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얼음을 녹이기 위해 겨울철에 도로 위에 소금을 뿌리는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 겨울철 도로 위에 소금을 뿌리면 얼음이 녹는 이유는 소금이 물에 녹아 용액의 어는점을 낮추기 때문인데요, 이 현상은 화학적으로 용액의 ‘어는점 내림’ 현상으로 설명할 수 있습니다.원래 순수한 물은 0℃에서 액체 ↔ 고체(얼음) 의 평형상태를 이루는데요, 이때는 물 분자 간의 수소결합이 안정되어 얼음 격자가 형성되고 얼음과 물이 동적 평형을 유지합니다.단 소금을 뿌리면, 얼음 표면에 존재하는 얇은 물막에 소금이 녹는데요 이온 결합으로 이루어진 NaCl이 물에 녹아 나트륨 이온과 염화 이온으로 해리됩니다. 이 이온들은 물 분자 주변에 전기적으로 인력을 형성하여 물 분자들이 규칙적인 얼음 격자를 이루는 것을 방해합니다. 이때 물 속에 소금이 녹아 생긴 용액은 순수한 물보다 증기압이 낮아지는데요 즉, 물이 얼음으로 고체화되기 위해서는 물 분자들이 서로 규칙적으로 배열될 확률이 줄어드는 것입니다. 그 결과, 동일한 압력에서 물이 어는 온도가 0℃보다 더 낮아져야 평형이 성립합니다. 이 현상을 용액의 ‘콜리게이티브 성질’ 중 하나인 어는점 내림이라 고 하며 이때 소금이 많이 녹아 이온 농도가 높을수록, 그리고 이온으로 분리되는 수가 많을수록 어는점이 더 낮아집니다.또한 얼음이 녹을 때는 흡열 과정이 일어나며, 얼음이 녹기 위해서는 주변으로부터 융해열을 흡수해야 하는데요 그런데 소금이 녹은 용액은 이미 자유에너지가 낮기 때문에, 얼음이 녹아 물로 전환되는 과정이 더 안정된 상태로 향하게 되어 자발적으로 진행됩니다. 즉, 화학적으로는 소금이 물의 화학적 퍼텐셜(μ)을 낮추기 때문에, 얼음이 녹는 반응이 유리해지는 것으로 설명할 수 있습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.10.20
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희토류란 무엇이며 어디에 쓰이는건가요?
안녕하세요.질문해주사 희토류는 이름 그대로 희귀한 금속 원소들의 한 부류로 오늘날의 첨단 산업과 일상생활에 많이 사용되는 전략적 자원인데요, 우선 희토류란 주기율표에서 란탄족(원자번호57~71) 원소 15종에, 스칸듐(Sc) 과 이트륨(Y) 을 포함한 총 17종의 금속 원소군을 말합니다. 대표적으로 란탄(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 디스프로슘(Dy), 이터븀(Yb) 등의 원소가 있습니다.사실 희토류는 이름처럼 매우 드문 원소는 아닌데요, 지각 내 존재량으로 보면 구리나 납보다 많은 것도 있습니다. 다만, 자연 상태에서는 농도가 낮고 여러 광물 속에 섞여 있어서 추출이 어렵고 정제가 복잡하기 때문에 희토류라 불리는 것이며 희귀한 것은 존재량이 아니라 분리·정제의 어려움입니다.희토류는 대부분 은백색 금속이며, 전기적·자기적·광학적 성질이 독특하여 다른 금속에 소량 첨가만 해도 성능을 크게 향상시키는데요 예를 들어 자성을 강화하거나, 발광 특성을 바꾸거나, 열적 안정성을 높일 수 있습니다. 이러한 특성 때문에 희토류는 현대 기술 산업의 비타민 금속이라 불리기도 합니다.전자기기에 많이 사용되는데요, 네오디뮴(Nd)은 스피커, 이어폰, 스마트폰 진동모터, 하드디스크 등의 고성능 영구자석에 쓰이고 유로퓸(Eu), 터븀(Tb)은 LED와 LCD 디스플레이의 적·녹색 형광체로 사용됩니다. 즉 희토류는 우리가 직접 눈으로 보지 않아도 거의 모든 전자기기 속에 포함되어 있다고 보시면 됩니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.10.20
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이번에 노벨 화학상은 어떤 과학자가 수상하게 되었나요?
