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단백질을 검출할 때 사용하는 뷰렛 반응은 산화환원 반응으로 어떻게 설명 가능한가요?
안녕하세요. 질문해주신 뷰렛 반응은 알칼리성 용액에서 펩타이드 결합(-CO-NH-)과 Cu²⁺ 이온이 만나 보라색 착화합물을 형성하는 반응인데요 일반적으로 단백질 내 최소 2개 이상의 펩타이드 결합이 필요하며, 착화합물 형성을 통해 시각적 검출이 가능합니다. 이때 Cu²⁺는 d⁹ 전자 배치를 가지며, 펩타이드 결합의 질소 원자의 비공유 전자쌍과 배위 결합을 형성하는데요, 배위 결합을 형성하게 되면서 Cu²⁺의 d 오비탈 에너지 준위가 분리되며 d 오비탈로의 전자 전위가 발생 하고 특정 파장대역을 흡수하면서 보라색 착색이 나타나는 것입니다. 즉, 이 단계 자체는 착화합물 형성에 의한 전자 이동이지, Cu²⁺의 실제 산화 상태 변화가 반드시 일어나는 산화환원 반응은 아니라고 할 수 있겠습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.17
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뷰렛 반응 시에 전자 구조적으로 어떤 변화가 착색을 유발하나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 단백질 검출 시 사용하는 뷰렛 반응은 펩타이드 결합(-CO-NH-)과 Cu²⁺ 이온이 만나 보라색 착화합물을 형성하는 반응인데요, 알칼리성 용액(NaOH 존재)에서 반응이 잘 일어납니다. 이때 색 변화는 전자 전이, 즉 전자 구조 변화에 의해 발생합니다. 구리 이가 이온은 d⁹ 전자 배치를 가진 이온인데요, 알칼리성 조건에서 [Cu(OH)₄]²⁻ 또는 Cu²⁺ 수산화 착물 형태로 존재합니다. 이때 펩타이드 결합의 질소와 산소는 비공유 전자쌍을 가지고 있는데요 이때 질소 원자는 전자쌍을 구리 이온과 공유하여 배위 결합을 형성합니다. 즉 Cu²⁺가 질소 원자의 비공유 전자쌍과 배위 결합을 형성하는데, 이때 펩타이드 결합의 전자가 Cu²⁺의 d 오비탈과 상호작용하는 것입니다. 착색은 d 오비탈의 전자 전이로 인한 것인데요, Cu²⁺의 d 오비탈이 펩타이드 결합과 배위 결합을 형성하면서 에너지 준위가 분리되는데, 광자가 Cu²⁺ 착화합물에 흡수되면서 하위 d 오비탈 전자가 상위 d 오비탈로 전이되고 특정 파장의 빛이 흡수되고, 흡수되지 않은 빛의 보색이 나타기 때문에 뷰렛 반응에서는 보라색 착색이 나타나는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.17
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산소 분자가 무극성 분자인데 이런 성질을 이용한 일상생활에서 이용하는 경우가 있나요?
안녕하세요. 네, 우선 말씀해주신 것과 같이 산소(O₂)는 두 개의 산소 원자가 동일하게 결합하여 전자를 공유하고 있는데요, 따라서 분자 전체의 전기적 쌍극자가 없으므로 물과 같은 극성 용매에는 용해도가 낮고, 비극성 용매에는 상대적으로 잘 녹습니다. 또한 무극성 분자는 반데르발스 힘으로만 서로 상호작용하기 때문에 기체 상태에서는 분자 간 상호작용이 약합니다. 산소는 무극성이라 비극성 용매에 비교적 잘 녹는다는 성질을 이용해 산소 분리 및 저장이 가능한데요 예를 들자면 액체 질소 또는 액체 산소 저장 시, 산소를 극성 용매 대신 비극성 용매와 접촉시켜 용해도를 조절하기도 합니다. 또한 무극성 성질 때문에 물 속에서의 산소 용해도가 낮기 때문에 물고기 양식이나 산업용 수처리에서 산소 공급이 필요하며 이를 위해 공기 압력이나 기포 발생 장치를 이용하는데요, 산소가 물에 제한적으로 용해되므로 적절한 농도 유지가 가능합니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.17
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전지 반응에서 전지의 흐름과 이온의 이동은 어떠한 방향으로 일어나나요?
