH는 점점 더 낮아지고, 용액은 강하게 산성화되는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 완충용액은 산, 염기의 비율이 어느 정도일 경우를 의미하나요?
네, 말씀해주신 것처럼 완충용액의 핵심은 약산과 그 짝염기 또는 약염기와 그 짝산이 모두 존재하는 상태인데, 이들의 비율이 어느 정도일 때 실제로 완충 작용이 잘 일어나는지가 중요합니다. 이론적으로는 약산과 짝염기가 모두 존재하기만 하면 완충 작용은 일어나는데요 하지만 실질적으로는 두 성분의 농도 차이가 너무 크면, 한쪽 성분이 거의 다 소모되어 버리므로 완충 효과가 떨어집니다. 즉, 약산과 짝염기의 비율이 1:10에서 10:1 사이일 때 완충 용액으로서 의미가 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 완충용량과 최대완충용량용액은 어떻게 다른건가요?
네, 완충용액을 이해할 때 완충용량과 최대 완충용량 용액은 비슷해 보이지만, 의미와 조건이 다른 개념입니다. 우선 완충용량이란 외부에서 강산이나 강염기를 넣었을 때, 용액의 pH가 얼마나 잘 변하지 않고 버틸 수 있는지를 나타내는 저항 능력을 말하는 것인데요, 수치적으로는 보통 용액 1리터의 pH를 1 단위 변화시키는 데 필요한 강산 또는 강염기의 몰 수로 정의합니다. 즉, 완충용량이 클수록 더 많은 산·염기를 넣어도 pH 변화가 적습니다.다음으로 최대 완충용량 용액은 완충용량이 가장 큰 상태의 완충용액을 의미합니다. 이는 약산과 그 짝염기의 농도가 같을 때를 의미하는 것이며 이때 용액의 pH는 약산의 pKa와 같습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 아무래도 여름에는 녹조현상이 심할텐데요, 기사에 많이 접하지는 많지 않다 보니까요, 현재는 어떠할까요?
네, 녹조현상은 강이나 호수, 저수지 같은 담수에서 조류 특히 남세균이 이상 증식하여 물 표면이 녹색으로 변하는 현상을 말하는 것인데요 현시점의 대한민국 주요 강과 저수지에서는 여전히 녹조현상이 심각한 수준입니다. 낙동강 전 구간에서 남조류 세포 수가 매우 높은 수준으로 측정되었으며, 일부 지역에서는 ‘관심’ 이상의 조류경보가 여전히 유지되고 있는데요, 아무래도 폭염과 높은 수온 및 영양염류 유입 증가 조건이 여전히 유지되고 있고, 이에 따라서 정부 및 지자체의 적극적인 대응에도 불구하고 완전 해소는 어려운 상황입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 우리가 흔히 먹는 과일, 채소는 사실 대부분 인류가 개량한 것이라는데 원래 모습은 얼마나 달랐을까요?
네, 말씀해주신 것과 같이 쉽게 볼 수 있는 과일과 채소는 사실 대부분 수천 년에 걸쳐 인류가 선택적으로 개량한 결과물입니다. 예를 들어, 옥수수는 현재 우리가 먹는 달콤하고 알이 큰 형태와 달리, 원래는 멕시코 지역에서 자라던 테오신트라는 풀에서 유래했는데요, 이 시기만 해도 씨앗 알갱이가 몇 개 안 되고 단단해서 사람이 직접 씹어 먹기 어려운 수준이었습니다. 인류가 더 많은 알갱이, 부드러운 식감, 높은 영양가를 기준으로 선택하면서 지금의 옥수수가 된 것입니다. 또한 바나나 역시 야생종은 씨앗이 크고 과육이 적어서 먹기 힘든 과일이었는데요, 우리가 아는 씨 없는 바나나는 사실상 자연 상태에서는 스스로 번식이 어렵고, 사람의 손을 거쳐서만 유지되는 품종입니다.이처럼 우리가 먹는 과일·채소 대부분은 자연 상태의 야생종과는 상당히 달라졌고, 심지어 어떤 것은 인간이 없으면 스스로 유지될 수 없는 수준까지 개량되었습니다. 사실 자연은 항상 변화하고, 생물은 환경과 상호작용하면서 진화해 왔는데요 인간의 선택적 개량도 넓게 보면 ‘자연 선택’의 한 형태, 즉 인간이라는 환경 요인에 의한 선택이라고 볼 수 있습니다. 따라서 우리가 보는 ‘야생 그대로의 자연’도 사실은 수천만 년의 진화와 환경 적응의 산물이니, 절대적인 “순수한 자연”이라는 개념은 존재하기 어렵습니다. 다만 구분하자면, 인간의 의도적 개입이 최소화된 상태를 야생 자연이라 하고, 인간의 목적에 따라 선별된 결과를 재배종이라고 말할 수 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 최근 고온다습한것도 문제지만 옷장내 곰팡이로 머리가 아프네요
시중에서 흔히 볼 수 있는 반영구적 제습제는 대부분 흡습 후 건조하면 다시 사용 가능한 제품인데요, 대표적인 예시로는 실리카겔이나 제올라이트가 있습니다. 이와 같은 제습제는 기체 상태의 수분을 흡수한 후 포화되면 열이나 햇빛으로 건조했다가 다시 사용 가능합니다. 반면에 염화칼슘 제습제는 소금처럼 수분과 반응하여 액체로 변하는 성질이 있어, 일단 흡습하면 다시 말려도 완전히 재사용하기 어려우며 즉 소모형이라고 볼 수 있습니다. 따라서 반영구적 재사용이 가능하려면 실리카겔이나 제올라이트 제품을 선택하는 것이 좋습니다. 감사합니다.
