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이론상 27년 사용가능하다는 리튬 배터리가 3년만 지나면 수명이 다하는 이유?
안녕하세요. 질문해주신 것과 같이 이론적으로는 수십 년 이상 사용할 수 있다고 하지만, 현실에서는 2~3년 만에도 성능이 급격히 저하되는 이유는 이론 모델이 배터리를 완벽한 조건에서 가정하기 때문이고 실제 사용 환경에서는 다양한 화학적,물리적 요인들이 배터리 열화를 가속시키기 때문입니다.이론적인 27년은 배터리의 충전-방전 사이클을 매우 완만하고 안정적으로 반복했을 때 계산된 수명인데요 예를 들어 온도 변화가 거의 없고, 충전은 5050% 범위로만 이루어지고, 과전압·과방전이 전혀 없으며, 내부 화학 반응이 완전히 균일하게 유지된다는 실험실 조건에서 가능한 수명입니다. 즉, 이론상 27년은 전해질의 화학적 안정성과 전극의 반응 효율만을 기준으로 계산한 수명이지, 실제 환경에서의 기계적 스트레스나 열화 반응을 고려한 값은 아닙니다.실제로 수명이 짧아지는 주요 원인 충·방전 과정의 화학적 손상 때문인데요, 리튬이온 배터리는 음극 표면에 ‘고체 전해질 계면층(SEI)’이라는 보호막이 형성되는데, 시간이 지나면서 이 층이 계속 두꺼워집니다. 이로 인해 전자의 이동이 방해받고, 전해질이 점차 소모되어 충전 용량이 줄어듭니다. 또한 과충전과 과방전 때문인데요 완전 충전(100%)이나 완전 방전(0%)을 자주 반복하면 전극의 결정 구조가 붕괴됩니다. 특히 양극의 리튬 금속 산화물이 산소를 방출하며 구조가 무너지는 산소 방출 반응이 발생해 회복 불가능한 손상이 쌓이는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.10.27
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동물군 천이에 대해 궁금합니다....
안녕하세요. 말씀하신 동물군 천이는 지질학과 고생물학에서 매우 중요한 원리인데요, 지층 속 화석이 시간의 흐름에 따라 일정한 순서로 바뀌어 나타난다는 법칙입니다. 이 원리는 19세기 초 지질학자 윌리엄 스미스가 처음으로 체계화하였으며, 오늘날 지층의 상대적 연대를 판별하고 지질시대를 구분하는 근본적인 근거가 되고 있습니다.현재까지 지구 역사 동안 생물 종은 끊임없이 출현하고 멸종을 반복했는데요 따라서 어떤 지층에는 특정 시기에만 살았던 생물 화석이 포함되어 있고, 지층을 위에서 아래로 관찰하면, 오래된 지층에는 원시적인 생물이, 위로 갈수록 점점 복잡하고 진화된 생물이 등장하게 됩니다. 이러한 화석의 순서적 변화가 바로 동물군 천이입니다. 이 법칙을 잘 보여주는 대표적인 지층으로는 캄브리아기에서 신생대에 이르는 연속적인 화석층이 꼽히며 캄브리아기 지층에는 삼엽충, 완족류, 해면동물 등 해양 무척추동물 화석이 풍부하고 오르도비스기~실루리아기 지층에는 초기 어류와 산호류, 복잡한 해양 생물들이 나타나며 데본기 지층에는 ‘어류의 시대’라 불리며, 육상으로 진출하는 양서류의 초기 형태가 등장합니다. 석탄기~페름기 지층에는 양서류가 번성하고 파충류가 등장하기 시작합니다. 중생대 지층(트라이아스기~백악기)에는 공룡과 초기 조류, 포유류의 출현이 확인되며 신생대 지층에서는 포유류의 다양화와 인류의 조상이 등장합니다.이러한 지층들의 연속적 화석 변화는 지구 생명의 진화 역사를 보여주는 결정적인 증거입니다.그리고 질문하신 선캄브리아 지층의 토끼 화석 여부에 대해서 말씀드리면, 선캄브리아기(약 46억~5억 4천만 년 전)에는 다세포 동물조차 거의 존재하지 않았는데요 당시의 화석은 주로 세균, 남조류, 단세포 생물, 아주 단순한 다세포 생물 정도이기 때문에 따라서 토끼와 같은 복잡한 포유류 화석은 절대 존재하지 않습니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.10.27
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유정란과 무정란은 어떻게 구분해서 판매가 되는 건가요?