안녕하세요. 질문해주신 2025년도 노벨화학상은 금속·유기 골격체를 개발한 기타가와 스스무 일본 교토대 교수, 리처드 롭슨 호주 멜버른대 교수, 오마르 M. 야기 미국 버클리 캘리포니아대 교수 등 3인이 받았습니다.하이너 링케 노벨화학위원회 위원장은 이들의 연구를 두고 “MOF는 잠재력이 엄청나다. 새로운 기능을 지닌 맞춤형 물질을 만들 수 있는, 예전에는 예견하지 못한 기회를 마련해 줬다”고 말한 바 있는데요, MOF란 흔히 ‘분자 스펀지’라고 불리며 MOF 구조를 건물에 비유하면 건축물 꼭짓점엔 금속 이온이, 이를 잇는 모서리에는 유기 리간드가 자리해 3차원 골격 구조를 이루고 있습니다. 이렇게 형성된 내부엔 눈에 보이지 않을 만큼 미세한 구멍이 숭숭 뚫려 있어 ‘나노 크기 스펀지 창고’라고 할 수 있고 이 구멍 덕분에 MOF엔 공기나 가스, 냄새 분자 등 다양한 물질을 저장할 수 있는 것입니다. 다양한 영역에서 활용할 가능성이 높다는 평가가 있는데요 우선 뛰어난 흡착 능력 덕분에 탄소나 수소 같은 기체를 효과적으로 저장할 수 있고, 유해 가스를 포집해 없애는 데에도 쓰일 수 있습니다. 또한 의료 분야에선 MOF에 약물을 담아 서서히 방출하는 전달체로 활용하는 연구가 이뤄지고 있고, 산소 저장 장치나 방호 재료 같은 분야에서도 응용 가능성이 검토되고 있습니다. 감사합니디.
학문 / 화학
25.10.20
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축열조에서 열은 어떤방식으로 저장되는지 궁금합니다.
안녕하세요.축열조는 열에너지를 저장하는 탱크로, 에너지를 필요한 시점에 사용하기 위해 열을 저장하거나 방출하는 장치인데요 원래 열에너지는 물질의 온도 변화나 상태 변화에 의해 저장됩니다.축열조에서는 다음 두 가지 방식 중 하나로 열을 저장하는데요 현열 저장 방식은 물질의 온도를 높이거나 낮추면서 열을 저장하는 방식으로 예를 들어 온수를 저장하는 축열조가 대표적이며 1톤의 물을 30℃에서 80℃로 데우면, 그 온도 차에 해당하는 열이 저장됩니다. 구조가 단순하고 비용이 저렴하지만, 물질의 온도 범위에 제한이 있어서 단위 부피당 저장 가능한 열량은 비교적 작습니다.두번째는 잠열 저장 방식인데요 물질의 상변화, 즉 고체→액체, 액체→기체로 변할 때 흡수하거나 방출하는 잠열을 이용하는 방식입니다. 예시로는 빙축열 시스템이 있는데요, 물을 얼려서 냉열을 저장하며 낮에는 얼음을 녹여 냉방에 사용합니다. 온도 변화가 거의 없는 상태에서도 대량의 열을 저장할 수 있어, 효율이 높고 부피가 작습니다. 다만, 물질의 안정성과 반복 사용 수명, 비용이 관건입니다.실제 공장 및 건물에서의 축열조 운용 방식으로 냉난방 설비, 냉방용 축열조는 전력요금이 싼 심야 시간대에 냉동기를 가동하여 얼음을 만들고, 주간에는 얼음을 녹이면서 냉수를 공급합니다.난방용 축열조는 보일러나 히트펌프가 생산한 온수를 저장해 필요할 때 꺼내 씁니다. 산업용 공정, 공장에서는 고온의 폐열을 열매체유나 용융염 등에 저장해 다음 공정의 예열이나 열전환 장치에 재활용하기도 합니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.10.20
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이스트의 발효 과정에서 생성되는 에탄올은 빵이 구워질 때 어떻게 변화하며, 이 변화는 화학적으로 어떤 반응에 해당하나요?
