안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
화학
Q. 같은 나무라도 불이 붙었을 때 최고온도가 달라지나요?
안녕하세요.네, 질문해주신 것처럼 나무가 타면서 발생하는 불의 온도는 단순히 불 자체가 항상 일정하다기보다는, 연료가 되는 나무의 성질이나 환경 조건에 따라 달라지는데요 즉, 같은 불이라도 어떤 나무를 태우느냐에 따라 최고 온도가 차이가 날 수 있습니다. 불이 날 때 온도는 크게 두 가지 요소로 결정되며 첫번째는 나무의 화학적 조성입니다. 나무에는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌 등이 주성분이며, 이들이 산화되면서 열을 내는데요 리그닌이 많으면 더 높은 발열량을 내고, 수분이 많으면 열의 일부가 증발에 쓰여 최고 온도가 낮아집니다. 예를 들자면 참나무는 밀도 높고 리그닌 풍부하며 고온에서 잘 탑니다. 또한 수분 함량도 영향을 미치는데요, 나무가 젖어 있으면 에너지가 물을 증발시키는 데 쓰여 최고 온도가 낮습니다. 또한 잘게 쪼개진 장작은 빠르게 타고 온도 상승이 빠르지만, 큰 장작은 천천히 타면서 국소 온도는 상대적으로 낮을 수 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 모기에 물릴떄 버물리 같은 물파스를 바르면 바로 가라 앉는 것이 화학 반응과 관련이 있는건가요?? 뭐 알칼리와 산 이런거에 관련이 있는건가요??
안녕하세요.질문해주신 것처럼 모기에 물리면 가려움과 붓기가 생기는데요, 이때 버물리 같은 물파스를 바르면 바로 진정되는 현상은 화학적 중화반응(산-염기 반응)보다는 주로 생리학적·약리학적 작용과 관련이 있습니다. 우선 모기는 피를 빨 때 항응고성분의 침 속의 단백질을 우리 피부에 주입하는데요 이 물질들이 우리 면역계에 이물질(항원)로 인식되어, 히스타민(histamine)이라는 물질이 분비됩니다. 히스타민은 혈관을 확장시키고 신경을 자극해서 가려움, 붓기, 열감을 유발합니다. 버물리나 비슷한 연고에는 보통 멘톨, 캄파와 같은 성분이 피부 신경을 자극해 시원한 느낌(쿨링 효과)을 주게 되며 뇌가 시원함"신호에 집중해서 가려움 신호가 덜 느껴지도록 하는 감각 경쟁 효과가 나타나는 것입니다. 또한 디펜히드라민과 같은 항히스타민제는 히스타민 수용체를 막아 가려움 원인을 차단해주고 소염제 성분은 염증 반응을 억제합니다. 따라서 바르자마자 가라앉는 효과는 화학반응이라기보다는, 약물이 피부 신경과 면역 반응에 작용해서 증상을 빠르게 완화시키는 것이라고 볼 수 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 화학반응이 일어날 때 에너지 변화가 반드시 수반되는데 어떤 경우에는 열을 내고 어떤 경우에 외부에서 에너지를 공급해야 하는가요
안녕하세요.네, 질문해주신 것처럼 화학 반응이 일어날 때는 반드시 결합이 끊어지고 새로운 결합이 형성되는데요, 이 과정에서 에너지의 출입이 일어납 따라서 어떤 반응은 열을 내는 발열 반응, 어떤 반응은 열을 흡수하는 흡열 반응이 됩니다. 결합을 끊을 때에는 기존 결합을 끊는 데 에너지가 필요하며 반면에 새로운 결합을 만들 때에는 새로운 결합이 형성되면서 안정화되고, 에너지가 방출됩니다. 따라서, 새로 만들어지는 결합에서 방출되는 에너지가 더 크면 발열 반응이 되고 기존 결합을 끊는 데 드는 에너지가 더 크면 흡열 반응이 됩니다. 반응 후 생성물이 반응물보다 안정할 때 발열반응이 나타나며 엔탈피 변화 ΔH 0이고 대표적인 예시는 식물의 엽록체에서 일어나는 광합성입니다. 감사합니다.
