안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
화학
Q. 열역학 3법칙에서 0K보다 낮은 온도로 내려가면 무질서도는 어떻게 되나요?
열역학 3법칙에서 순수한 물질이 0 K에 가까워질수록 내부 원자나 분자의 배치가 하나로 고정되며, 가능한 미시 상태의 수가 1이 되며 이는 완벽한 결정체의 엔트로피는 절대영도(0 K)에서 0이라는 것을 의미합니다.이때 정상적인 물질에서는 내부 에너지를 낮추면 엔트로피도 줄어들고, 온도가 0K에 도달하게 됩니다. 그러나 절대 0 K보다 낮은 온도는 일반적인 의미의 온도로는 존재하지 않습니다. 왜냐하면 엔트로피가 이미 최소값(0)에 도달했기 때문이며 절대 0 K 아래로 내려간다는 것은 고전적인 물리적 의미에서는 불가능합니다. 감사합니다.
화학
Q. 철의 퀴리온도가 무엇인지 그리고 몇도인가요?
말씀하신 퀴리 온도는 자성을 연구할 때 핵심적인 개념인데요, 퀴리 온도는 자성 물질이 강자성체에서 상자성체로 전이되는 임계 온도를 의미하는 것이며 그 이하의 온도에서는 물질 내부의 원자 자기 모멘트들이 일정한 방향으로 정렬되어 강한 자성을 띠지만, 퀴리 온도를 넘어서면 열적 운동이 너무 커져서 정렬이 무너지고, 외부 자기장 하에서만 약한 자성을 보이는 상자성 상태가 됩니다.원자 내 전자의 스핀은 작은 자석처럼 자기 모멘트를 가지는데요, 이때 철이나 니켈, 코발트와 같은 강자성체에서는 인접 원자들의 스핀이 교환 상호작용이라는 양자역학적 힘에 의해 서로 평행으로 정렬되려는 경향을 보입니다. 하지만 온도가 높아지면, 열적 요동이 이 정렬을 방해하는데요, 퀴리 온도에 도달하면, 열적 요동이 교환 상호작용을 이겨 스핀 정렬이 무너지고, 강자성이 사라집니다. 즉, 퀴리 온도는 스핀 정렬을 유지시키는 교환 에너지와 열 운동 에너지의 균형점이라고 보시면 됩니다. 물어보셨던 철(α-Fe, 체심입방구조, bcc)의 퀴리 온도는 약 770 °C (1043 K) 인데요, 이 온도 이상에서는 강자성을 잃고 상자성체로 거동하며 따라서 자석으로 쓰이는 철이 고온에서 자성을 잃는 이유가 바로 퀴리 온도 때문입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 개구리가 생태계에서 중간 포식자로서 수행하는 역할은 무엇일까요?
네, 말씀하신 것처럼 개구리는 생태계에서 중간 포식자로 분류되는데, 이는 먹이사슬에서 최상위 포식자와 1차 소비자(초식동물) 사이에 위치하면서 양쪽 모두와 상호작용하는 중요한 역할을 수행한다는 것입니다. 우선 개구리는 주로 곤충, 거미, 지렁이, 갑각류, 작은 연체동물 등을 먹는데요 모기, 파리 같은 해충의 개체수를 줄여 생태계의 균형을 유지하고 인간 생활에도 이롭게 작용합니다. 또한 수생 곤충 유충을 먹음으로써 수질 환경에도 간접적으로 영향을 주며, 하위 먹이생물의 개체수 폭발을 억제하는 역할을 합니다. 또한 개구리는 뱀, 새(왜가리, 올빼미), 포유류(너구리, 족제비), 심지어 대형 어류나 사람에게까지 잡아먹히는 존재이기 때문에 따라서 에너지와 영양소를 하위 먹이군으로부터 상위 포식자로 전달하는 매개체 역할을 합니다. 특히 양서류는 수생과 육상을 오가며 살아가기 때문에, 수생생태계와 육상생태계를 연결하는 에너지 통로로 기능합니다. 감사합니다.