안녕하세요.빵을 만들 때 반죽 속에서 이스트가 발효를 하면 에탄올과 이산화탄소가 함께 생성되는데요 이 중에서 이산화탄소는 빵을 부풀게 하는 역할을 하고, 에탄올은 굽는 과정에서 화학적으로 변하거나 사라지게 됩니다.이스트의 발효 반응에서 포도당이 분해되어 에탄올과 이산화탄소가 생기는데, 반죽 속에는 소량의 에탄올이 존재하게 되는데요 그런데 빵을 180~200 °C 정도로 굽게 되면, 에탄올은 끓는점이 약 78 °C로 낮기 때문에 대부분 기화하여 공기 중으로 날아가 버립니다.또한 에탄올은 단순히 증발할 뿐 아니라, 고온에서 산화나 열분해가 일어나기도 하며 산소가 충분한 오븐 내부에서는 일부 에탄올이 산화 반응을 겪을 수 있습니다. 이는 연소 반응으로, 에탄올이 산소와 반응하여 이산화탄소와 물로 바뀌는 산화 반응입니다. 또한, 완전한 연소가 되지 않는 국소적인 부분에서는 부분 산화 또는 열분해에 의한 향기 화합물 형성도 함께 일어나는데요, 이 과정에서 빵의 고소한 구운 향이 만들어지게 되는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.10.18
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이스트가 빵 반죽 속에서 이산화탄소를 생성하는 화학 반응식은 어떻게 되며, 이때 사용되는 기질은 무엇인가요?
안녕하세요.질문해주신 바와 같이 빵을 만들 때 사용하는 이스트는 일종의 단세포 진균으로, 빵 반죽 속에서 당인 포도당, 설탕 등을 분해하여 에너지를 얻는 과정에서 이산화탄소와 에탄올을 생성하는데요, 이 현상은 무산소 상태의 혐기성 조건에서 일어나는 알코올 발효입니다. 포도당 1분자가 분해되어 에탄올 2분자와 이산화탄소 2분자가 만들어지는데요 기질은 주로 포도당(C₆H₁₂O₆), 과당, 자당 등 단당류나 이당류이며 이스트가 분비하는 효소에 의해 먼저 포도당 형태로 전환됩니다.발효 과정에 대해 설명드리자면, 이스트는 산소가 부족한 환경에서 해당과정을 통해 포도당을 분해하는데요 이 과정에서 피루브산이 생성되고, 이 피루브산이 효소 작용을 받아 에탄올과 CO₂로 전환됩니다.이때 생성된 CO₂ 기체가 반죽 속의 글루텐이라는 단백질 구조에 의해 가두어지면서 기포가 형성되고, 열을 받아 팽창하면서 빵이 부풀어 오르게 됩니다.에탄올은 굽는 과정에서 대부분 증발하여 사라지며, 남은 것은 풍미를 약간 부여하는 정도에 그칩니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.10.18
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우리나라 산에도 야생 늑대가 서식을 하는지요?
안녕하세요.현재 대한민국의 자연 상태에서 야생 늑대는 사실상 멸종된 상태입니다.과거에는 한국늑대라고 불리는 아시아 회색늑대의 아종이 한반도 전역의 산악 지대에 널리 분포했는데요, 이 늑대는 중국 북부, 만주, 러시아 연해주 등에도 이어지는 시베리아 늑대의 아종으로 분류됩니다.조선시대 문헌이나 일제강점기 기록에도 늑대의 존재가 자주 등장했으며 당시에는 가축이나 사람을 공격했다는 기록도 있고, 겨울철에 한반도 북부에서 눈밭을 따라 무리를 지어 이동했다는 보고도 있습니다.하지만 늑대는 20세기 중반 이후 급격히 사라지기 시작했는데요 사람에 의한 직접 포획과 박멸로 인한 것으로, 가축 피해를 막기 위해 정부나 지방 단위로 늑대를 잡는 정책이 있었습니다.또한 서식지 파괴 때문인데요, 산림이 개간되고 도로가 생기면서 늑대가 살아갈 숲이 줄어들었습니다. 또한 사슴, 멧돼지 같은 초식동물이 줄어들자 먹이를 찾기 어려워졌습니다. 이러한 이유로 1950년대~1960년대 이후 남한에서는 사실상 야생 늑대의 개체가 확인되지 않았습니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.10.18
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함수(y절편) 에 대해 질문 드립니다
안녕하세요.질문해주신 것처럼 그림 상에 동그라미 친 부분은 y절편인데요, y절편이란, 수학에서 함수나 직선이 y축과 만나는 점의 y값을 의미하며 즉, x=0일 때의 함수값을 말합니다.따라서 그림 상에서 동그라미 친 부분은 x=0이고, y축과 만나는 지점이기 때문에 y절편이라고 하는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.10.18
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은은 전기만으로도 녹슨 것을 사라지게 할 수 있나요?