안녕하세요.네 말씀해 주신 것과 같이 실제로 겉보기에는 유정란과 무정란이 거의 똑같이 생겼기 때문에, 일반 소비자가 눈으로만 보고 구분하는 것은 사실상 불가능합니다. 하지만 유정란과 무정란은 생산 과정에서부터 명확히 구분되어 관리되고 있습니다.무정란은 우리가 일반적으로 마트에서 구매하는 달걀 대부분을 차지하는데요 무정란은 수정이 이루어지지 않은 달걀로, 수탉이 없는 환경에서 암탉이 낳은 알입니다. 암탉은 생리적으로 일정 주기로 알을 낳기 때문에 수컷이 없어도 알을 생산하며 이런 알은 배아가 존재하지 않기 때문에 부화할 수 없습니다.반면에 유정란은 수탉과 암탉이 함께 있는 환경에서 낳은 수정된 알입니다. 이 알에는 수정란, 즉 배아가 형성될 수 있는 초기 상태의 세포가 포함되어 있어서, 적절한 온도와 습도가 유지되면 병아리로 부화할 수 있습니다.이 둘을 판매 단계에서 구분하는 방법은 농장 관리 단계에서 구분하게 되는데요 달걀 생산 농장은 사육 형태에 따라 수탉이 있는 농장과 수탉이 없는 농장으로 나뉘며, 이 사육 환경에 따라 알이 유정란인지 무정란인지가 결정됩니다. 즉, 출하 단계에서 이미 생산자가 어떤 환경에서 나온 알인지를 명확히 알고 있기 때문에, 포장이나 유통 과정에서 혼동되지 않게 구분할 수 있습니다.또한 우리나라에서는 「축산물 위생관리법」에 따라 유정란은 반드시 유정란이라는 표시를 붙여 판매해야 합니다. 반대로 무정란은 일반적으로 계란 또는 달걀로 표기되며 유정란은 주로 친환경 농장, 유기농 식품 전문점, 산지 직송 형태로 판매되는 경우가 많습니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.10.27
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모기가 멸종하면 생태계에 어떤 영향이 가게 될까요?
안녕하세요.질문해주신 것처럼 모기가 멸종하면 인간에게는 단기적으로 이득처럼 보일 수 있지만, 생태계 전반에는 복합적이고 예측하기 어려운 영향이 나타날 가능성이 큽니다.모기는 전 세계적으로 약 3,500종 이상이 존재하며, 그중 일부만이 인간이나 동물의 피를 빨아 질병을 옮기는 해충인데요, 그러나 대부분의 모기 종은 생태계에서 중요한 역할을 수행하고 있습니다.우선, 먹이사슬의 기초 역할이 매우 큰데요 모기의 알과 유충은 물속에서 성장하며, 이 시기에는 물고기, 올챙이, 잠자리 유충, 미생물 등에게 중요한 먹이가 됩니다. 또한 성충 모기는 박쥐, 새, 개구리, 거미 등 다양한 동물의 먹이로 이용됩니다. 만약 모기가 사라진다면 이들을 먹이로 삼던 종들이 일시적으로 먹이 부족을 겪게 되어 일부 지역에서는 개체 수 감소나 먹이망의 교란이 발생할 수 있습니다.또한 식물의 수분 매개자 역할도 있습니다. 암컷 모기는 피를 빨지만, 수컷 모기와 암컷 모기의 대부분의 생애 기간 동안은 꽃의 꿀을 먹으며 살아갑니다. 즉, 모기는 일부 식물의 꽃가루를 옮기는 수분 곤충으로 작용하기도 하며 따라서 특정 식물종의 번식이 줄어드는 영향이 생길 가능성이 있습니다.물론 질병 전파 감소라는 인간 중심의 이익도 있습니다. 말라리아, 뎅기열, 지카바이러스, 일본뇌염 등은 모두 모기를 매개체로 하는 질병인데요 모기가 사라지면 이러한 질병의 전파가 사실상 차단되어, 인류 보건 측면에서는 매우 큰 이익이 될 것입니다. 그러나 자연적으로 모기만 선택적으로 제거하는 것은 현실적으로 어렵고, 인위적으로 제거할 경우 예상치 못한 생태적 균형 붕괴가 일어날 수 있습니다. 따라서 모기가 완전히 사라진다면 일부 생태계에서는 대체 먹이종이나 새로운 균형이 형성될 수도 있지만, 짧은 기간 동안은 생태계 불안정, 특정 종의 감소, 식물군 변화 등 다양한 파급효과가 생길 가능성이 높습니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.10.27