화학
Q. 산 염기 반응은 흡열반응인 이유가 무엇인가요?
산·염기와 관련된 반응이 항상 같은 열역학적 성격을 보이는 것은 아니지만, 말씀하신 산이나 염기의 해리 반응은 일반적으로 흡열적 성격을 나타내는데요, 해리 반응이란 산이 물에 녹아서 해리되거나 염기가 물에 녹아서 해리되는 반응을 말하는 것입니다. 이 과정에서 분자 내 공유 결합(H–A, O–H)이 끊어지고, 그 대신 용매와의 수소결합이나 이온-쌍 상호작용이 형성됩니다.공유 결합을 끊기 위해서는 결합 해리에너지만큼의 에너지가 필요한데요, 즉, HA → H⁺ + A⁻ 로 가기 위해선 먼저 H–A 결합을 끊어야 하므로, 외부에서 열 에너지가 공급되어야 합니다. 반면에 해리된 이온(H⁺, A⁻ 또는 OH⁻ 등)은 물 분자와 강한 정전기적 상호작용을 하는데요, 이 과정은 일반적으로 발열적입니다. 그러나 전체 과정에서 결합을 끊는 데 드는 에너지가 용매화 과정에서 나오는 에너지보다 더 클 경우, 순반응은 흡열로 나타나는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. OH는 왜 좋은 이탈기가 아닌건가요?
네, 유기화학에서 좋은 이탈기란, 결합이 끊어진 후에 안정한 음이온 또는 중성 분자로 존재할 수 있는 종을 의미하는데요 이 관점에서 –OH는 좋은 이탈기가 되기 어렵습니다.알코올의 –OH기가 그대로 떨어지면 수산화 이온(OH⁻)이 형성되는데요, 이 OH⁻는 강염기(염기성 pKa 기준, H₂O의 pKa ≈ 15.7)이고, 친핵성도 매우 강합니다. 따라서 반응 중간체에서 그냥 분리된 상태로 오래 존재하기 어렵고, 곧바로 다른 전자 부족 부위에 공격하거나, 산성 환경에서는 즉시 양성자(H⁺)를 받아 물(H₂O)로 변하려고 하기 때문에 OH⁻ 자체가 너무 반응성이 크고 불안정하다는 점이 문제입니다.또한 전형적인 좋은 이탈기로는 할로겐 음이온(Cl⁻, Br⁻, I⁻), tosylate(-OTs), mesylate(-OMs) 등이 있는데요, 이들은 음전하를 가지고도 전자 비편재화, 큰 원자 반지름, 약염기성 성질 때문에 상대적으로 안정합니다. 반면 OH⁻는 작은 크기, 높은 전하밀도로 인해 안정성이 매우 떨어집니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 세포 배양 시에 단계적으로 스케일업을 하는 이유는 무엇인가요?
세포 배양에서 단계적으로 스케일업을 하는 것은 단순히 기술적인 습관이 아니라, 세포의 생리적 특성과 배양 환경의 제약을 고려했을 때 꼭 필요한 과정인데요, 동물세포는 일정한 세포 밀도가 되어야만 효율적으로 증식합니다. 초기부터 큰 용기의 플라스크에 소량의 세포를 심으면, 세포 간 상호작용이 부족하여 성장 속도가 느려지고, 쉽게 사멸할 수 있습니다.따라서 작은 용기에서 일정한 밀도까지 채운 후 점점 더 큰 용기로 옮기면, 항상 세포가 성장 가능한 최적 밀도 구간에 있도록 유지할 수 있습니다.또한 큰 용기에 소량의 세포를 바로 배양할 경우 영양분은 과잉 상태인데 세포는 적어 이를 효율적으로 활용하지 못합니다. 동시에 배양액의 pH 변동이나 노폐물 축적이 세포 성장에 불리하게 작용할 수 있으므로, 이때 단계적으로 배양하면 세포 수와 영양분 소비가 균형을 이루어 안정적인 환경을 제공합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 식물이 카로티노이드 색소를 가져서 좋은 점이 무엇인가요?