안녕하세요.네, 질문해주신 것처럼 은의 녹 인산화막을 전기적으로 제거할 수 있다는 말은 완전히 틀린 것은 아닌데요, 실제로 전기화학적 환원 반응을 이용하면 은의 산화된 표면을 되돌릴 수 있습니다. 우선 은은 철처럼 붉은색 녹(Fe₂O₃)을 만들지는 않는데요, 대신 공기 중의 황(S) 성분이나 황화수소(H₂S)와 반응해 황화은(Ag₂S)이라는 검은색 피막이 생기며 이것이 흔히 ‘은이 녹슬었다’고 부르는 상태입니다. 즉, 은의 녹은 산화가 아니라 황화에 의한 것입니다.이 황화은(Ag₂S)은 전기화학적으로 환원될 수 있는데요 즉, 전자를 공급해주면 황이 떨어져 나가고 다시 순수한 금속 은(Ag)이 됩니다. 이 과정은 전해 환원 혹은 갈바니 환원이라고 불리며,이를 가정에서도 간단히 구현할 수 있는 대표적인 예가 바로 ‘알루미늄 호일과 베이킹소다를 이용한 은세척’ 방법입니다.알루미늄은 은보다 환원력이 강한 금속인데요 물 속에서 알루미늄이 산화되며 전자를 방출하고, 그 전자가 황화은의 Ag₂S를 환원시켜 다시 금속 Ag로 돌려놓습니다.다만 철이나 구리에는 같은 방법이 안 통하는 이유는 두 가지가 있는데요, 우선 산화물의 안정성 차이 때문입니다. 철의 녹(Fe₂O₃, Fe₃O₄)은 매우 안정한 결정 구조를 가지고 있어서 단순히 전자를 공급한다고 해서 쉽게 금속 Fe로 되돌아가지 않는데요, 다시 환원하려면 매우 높은 온도에서의 화학적 환원이 필요합니다. 또한 구리의 산화물(CuO, Cu₂O)도 비교적 안정하여, 상온에서의 간단한 전기화학 반응으로는 복원이 어렵습니다.게다가 은의 황화물(Ag₂S)은 전기적으로 반도체적 성질을 가지며, 전자 이동이 가능해 전기화학적 환원이 비교적 쉽게 일어나는 반면, 철의 산화물이나 구리 산화물은 절연성이 강해 전자가 표면으로 잘 전달되지 못하므로 전기적 복원이 거의 일어나지 않습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.10.18
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cis 이중결합은 packing이 왜 잘 안되나요?
안녕하세요.질문해주신 것과 같이 불포화탄화수소에서 cis와 trans 이중결합의 차이는 탄소 사슬의 공간적 구조 때문이며, 이 구조적 차이가 분자 간 포개짐의 효율에 직접적인 영향을 미치는데요 먼저, packing이란 여러 분자들이 서로 가까이 모여 규칙적이고 조밀하게 배열되는 정도를 뜻합니다. 분자 간 상호작용 중 특히 반데르발스 힘은 분자들이 얼마나 가깝게 정렬될 수 있는가에 따라 강도가 달라지므로, packing 효율은 물질의 녹는점이나 결정성에도 큰 영향을 미칩니다.이때 cis 이중결합의 경우 두 개의 치환기가 이중결합의 같은 쪽에 위치하는데요, 이로 인해 탄소 사슬이 굽어있는 형태를 띱니다. 결과적으로 이렇게 꺾인 구조는 사슬들이 서로 평행하게 가지런히 놓이는 것을 방해합니다.ㅈ즉, 인접한 분자끼리 밀착하여 포개질 수 있는 면적이 작아지며, 반데르발스 인력이 약해지고 packing이 잘 일어나지 않게 되는 것입니다.예를 들어서 올리브유에 들어 있는 올레산은 cis-이중결합을 갖고 있어서 상온에서 액체 상태인데요, 이는 분자들이 조밀하게 쌓이지 못하기 때문입니다.반면에 trans 이중결합의 경우 두 치환기가 이중결합의 서로 반대쪽에 있기 때문에 탄소 사슬이 거의 직선형 구조를 유지합니다. 결과적으로 사슬들이 나란히 정렬하기 쉬워져서 분자 간 상호작용이 극대화되고, packing이 잘 되어 고체 상태나 결정 구조를 형성하기 쉽습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.10.18
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