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앙금을 다시 물에 넣으면 어떻게 되나요
안녕하세요.질문해주신 것과 같이 일반적으로 앙금, 침전물은 어떤 용액 속에서 용해도가 매우 낮은 물질이기 때문에 만들어진 것이기 때문에 한 번 생긴 앙금을 다시 물에 넣는다고 해서 녹지는 않습니다.예를 들어, 염화은(AgCl) 같은 앙금은 물에 대한 용해도가 극히 작아서, 다시 물에 넣어도 대부분 그대로 바닥에 가라앉은 채로 남는데요,이런 앙금은 이온 형태로 풀어질 만큼의 에너지를 물 분자가 제공하지 못하기 때문입니다.다만 예외적으로, 온도를 높이거나 산이나 염기 등을 첨가해서 화학적으로 변화를 주면 일부 앙금은 다시 녹을 수 있습니다. 예를 들어, 수산화알루미늄(Al(OH)₃) 앙금은 물에는 잘 안 녹지만, 강한 염기(NaOH 용액 등)를 넣으면 착이온 형성으로 인해 다시 용해됩니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.10.26
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무화과는 한국에서 자라는 국산종인지 궁금해요?
안녕하세요.질문해주사 무화과는 한국의 자생식물이 아니라 지중해 연안과 서남아시아, 특히 터키·이스라엘·이란·이집트 등지에서 유래한 아열대성 낙엽과수입니다. 인류가 재배한 역사가 매우 오래된 과일로, 고대 문헌이나 성경에도 자주 등장하는데요 우리나라에는 조선 후기에서 일제강점기 무렵, 대략 19세기 후반에서 20세기 초에 일본을 통해 도입된 것으로 알려져 있으며, 이후 남부 해안 지역을 중심으로 적응하여 정착하였습니다. 현재는 국내 기후에 맞게 개량된 국산 품종도 개발되어 전남, 경남, 제주 등지에서 널리 재배되고 있습니다.무화과는 따뜻하고 겨울이 비교적 온화한 지역에서 잘 자라며, 생육에 적합한 온도는 15~30℃ 정도입니다. 반면 영하 10도 이하로 기온이 내려가면 냉해를 입기 쉬워 중부 이북 지역에서는 노지 재배가 어려운데요 건조한 기후를 좋아하지만, 과실이 맺히는 시기에 습도가 지나치게 높으면 열매가 쉽게 터지거나 상하기 때문에 기후 관리가 중요합니다.또한 무화과는 겉으로는 꽃이 보이지 않지만, 실제로는 열매 속 안쪽에 꽃이 들어 있는 독특한 구조를 가지고 있습니다. 이러한 이유로 꽃이 없는 과일이라는 뜻의 무화과라는 이름이 붙었습니다. 다만 무화과는 복숭아처럼 과육이 부드럽고 수분이 많아 쉽게 무르고 상하는 과일입니다. 수확 후 에틸렌 가스에 민감하게 반응하여 숙성이 빠르게 진행되기 때문에 냉장 보관 시에도 2~3일 이내에 섭취하는 것이 좋습니다. 장기간 보관이 어려워 주로 건조무화과 형태로 가공해 유통되기도 합니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.10.26
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노화로 인해 발생한다는 흰머리가 암세포를 방어한 흔적일수 있다는 연구결과에 대해 어떻게 생각하세요?