화학
Q. 일반적으로 염기성도가 높을수록 친핵성도도 높아지는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 염기성도는 어떤 종이 양성자(H⁺)를 받아들이려는 경향을 의미하는데요 즉, 염기는 H⁺에 대한 친화력이며 이는 주로 평형 상수(pKₐ 값)로 정의됩니다. 반면에 친핵성도는 어떤 종이 전자쌍을 주어 전자를 부족하게 가진 탄소, 예를 들자면 카보닐 탄소, 알킬 할로겐화물의 탄소를 공격하는 반응 속도와 관련되며 즉, 친핵체는 탄소와 같은 전자 부족 중심에 대한 친화력입니다. 이때 염기성이 강하다는 것은 해당 종이 전자쌍을 강하게 보유하고 있으며 H⁺와 결합하려는 성향이 크다는 뜻인데요 이는 일반적으로 같은 전자쌍을 이용해서 탄소의 전자 부족 부위와도 잘 반응할 수 있음을 의미합니다. 즉, 전자밀도가 높고 결합 형성에 적극적인 종일수록, H⁺에도 잘 달라붙고, 전자가 부족한 탄소에도 잘 공격하며, 따라서 일반적으로 염기성과 친핵성은 같은 전자공여 능력을 반영하므로 비슷한 경향을 보이는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 전형 원소와는 다르게 전이원소는 다양한 전하를 띨 수 있는 이유가 무엇인가요?
안녕하세요.네, 질문해주신 것처럼 주족 원소와는 다르게 전이금속이 다양한 산화수를 가질 수 있는 이유는 전자배치와 결합 특성과 깊게 관련되어 있는데요, 전형 원소의 경우에는 화학적 성질 대부분 가장 바깥쪽 전자껍질(최외각 s, p전자)에 의해 결정되며 따라서 안정적인 전자배치를 위해 주로 1가지 산화수만 갖는 경우가 많습니다. 반면에 전이금속의 경우에는 d 전자가 최외각 전자껍질 바로 아래에 존재하며 s전자와 d전자 모두 화학반응에 참여 가능하기 때문에 여러 산화수가 가능한 것입니다. 말씀해주신 Fe 원자 전자배치는 [Ar] 4s² 3d⁶인데요, d전자 손실 여부에 따라 Fe²⁺, Fe³⁺ 등 다양한 산화수 형성 가능한 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 이온들끼리 결합하여 고체결정을 형성할 때 에너지는 왜 방출되나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 이온 결합에서 왜 격자에너지가 방출되는가는 화학 결합의 안정성과 직접적으로 연결되는데요, 개별적으로 떨어져 있는 양이온(+)과 음이온(-)은 전기적으로 강하게 서로 끌어당기는데요, 하지만 이때는 아직 서로 분리된 상태이므로, 이온 각각은 불안정하고 에너지가 상대적으로 높습니다. 이온들이 모여 규칙적인 고체 결정(이온 결정)을 만들면, 각 이온은 주변의 반대 전하 이온들에 의해 강하게 둘러싸이게 되는데요, 이로 인해 시스템 전체의 퍼텐셜 에너지가 크게 낮아집니다. 즉, 낮은 에너지 상태로 가면서 여분의 에너지 차이가 밖으로 방출되는데, 이것이 바로 격자 에너지이며, 이온들이 흩어져 있을 때보다 서로 결합해 결정 구조를 형성했을 때 에너지가 낮으므로, 이 낮아진 에너지만큼이 열(에너지)로 방출되기 때문에 발열반응으로 진행되는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 철새들이 계절에 따라 이동을 하며 얼마나 많은 에너지를 소비하며 휴식과 영양 보충을 어디서 어떻게 하는지?
안녕하세요.네, 질문해주신 철새들의 장거리 이동은 동물계에서 가장 극적인 에너지 소비와 생존 전략의 사례인데요, 새는 날개를 퍼덕이며 나는 동안 기초 대사량의 10~20배 이상 에너지를 소비하는데요, 이런 이동에는 체중의 40~60%를 지방 형태로 저장해 출발하게 되며, 지방은 단백질·탄수화물보다 에너지 밀도가 높아 장거리 비행에 최적입니다. 또한 대부분의 철새는 장거리 이동 중 중간 기착지에서 체력을 보충하는데요, 습지나 갯벌, 호수 주변 등의 장소에서 철새들이 곤충·무척추동물·씨앗·수생식물 등을 집중적으로 섭취하게 되며 예를 들어서 한국 서해안 갯벌은 동아시아–호주 철새 이동 경로(EAAF)의 핵심 중간 기착지로 작용합니다. 이 과정에서 철새들은 처음에는 지방을 사용하고 장거리 이동 중 후반에는 단백질(근육)까지 일부 분해해 에너지를 확보합니다. 또한 이동 중의 생존 전략으로는 많은 작은 철새는 낮에는 휴식, 밤에 날아 체온과 수분 손실 줄이고 무리를 지어 V자 대형을 이루면 선두가 공기 저항을 깎아주어 뒤따르는 개체는 약 20~30% 에너지 절약하게 됩니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 새들이 천적이나 포식자로부터 자신과 새끼를 보호하기 위해 사용하는 다양한 방어전략과 경고 신호 위장술은 어떤 것들이 있을까요?