화학
Q. 실제 기체에 대해서는 반데르발스 방정식을 어떤 식으로 보정할 수 있나요?
네, 말씀해주신 것처럼 실제 기체는 이상 기체와 달리 분자의 부피와 분자 간 상호작용을 무시할 수 없기 때문에, 이상 기체 방정식 PV=nRT를 그대로 적용하면 오차가 발생합니다. 이를 보정하기 위해 반데르발스 방정식이 사용되는데요, 이 식은 첨부한 사진과 같이 보정을 하게 됩니다. 즉, 실제 기체 분자 사이에는 약한 인력이 작용하는데요, 분자들이 서로 끌어당기므로 이상기체보다 실제 압력이 낮게 측정됩니다. 이를 보정하기 위해 특정 갑을 원래 압력에 더해 이상기체 방정식에 적용합니다.다음으로 실제 분자는 크기가 있어 완전히 점과 같은 존재가 아닙니다. 이상기체 가정에서는 분자 부피를 무시하지만, 고압에서는 분자 자체가 차지하는 공간이 커지는데요, 따라서 전체 부피에서 분자 부피에 해당하는 nb를 빼서 유효 부피로 사용하게 됩니다. 감사합니다.
화학
Q. 이상 기체 상태 방정식을 이용할 때 압력과 온도가 매우 높은 상황에서는 왜 실제 기체와 차이가 나나요?
이상기체 상태방정식 'PV=nRT'는 기체 분자들이 부피를 갖지 않고, 분자 간 인력이 없다는 이상적인 가정을 전제로 만들어진 식인데요, 따라서 보통 온도와 압력이 극단적이지 않은 조건에서는 실제 기체와 큰 차이가 없지만, 압력과 온도가 매우 높은 경우에는 실제기차와 차이가 발생합니다.우선 압력이 높아지면 기체 분자들이 서로 가까워지는데요 이상 기체는 분자의 자체 부피가 무시 가능하다고 가정하지만, 실제로는 분자가 차지하는 부피가 무시할 수 없게 됩니다. 또한 가까워진 분자들은 서로 반발력과 약한 인력을 경험하게 되는데요, 특히 인력이 무시되지 않으면, 기체가 이상 기체 방정식이 예측하는 압력보다 낮거나 부피가 작게 나타납니다. 결과적으로 고압에서는 실제 기체의 부피가 이상 기체 방정식이 예상한 값보다 작거나, 압력 계산이 달라집니다.다음으로 온도가 높아지면 분자들의 운동 속도가 매우 커지는데요, 이상 기체 방정식은 운동 에너지가 완전히 이상적이라고 가정하지만, 실제 분자 간 충돌은 비탄성적이어서 일부 에너지가 상쇄됩니다. 또한 고온에서는 일부 기체 분자가 분해, 결합, 반응할 수 있는데요, 이런 현상도 이상 기체와 실제 기체 사이의 차이를 유발합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. DNA의 복제 방식이 반보존적 복제라는 것은 어떻게 증명할 수 있나요?
DNA가 반보존적(semi-conservative) 방식으로 복제된다는 사실은 메셀슨과 스탈(1958)의 실험을 통해 증명되었는데요, 말씀하신 것처럼 원래 DNA의 복제 방식에 대해서는 보존적, 반보존적, 분산적 복제 방식이 가설로 제기되었습니다. 메셀슨과 스탈은 무거운 질소 동위원소(15N)을 사용하여 반보존적 복제 방식이 맞다는 것을 밝혀내었는데요, 우선 대장균을 15N이 풍부한 배지에서 키워 DNA를 무겁게 했습니다. 이후 15N-부모 DNA를 가진 대장균을 14N 배지로 옮기고, 여러 세대로 배양했습니다. 이후 DNA를 고밀도 용액에서 원심분리하여 DNA 가닥의 무게에 따라 층이 형성되는지 확인했습니다. 결과적으로 1세대 후에는 DNA가 중간 밀도로 나타났기 때문에 부모 DNA 한 가닥과 새 가닥 한 가닥이 섞인 구조를 이루었으나, 2세대에서는 두 층이 다 나타나는 것을 보고 반보존적 복제임을 증명한 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 진핵생물의 생식세포는 어떻게 텔로미어서열을 복원하나요?
네, 진핵생물의 생식세포에서 텔로미어 서열을 복원하는 과정은 텔로머레이즈라는 효소가 핵심적인 역할을 하는데요, DNA 복제는 5’→3’ 방향으로만 진행되기 때문에, DNA 말단에서는 프라이머 제거 후 DNA 합성이 완전하지 않아 일부 염기서열이 짧아지는 문제가 생깁니다. 이러한 반복적 단축은 체세포에서는 누적되며, 결국 세포 노화와 분열 정지를 유발하게 됩니다. 반면에 난자, 정자 등 생식세포는 다음 세대로 DNA를 전달해야 하기 때문에 텔로미어가 짧아지면 안되는데요, 따라서 이 세포에서는 텔로머레이즈가 활성화되어 있습니다. 텔로머레이즈는 리보뉴클레오프로테인 복합체(RNP complex)인데요, 텔로머레이즈가 DNA 말단의 3' 끝에 결합하면 TERC RNA를 템플릿으로 사용하여 반복 서열(TTAGGG 등)을 3' 말단에 연장하게 되고, 연장된 3’ 말단을 DNA 폴리메라제가 이용하여 상보적 가닥을 합성함으로써 완전한 텔로미어가 형성될 수 있는 것입니다. 감사합니다.