안녕하세요.최근 발표된 생물학적 노화, 종양생물학 관련 연구 한 건을 보면, 흰머리가 암세포를 방어하는 흔적일 수 있다는 가능성이 제시되어 있습니다. 다만, 아직은 결정적 증거로 보기에는 한계가 있습니다.손상된 McSCs(멜라닌세포줄기세포)는 두 가지 가능한 운명을 갖는다고 하는데요 줄기세포 자가재생 능력을 잃고, 세포가 분화되어 색소세포로 바뀌면서 결국 색소 공급이 중단되어 흰머리가 생기는 경로 또는 줄기세포로서 증식하여 남아있게 되면, 이들이 DNA 손상 축적과 함께 종양으로 발전할 수 있는 경로입니다.연구팀은 흰머리가 생겼다는 것은 색소제공 줄기세포가 손상에 대응해 자가재생을 포기하고 제거되었다는 신호일 수 있고, 이 제거 작용이 암 발생 가능성을 낮추는 일종의 방어 메커니즘일 수 있다고 제안했습니다. 단, 연구팀도 흰머리가 암을 예방한다거나 흰머리가 생기면 암 걱정 없다라고 결론내리진 않았고, 가능성 또는 메커니즘 제시 수준으로 보고 있습니다. 또한 이 연구는 생쥐 모델을 중심으로 한 기초연구이기 때문에 인간을 대상으로 한 역학적 연구나 임상적 검증은 아직 제한적입니다. 따라서 흰머리 = 암 위험이 낮다라는 공식이 생기는 것은 아니며, 실제로 암 위험은 유전, 환경, 생활습관 등 수많은 요인이 복합적으로 작용합니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.10.26
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변색된 스텐 제품을 바꾸려면 어떻게 해야 하나요?!
안녕하세요. 질문해주신 것과 같이 스테인리스 제품이 열에 의해 노랗게 변색되는 현상은 단순한 오염이 아니라, 표면의 금속 산화막이 변하면서 빛의 간섭 효과가 달라진 것이며 화학적으로는 산화 현상에 의해 색이 변한 것입니다.스테인리스는 주로 철, 크롬, 니켈로 구성되어 있는데요 이 중 크롬은 공기 중의 산소와 반응하여 크롬 산화막(Cr₂O₃)을 형성하고, 이 얇은 막이 부식으로부터 금속을 보호해 줍니다. 하지만 고온에 노출되면 이 산화막이 두꺼워지거나 조성이 달라지며 이때 빛이 산화막의 두께에 따라 서로 다른 방식으로 간섭을 일으켜 노란색, 갈색, 파란색 등 다양한 색으로 보이게 되는 것입니다. 즉, 이 색은 불순물이 아니라 빛의 간섭에 의한 산화색이라고 보시면 됩니다.이 변색을 되돌리는 방법은 표면의 산화막을 제거하거나 재형성하는 것인데요 즉, 산화층을 화학적 또는 물리적으로 없애고 금속 본래의 표면을 노출시키는 방식입니다.산성 세척법을 통한 산화층 제거가 가능한데요,약한 산성을 띠는 세제나 산을 사용하면 표면의 산화층을 녹여 제거할 수 있습니다. 대표적인 방법은 식초나 구연산을 사용하는 것입니다. 따뜻한 물에 식초 또는 구연산을 섞어 용액을 만들고 스텐 제품을 15~30분 정도 담가둡니다. 이후 부드러운 스펀지로 문질러 세척 후 깨끗이 헹궈주면 물기를 완전히 제거한 후 건조시키면, 본래의 은색이 회복됩니다. 이 과정에서 크롬 산화막이 얇게 벗겨지며, 자연적으로 다시 새로운 보호막이 형성됩니다.변색을 예방하려면 빈 팬을 오래 가열하지 않는 것이 좋은데요, 산화막이 두꺼워져 변색이 심해집니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.10.26
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자외선 차단제가 피부를 보호하는 원리는 어떤 화학적 작용에 기반하나요?