말씀하신 것처럼 식물의 틸라코이드 막에는 광합성 색소 단백질 복합체가 자리 잡고 있고, 그 안에 주색소인 엽록소 a와 더불어 보조색소인 카로티노이드가 존재하는데요 카로티노이드는 단순히 빛을 흡수하는 색소를 넘어, 식물에게 여러 가지 중요한 이점을 제공합니다.엽록소 a는 주로 청색(430nm 근처)과 적색(660nm 근처) 영역을 잘 흡수하지만, 녹색-황색 영역(500~600nm)은 흡수하지 못하고 반사하여 우리가 녹색으로 보는 것인데요, 이때 카로티노이드는 엽록소 a가 잘 흡수하지 못하는 파장 대역의 빛을 흡수해 흡수 스펙트럼을 넓혀주고, 여기서 얻은 에너지를 엽록소 a로 전달하여 광합성 효율을 높여 줍니다.또한 광합성을 하는 동안 빛이 과도하게 들어오면, 엽록소의 여기 전자가 산소와 반응해 싱글렛 산소(¹O₂) 같은 활성산소를 만들 수 있는데요, 이는 광계 단백질과 지질막을 손상시키는 독성 물질입니다. 따라서 카로티노이드는 이런 여분의 에너지나 활성산소를 흡수, 소거하여 무해한 열로 방출하는 소광 역할을 합니다. 감사합니다.
화학
Q. 아세트아미노펜 루이스점자점식 알려주세요ㅜ
아세트아미노펜은 C8H9NO2의 화학식을 갖는 물질인데요, 올려주신 사진 속에서 전체적인 골격 구조는 잘 그리신 것 같습니다. 하지만 벤젠고리에 결합된 OH에서 O의 경우 2개의 결합을 이루고 2개의 비공유전자쌍을 가지고 있기 때문에 산소에 비공유전자쌍을 한 쌍 더 찍어주셔야 할 것 같습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 문어는 3억년이나 살아왔다던데 어떻게 생존이 가능했나요?
네, 문어가 3억년이나 살 수 있었던 이유는 여러 가지 적응 전략을 가졌기 때문인데요, 우선 문어는 피부에 색소세포(크로마토포어), 반사세포(이리도포어, 류코포어)를 가지고 있어 주변 환경에 맞춰 색과 질감을 즉각적으로 바꿀 수 있습니다. 이를 통해 산호, 바위, 모래 바닥과 거의 동일하게 위장하거나, 때로는 다른 유해 생물을 모방하는 등 포식자로부터 몸을 숨길 수 있었습니다. 또한 문어는 무척추동물 중 가장 발달한 신경계를 가지고 있으며, 두뇌 신경세포와 팔의 신경망이 분산되어 독립적이며 창의적 행동이 가능합니다. 미로를 학습하고, 도구를 사용하며, 새로운 문제 해결 능력을 보여 포식자 회피와 먹이 확보에 유리했습니다. 게다가 뼈가 없고 연체된 몸은 좁은 틈새로도 쉽게 숨어들 수 있게 했는데요, 근육으로만 이루어진 팔은 높은 기동성을 제공해 사냥이나 회피, 탐색에 탁월했습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 표범과 치타는 외형상 어떤 부분이 가장 큰 차이인가요?
표범과 치타는 모두 고양잇과에 속하고 몸집도 비슷하기 때문에 얼핏 보면 헷갈리기 쉽지만 몇 가지 차이가 있는데요, 우선 치타는 몸이 매우 가늘고 길며 가볍게 설계되어 있습니다. 가슴이 크고 다리가 길어 단거리 고속 질주에 최적화된 체형이며 머리는 상대적으로 작고 둥글며, 전체적으로 유연하고 날씬한 인상을 줍니다. 반면에 표범은 근육질이고 탄탄한 체형을 가졌으며 다리가 치타보다 짧고, 몸통이 더 단단해 보입니다. 나무 위에서 사냥감을 물고 오르기 위해 강한 근육과 체력이 발달해 있습니다. 얼굴을 봤을 때에도 치타는 눈에서 입 가장자리로 이어지는 검은색 눈물 무늬가 뚜렷하며, 햇빛을 줄이고 시야를 도와 사냥에 유리합니다. 반면에 표범의 얼굴에는 이런 눈물 무늬가 없으며, 대신 얼굴이 더 넓고 강인해 보입니다. 다음으로 치타는 온몸에 작고 둥근 단색의 점만 있으며 점들이 서로 연결되지 않고 균일하게 흩어져 있습니다. 반면에 표범은 온몸에 로제트 무늬가 있는데요, 작은 원형 점들이 모여 꽃잎 같은 패턴을 이루며, 가운데가 비어 있거나 옅게 채워져 있는 경우가 많습니다. 감사합니다.