안녕하세요. 네, 전지는 양극과 음극이라고 하는 두 개의 전극과 전해질로 구성되는데요, 음극은 우선 전자를 방출하는 전극을 의미하며, 여기에서는 전자를 방출하기 때문에 산화가 일어납니다. 반대로 양극은 전자를 받는 전극을 의미하며 이곳에서는 환원이 일어납니다. 전자는 외부 회로를 통해 이동하는데요, 산화가 일어나는 쪽에서 환원이 일어나는 쪽으로, 즉 음극에서 양극 방향으로 진행되며 이때 외부 회로에서 전자가 흐르면서 전류가 발생합니다. 또한 이와 같은 산화환원 반응과 함께 전해질에서는 전기적 중성 유지를 위해 이온이 이동하는데요, 양이온은 음극쪽으로 이동하고, 음이온은 양극쪽으로 이동하게 됩니다. 이렇게 전자와 이온의 흐름이 동시에 이루어져야 전류가 흐르고 전지가 정상적으로 작동할 수 있는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.17
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전자 친화도와 전기 음성도의 정확한 차이는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 전자 친화도와 전기 음성도는 유사해보이지만 차이가 있는 개념입니다. 우선 전자 친화도란 중성 원자가 전자를 하나 얻어 음이온이 될 때 방출되거나 흡수되는 에너지를 말하는 것인데요, 일반적으로 에너지가 방출되면 값은 양수로 표현되며, 방출 에너지가 클수록 전자를 얻기 쉬운 원소입니다. 또한 전자 친화도의 물리적인 의미에 대해 말씀드리자면 이는 원자가 실제로 전자를 받아 음이온이 될 때 에너지 변화를 나타내는 것으로 전자 친화도가 크다는 것은 전자를 받고 싶어하는 성향이 강함을 의미합니다. 반면에 전기음성도란 공유 결합 내에서 원자가 전자를 끌어당기는 상대적 능력을 말하는 것인데요 즉, 화합물 속에서 전자 밀도를 끌어당기는 힘을 나타내는 상대적인 척도라고 할 수 있습니다. 이와 같은 전기음성도의 물리적인 의미는 화학 결합에서 원자가 전자쌍을 끌어당기는 성질을 말하는 것으로 EN이 클수록 극성 결합 형성 가능성이 증가하며, 음전하를 끌어당기는 성향 역시 증가합니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.17
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산화와 환원은 반드시 동시에 일어날 수 밖에 없나요?
안녕하세요. 네, 산화-환원 반응은 '동시성'을 특징으로 합니다. 우선 산화란 전자를 잃어서 산화수가 증가하는 반응을 의미하며, 환원이란 전자를 얻어서 산화수가 감소하는 반응을 말하는 것입니다. 이때 전자는 원자 사이에서 이동하지만, 전자의 총 수는 보존되어야 하는데요 즉 어떤 원자가 전자를 잃으면, 반드시 다른 원자가 그 전자를 받아야만 전체 전하가 보존됩니다. 따라서 산화와 환원은 동시에 일어나는 쌍을 이루는 반응이라고 할 수 있는 것입니다. 예를 들자면 Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu라는 반응에서 Zn은 2개의 전자를 잃고 산화되며, 반면에 Cu²⁺는 2개의 전자를 얻고 환원됩니다. 즉, 두 과정이 동시에 일어나야 반응이 가능하며, 전자의 수가 맞지 않으면 반응이 진행되지 않습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.17
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산화환원 반응에서 자발성을 예측할 때 표준 전극전위이를 이용하는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 산화환원 반응에서 자발성을 표준 전극전위(E°)를 이용해 판단하는데요, 산화환원 반응은 전자 이동으로 이루어집니다. 자발적 반응은 전자 이동이 자연스럽게 일어나며, 자유에너지가 음수인 반응인데요, 따라서 E가 양수이면 ΔG < 0 → 반응이 자발적이기 때문에 전극전위는 반응의 자발성을 예측할 수 있는 직접적인 지표가 되는 것입니다. 또한 표준 전극전위(E°)는 반쪽 전지(산화-환원 반쪽)와 표준 수소 전극(SHE, H₂/H⁺)을 연결했을 때 나타나는 전위를 의미하는데요, E°는 반쪽 전지가 전자를 주거나 받는 경향을 나타내는 척도로, 상대적 산화력과 환원력을 비교할 수 있는 기준입니다. 이때 표준 전극전위를 사용하는 이유는 전극전위는 상대적인 전자 친화도, 산화력 측정치이므로, 서로 다른 반쪽 반응을 비교하여 어느 쪽이 전자를 더 잘 받는지 알 수 있기 때문입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.17