안녕하세요.질문해주신 자외선차단제가 피부를 보호하는 원리는 단순히 햇빛을 가리는 물리적 작용뿐 아니라, 화학적 에너지 변환 반응 때문인데요 즉, 자외선차단제 속의 활성 성분이 자외선의 에너지를 흡수·반사·산란시켜, 피부 속 DNA나 단백질이 손상되지 않도록 하는 것입니다.태양광에는 여러 파장의 빛이 포함되어 있으며, 이 중 자외선(UV)은 파장에 따라 세 가지로 구분됩니다. UV-A (320–400 nm)는 가장 길고 피부 깊숙이 침투하여 광노화를 유발하고 UV-B (280–320 nm)는 표피층에 작용하여 일광화상·DNA 손상을 유발하며 UV-C (100–280 nm) 대기권에서 거의 흡수되어 지표면에 도달하지 않는데요, 따라서 자외선차단제는 주로 UV-A와 UV-B를 차단하도록 설계되어 있습니다.자외선차단제의 화학적 원리는 TiO₂나 ZnO는 광학적 밴드갭이 자외선 영역대의 광자 에너지와 비슷합니다. 따라서 자외선이 입사되면, 전자가 들뜨며 그 에너지가 흡수했다가 다시 열로 방출되며 결과적으로 자외선의 에너지가 피부로 전달되지 않고 소멸하게 됩니다.즉, 자외선차단제 속 분자가 자외선 에너지를 흡수했다가 무해한 열로 바꾸어 버리는 흡광반응을 통해 피부를 보호합니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.10.26
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플라스틱이 햇빛에 노출되면 색이 바래고 약해지는 이유는 어떤 화학 변화 때문인가요?
안녕하세요.플라스틱이 햇빛에 오래 노출되면 색이 바래고, 잘 부서질 정도로 약해지는 현상은 주로 자외선(UV)에 의한 광화학적 분해 때문입니다. 햇빛에는 자외선(UV-A, UV-B, UV-C)이 포함되어 있으며, 이 자외선은 에너지가 매우 높은데요, 이 에너지는 플라스틱의 탄소-탄소 결합(C–C)이나 탄소-수소 결합(C–H)보다 크기 때문에, 자외선이 닿으면 고분자 사슬의 결합이 끊어지게 됩니다. 이 현상을 광분해라고 하는데, 자외선의 광자가 고분자 내의 전자를 들뜨게 만들어 결합을 끊는 것입니다.이때 자외선은 플라스틱의 결합을 끊어 자유 라디칼(•)을 생성하는데요, 생성된 라디칼이 공기 중의 산소(O₂)와 결합하여 과산화 라디칼(ROO•)을 만들고, 이는 다시 다른 고분자 사슬을 공격하여 연쇄적으로 결합을 끊습니다. 이 과정에서 알데하이드(-CHO), 카복실산(-COOH), 케톤(=O) 등의 산화 생성물이 생깁니다. 연쇄 반응이 계속되면 고분자 사슬이 짧아지고, 재료의 분자량이 감소하며 그 결과 유연성이 줄고, 쉽게 깨지거나 부서지는 물리적 특성의 저하가 나타납니다.이때 산화 과정에서 공액 이중결합(–C=C–C=O–) 구조가 형성되면, 빛을 흡수하는 파장이 변해 황색 또는 갈색 빛깔로 변합니다. 처음의 투명하고 깨끗한 색이 점점 노랗게 변하거나 탁해지는 현상이 바로 이 때문이라고 보시면 되겠습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.10.26
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