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이온음료 냉동실에 넣은지 1시간정도 되었는데 살얼음이 생기네요?
말씀하신 것처럼 이온음료는 물이나 탄산음료보다 상대적으로 빨리 어는 것처럼 보이는 현상이 나타나는데요, 이온음료는 물 + 당류(포도당, 과당 등) + 전해질(나트륨, 칼륨, 마그네슘, 염화물 등) + 유기산(구연산 등)으로 이루어져 있습니다. 이 중 전해질과 당류는 용질로 작용하여 원래라면 순수한 물보다 어는점 내림 효과를 나타내는데요 즉, 같은 온도에서라면 물보다 늦게 얼어야 하는 게 맞습니다. 왜 빨리 어는 것처럼 보이는지에 대해서 생각해보자면 우선 이온음료에 들어 있는 전해질은 양이 아주 적은데요, 탄산음료에는 탄산가스 + 당류가 훨씬 많이 녹아 있어 실제로는 어는점이 물보다 더 크게 내려갑니다. 따라서 탄산음료는 훨씬 더 낮은 온도까지 식어야 어는 반면, 이온음료는 어는점 내림 효과가 작아서 상대적으로 쉽게 얼기 시작하는 것입니다. 반면에 탄산음료는 내부 압력 때문에 액체 상태가 더 안정화되는데요 냉동실에 두면 과냉각 상태가 되었다가, 개봉하거나 충격을 줄 때 갑자기 얼어붙는 경우가 많으며 이 때문에 얼어붙는 순간이 지연된 것처럼 느껴지는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.11
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실온에서 참기름과 들기름을 실험해보면?
참기름과 들기름은 모두 불포화지방산이 풍부한 기름이지만, 구성 지방산의 차이 때문에 산패 속도 즉, 산화되면서 향과 맛이 변질되는 속도가 크게 다른데요 우선 참기름은 주로 올레산(ω-9 단일불포화지방산, 약 40%)과 리놀레산(ω-6, 다중불포화지방산, 약 40%)으로 구성되어 있습니다. 들기름은 주로 α-리놀렌산(ω-3, 다중불포화지방산, 55~65%) 함량이 매우 높습니다. 실온 보관(20~25℃, 직사광선 X, 개봉 후) 조건을 기준으로 연구 데이터와 식품 저장학에서 알려진 결과를 종합해보면 우선 참기름은 상대적으로 안정적이기 때문에 개봉 후 3~6개월 정도까지는 큰 변화가 없으며 항산화 성분 덕분에 보관성이 좋은 편입니다. 다음으로 들기름은 산화가 매우 빨라서 개봉 후 1~2개월 이내에 산패가 시작되며 특히 뚜껑이 자주 열리고 공기 접촉이 많으면 수 주 내에도 냄새가 변할 수 있습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.11
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비자발적인 전지에서 용융 상태와 수용액 상태일 때 각각 산화와 환원은 어떤 식으로 달라지나요?
네, 질문해주신 것과 같이 비자발적인 전지, 즉 전해 전지에서 어떤 물질이 산화-환원되는지는 전기분해가 용융 상태에서 진행되느냐 아니면 수용액 상태에서 진행되느냐에 따라 달라집니다. 우선 용융 상태에서는 순수한 염, 예를 들어서 NaCl을 고체에서 가열하여 녹여 만든 이온 상태인데요, 이때는 해당 화합물에서 유래한 양이온과 음이온만 존재하며 따라서 전기분해 반응도 단순하게 일어납니다. 즉, 용융 상태에서는 화합물 이온 그대로 전극 반응이 일어납니다.반면에 수용액에서는 단순히 염이 해리된 이온만 있는 것이 아니라, 물(H₂O) 자체도 산화-환원될 수 있는 경쟁 반응에 참여하는데요, 따라서 어떤 반응이 실제로 일어날지는 각 이온의 표준 전극 전위(E°)와 물의 산화·환원 전위와의 상대적인 차이에 의해 결정됩니다. 즉, 수용액 상태에서는 물의 산화-환원 반응과 용질 이온의 반응이 경쟁하며, 전극 전위가 더 유리한 쪽이 실제 반응으로 일어납니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.11
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갈바니 전지와 전해전지에서 전극의 부호가 반대인 이유는 무엇인가요?