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산화수의 개념과 실제 전자 이동은 어떠한 차이가 있나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 산화수는 원자가 화합물에서 전자 소유권을 가상으로 배분했을 때의 전하 상태를 나타내는 수치를 말하는 값인데요, 즉, 실제 전자를 반드시 잃거나 얻는 것은 아니지만, 산화·환원 반응을 계산하고 반응을 균형 맞추기 위해 편의상 부여하는 가상의 전하입니다. 즉 산화수라는 것은 가상의 전하 배분이라고 생각하시면 되는 것이고, 실제 전자의 이동은 물리적으로 전자가 이동하는 현상입니다. 이때 산화수는 화합물의 구조가 단순한 경우 정확히 전자 이동과 일치하지만, 공유 결합이 매우 극성적이지 않거나 금속 착물처럼 전자가 부분적으로 분포된 경우 산화수 변화가 실제 전자 이동과 완전히 일치하지 않을 수 있습니다. 따라서 산화수 개념은 전자 이동을 계산하고 산화-환원 반응식을 균형 맞추는 편리한 도구로 사용될 수 있지만 실제 전자 이동은 물리적, 양자화학적 측정이 필요할 수 있습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.17
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브뢴스테드 로우리 산 염기 정의는 아레니우스 정의와 어떤 점이 다른가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 아레니우스 정의와 브뢴스테드–로우리 정의는 모두 산과 염기를 설명하지만, 적용 범위와 개념 확장성에서 큰 차이가 있는데요 우선 아레니우스 정의의 경우에는 산은 수용액 상태에서 양성자를 내놓는 물질이고, 염기는 수용액 상태에서 수산화 이온을 내놓는 물질입니다. 하지만 이 정의는 물(H₂O) 용매에 국한된다는 한계가 있는데요, 반면에 브뢴스테드 로우리 정의에서는 따로 수용액 환경이라는 조건 없이 산은 양성자를 내놓는 물질, 염기는 양성자를 받는 물질을 말하는 것입니다. 즉 브뢴스테드 로우리 정의의 경우에는 다양한 용매 및 기체 상태 반응에도 적용 가능하다는 장점이 있습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.17
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꽃에 이산화탄소를 먹이면 어떻게 되나요
안녕하세요. 질문해주신 것과 같이 꽃을 연탄처럼 산소가 거의 없는, 대신 이산화탄소가 많은 환경에 두면 곧바로 죽는다기보다는 빠르게 시들고 조직 손상을 받게 될 수 있습니다. 꽃잎은 잎과 달리 엽록체가 많지 않아 이산화탄소를 받아 광합성을 할 능력이 거의 없는데요 즉, 꽃에 CO₂를 공급한다고 해서 더 잘 자란다는 일은 일어나지 않습니다.또한 꽃잎과 줄기의 세포들은 살아 있기 때문에 세포 호흡, 즉 산소를 이용한 에너지 생성 과정이 필요합니다. 그런데 연탄에서 나오는 기체 속에는 이산화탄소(CO₂)가 많고 산소(O₂)는 거의 없기 때문에, 오히려 이런 환경에서는 꽃 세포들이 산소 부족에 빠져 호흡이 멈추고, ATP를 만들지 못하게 됩니다. 결과적으로 세포는 에너지 부족으로 대사 활동이 멈추고, 조직이 손상되어 빠르게 시들어 버릴 수 있으며, 산소가 없으니 정상 호흡 대신 발효가 일어나면서 조직이 손상될 수 있습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.17
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