안녕하세요.네, 질문해주신 것과 같이 새들은 오랜 진화 과정에서 자신과 알, 새끼를 보호하기 위해 다양한 전략을 발전시켜왔는데요, 땅에 둥지 짓는 새는 알 껍질 무늬가 자갈이나 풀색과 닮아 눈에 잘 띄지 않고, 갈색이나 회색 계열 깃털로 숲 바닥, 나무껍질에 섞일 수 있습니다. 또한 특정한 소리를 내어 무리에게 포식자가 접근했음을 알리기도 하며, 날개 펼치기, 부리로 쪼기, 날카로운 소리 내기 등으로 포식자 위협할 수도 있습니다. 이외에도 작은 새들이 모여 큰 포식자(올빼미, 매)를 집단으로 괴롭혀 쫓아내는 무리 지어서 공격하는 방식을 취할 수도 있으며, 나무 구멍, 절벽 틈, 수풀 깊은 곳 등 잘 보이지 않는 장소 선택하여 둥지를 은폐할 수도 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 왜 어떤 새는 나무 위에 둥지를 짓고 어떤 새는 땅에 둥지를 틀까요?
안녕하세요.네, 질문주신 것처럼 어떤 새는 나무 위에 둥지를 짓기도 하며, 어떤 새는 땅에 둥지를 틀기도 하는데요, 새들의 둥지짓기 전략은 단순한 습관이 아니라, 생존·번식 성공률을 극대화하는 진화적 적응의 결과라고 볼 수 있습니다. 나무 위에 둥지를 트는 새의 경우에는 포식자 회피를 하기 위함이 큰데요, 뱀, 여우, 고양이 같은 지상 포식자로부터 안전해지며 높은 위치에서 주변을 살피고 위험을 빨리 감지할 수 있고 바람, 햇볕 등을 활용해 알을 일정한 온도로 유지하기 용이합니다. 반면에 땅 위에 둥지를 짓는 새의 경우에는 풀, 자갈, 모래 속에 알과 둥지를 숨겨서 포식자가 발견하기 어렵게 하는 위장 효과가 있습니다. 즉 나무 위 둥지는 지상 포식자에게 안전하지만, 까마귀·뱀 같은 나무 오르는 포식자에게는 취약하며 반면에 땅 둥지는 포식 위험이 크지만, 위장 효과와 새끼의 일찍 걷기 능력으로 대응할 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 멜라토닌이 수면에 어떤 영향을 끼치는 건가요?
안녕하세요.네, 질문주신 사항에 대해 답변드리자면 많은 분들이 멜라토닌은 수면제라고 생각하시지만, 사실 멜라토닌은 직접 잠들게 만드는 약이 아니라 몸의 생체시계를 맞춰주는 호르몬인데요, 이때 멜라토닌은 뇌의 송과체에서 분비됩니다. 빛, 특히 푸른빛(블루라이트)이 줄어들면 분비가 증가하고, 햇빛이나 조명에 노출되면 분비가 억제되는데요 보통 저녁이 되면 자연스럽게 분비가 늘어나 잘 시간이라는 신호를 몸에 줍니다. 이러한 멜라토닌은 뇌의 시상하부(시교차상핵, SCN)에 작용하여 일주기 리듬(24시간 생체시계)을 조절하는데요, 이 과정에서 체온을 조금 낮추고, 심박수를 줄이며, 뇌를 밤 모드로 전환시켜 잠이 오기 쉽게 환경을 만듭니다. 즉 멜라토닌은 깊은 수면(특히 REM 수면)에 직접적으로 크게 영향을 주는 것은 아니지만, 잠들기까지 걸리는 시간을 단축시키는 데 효과가 있으며 그래서 시차 적응, 교대 근무, 빛 노출에 따른 불면 같은 상황에서 도움이 됩니다. 멜라토닌을 복용할 때에는 수면제처럼 강제로 잠들게 하는 것이 아니므로, 즉각적인 ‘강한 졸음’은 오지 않을 수도 있으며 장기간 과다 복용 시, 뇌의 멜라토닌 분비 리듬이 깨질 수 있어 의학적 조언 하에 사용하는 게 좋을 것 같습니다. 감사합니다.