질문해주신 것처럼 갈바니 전지와 전해 전지에서 전극의 부호가 서로 반대가 되는 이유는 전자가 이동하는 원동력이 어디에서 기인하는가 즉, 반응이 자발적으로 일어나는지 아니면 외부에서 강제로 밀어붙여야 하는지에 달려 있는데요, 우선 갈바니 전지의 경우를 보면, 두 전극 사이의 전위차 때문에 자발적인 산화-환원 반응이 일어납니다. 산화가 일어나는 전극에서는 전자가 방출되어 외부 회로로 이동하고, 이때 전자를 내놓는 쪽은 상대적으로 전위가 낮으므로 -극이 됩니다. 반대로 환원이 일어나는 전극은 전자를 받아들이는 쪽이므로 전위가 높아 상대적으로 +극이 되며 즉, 갈바니 전지에서는 산화 전극 = 음극, 환원 전극 = 양극이라는 관계가 성립합니다.반면에 전해 전지에서는 자발적이지 않은 반응을 외부 전원이 강제로 진행시킵니다. 이때 외부 전원에서 전자를 밀어 넣어 주는 전극이 환원이 일어나는 곳인데, 여기서는 외부 전원이 전자를 공급하므로 전자가 모여드는 전극이 -극이 되고, 반대로 산화가 강제로 일어나야 하는 전극은 외부 전원에 의해 전자가 뽑혀 나가기 때문에 전자가 부족해지고, 따라서 상대적으로 +극이 됩니다. 즉, 전해 전지에서는 산화 전극 = 양극, 환원 전극 = 음극이라는 관계가 성립하여 갈바니 전지와 정반대가 됩니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.11
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갈바니 전지는 언제 방전이 일어나나요?
질문해주신 것과 같이 갈바니 전지가 방전한다는 것은, 전지를 구성하는 두 전극 사이에 전자가 실제로 흐르면서 외부 회로로 전류가 나가는 과정을 의미합니다. 우선 갈바니 전지는 서로 다른 금전극과 전해질을 조합했을 때 전위차가 발생하고, 이 전위차에 의해 자발적인 산화-환원 반응이 동시에 일어나도록 설계된 장치인데요, 방전이 시작되는 순간은 외부 회로가 닫혀 두 전극이 전선으로 연결될 때입니다. 이때 금속 전극 중에서 상대적으로 환원력이 큰 금속이 산화되며 전자를 잃고, 그 전자가 전선을 따라 다른 전극으로 이동하여 그곳에서 환원 반응을 일으키게 됩니다.예를 들어, 아연–구리 전지(Zn–Cu 전지)에서는 아연이 아연 이온(Zn²⁺)으로 산화되면서 전자를 방출하고, 그 전자가 구리 전극으로 이동해 용액 속의 Cu²⁺ 이온이 환원되어 구리 금속으로 석출되며, 이런 반응이 연속적으로 진행될 때 전자가 계속 흘러 전류가 유지되며, 우리는 이를 전지가 방전되고 있다고 표현합니다. 즉 갈바니 전지가 방전되는 조건은 외부 회로가 연결되어 있어 전자가 이동할 수 있는 통로가 있어야 하며, 두 전극 사이에 충분한 전위차가 존재해서 산화-환원 반응이 자발적으로 일어날 수 있어야 합니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.11
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지방족 탄화수소에서 지방족이 기름일까요?
네, 질문해주신 지방족(aliphatic)이라는 말 때문에 흔히 지방(fat)에서 온 것 아니냐고 오해하기 쉬운데, 화학적으로는 ‘기름’이라는 의미의 지방과 직접적인 관련은 없습니다. 19세기 화학자들이 기름에서 얻어지는 여러 사슬형 탄화수소를 묶어 부르기 위해 aliphatic이라는 용어를 쓴 것이 지금까지 이어진 것인데요, 따라서 어원적으로는 ‘기름’과 관계가 있지만, 화학적 의미에서의 ‘지방족’은 단순히 방향족이 아닌, 사슬형 탄화수소 계열 전체를 가리키는 용어로 굳어졌습니다.다시 말씀드리자면 '지방족'은 방향족 고리 구조가 없는 탄화수소를 말하는 것이며, 여기에는 곧은 사슬형, 가지형, 고리형의 알케인까지 포함됩니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.11
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수소결합은 공유결합이나 이온결합보다 약함에도 불구하고 물성에 큰 영향을 미치는 원리가 무엇인가요?
네, 말씀해주신 것처럼 수소결합은 공유결합이나 이온결합에 비해 결합 에너지가 훨씬 작아 보통 수~수십 kJ/mol 정도에 불과한데요, 하지만 물성에 큰 영향을 미치는 이유는 개별 결합의 강도가 아니라, 결합이 형성되는 수와 구조 때문입니다. 우선 물 분자 하나는 산소에 두 개의 비공유 전자쌍을 가지고 있고, 수소 원자도 두 개가 있어서 네 개의 수소결합을 형성할 수 있는데요, 이 때문에 물 분자들은 단순히 독립적으로 존재하지 않고, 광범위한 수소결합 네트워크를 만들어 집단적으로 매우 안정된 구조를 형성합니다. 따라서 단일 결합이 약하더라도 전체적으로는 물성에 강한 영향을 줍니다.또한 수소결합은 약해서 쉽게 끊어지고 다시 형성될 수 있는데, 이 특성이 물에 독특한 점성을 부여하고 높은 비열, 높은 기화열 등 열역학적 성질을 설명합니다. 즉, 끊고 맺는 과정이 빠르게 반복되면서도 순간적으로 강력한 네트워크가 유지하게 됩니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.11
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금속이 전도성과 전성 및 연성을 갖게 되는 원리는 어떻게 설명할 수 있나요?
네, 말씀해주신 것처럼 금속에서는 원자들이 가전자 전자를 집단적으로 공유하여 전자를 특정한 한 원자에 속박하지 않고, 전자들이 자유전자 형태로 금속 전체에 퍼져 있게 되는데요, 따라서 금속은 흔히 양이온 격자가 자유전자 바다 속에 잠긴 구조인 전자 바다 모형으로 이해할 수 있습니다.우선 전도성의 원리를 전기전도성의 측면에서 설명하자면, 자유전자는 금속 전체에 걸쳐 퍼져 있기 때문에, 외부에서 전기장이 걸리면 전자들이 쉽게 이동할 수 있는데요, 이 자유전자의 흐름이 곧 전류가 되므로, 금속은 전기 전도성이 큽니다. 다음으로 열 전도성의 측면에서는 금속 내부에서 열이 가해지면 자유전자가 에너지를 받아 빠르게 이동하면서 다른 전자 및 격자와 충돌하여 에너지를 전달하는데요, 따라서 열도 잘 전달됩니다.다음으로 전성과 연성의 원리는 다음과 같은데요, 우선 금속 원자는 양이온 격자로 배열되어 있는데, 이 격자는 자유전자 바다 속에 떠 있습니다. 이때 외부에서 충격이나 힘을 가해 원자층이 밀려나도, 자유전자가 격자를 계속 붙잡아 주기 때문에 결합이 끊어지지 않고 새로운 배열로 다시 안정될 수 있으며 이로 인해 금속은 쉽게 깨지지 않고 두드리면 얇게 펴지는 전성과 잡아당기면 가늘게 늘어나는 연성을 갖게 되는 것입니다. 감사합니다.
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갈바닉 전지에서 염 다리는 어떤 역할을 하며 없을 경우에는 전지 반응이 어떻게 달라지나요?
네, 질문해주신 것처럼 갈바닉 전지에서 염 다리는 단순한 연결 부품이 아니라, 전지가 지속적으로 작동할 수 있게 해 주는 핵심 장치인데요, 염 다리의 중요한 역할은 '전하 평형 유지'입니다. 전극 반응이 진행되면, 산화 전극(음극)에서는 금속이 전자를 잃고 금속 이온이 용액으로 들어가므로 양이온 농도가 점점 많아지며 반대로 환원 전극(양극)에서는 금속 이온이 전자를 받아 고체 금속으로 석출되므로 용액 속 양이온 농도가 줄고 상대적으로 음전하(음이온)가 많아집니다. 이렇게 되면 전하 불균형이 커져 전자의 흐름이 곧 멈추게 되는데요, 이때 염 다리는 이를 막기 위해, 보통 KNO₃, KCl과 같이 반응에 직접 관여하지 않는 전해질 용액을 채워 넣어 양쪽 전해질 용액 사이에서 이온의 이동 통로 역할을 합니다. 즉, 음극 쪽에는 음이온이 이동해와서 과도한 양전하를 중화시키고, 양극 쪽에는 양이온이 이동해와서 과도한 음전하를 중화시키게 되는 것입니다. 감사합니다.
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갈바니 전지에서 기전력을 증가시킬 수 있는 요인은 무엇이 있나요?
네, 질문해주신 것과 같이 갈바니 전지에서 기전력(E)은 두 전극에서 일어나는 산화·환원 반반응의 전위차로 결정되며, 이는 열역학적으로 반응의 자발성을 반영하는데요, 따라서 전지의 기전력을 크게 만들려면 두 전극의 전위차를 벌려 주는 요인들이 필요합니다. 우선 산화되기 쉬운 금속, 즉 전위가 매우 낮은 금속을 음극으로, 환원되기 쉬운 이온, 즉 전위가 높은 반응을 양극으로 선택하면 전위차가 커지기 때문에 기전력을 증가시킬 수 있습니다. 또한 산화 전극 용액의 농도를 낮추면 산화가 잘 일어나게 되고 이로 인해 기전력이 증가하며, 환원 전극 용액의 농도를 높이면 환원이 잘 일어나기 때문에 기전력을 증가시킬 수 있습니다. 마지막으로 Nernst 식에 온도가 들어가기 때문에, 반응의 엔트로피와 자유에너지 변화에 따라 기전력이 온도 의존성을 가질 수 있는데요, 일반적으로 온도를 높이면 전위차가 커지는 경우도 있지만, 반드시 항상 증가하는 것은 아니며 반응에 따라 다릅니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.10
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