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배위결합 이론 중 VBT와 CFT는 어떤 차이가 있나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 착물의 배위결합을 설명하는 대표적인 이론이 원자가 결합 이론인 VBT와 결정장 이론인 CFT인데요, 두 이론은 착물이 어떻게 결합하고 안정화되는지를 설명하지만 접근 방식에 뚜렷한 차이가 있습니다. 우선 VBT, 원자가 결합 이론은 중심 금속 이온의 궤도함수와 리간드가 제공하는 전자쌍이 겹쳐지면서 공유결합(배위결합)이 형성된다고 보는 이론인데요, 금속 이온의 전자배치와 혼성 궤도를 고려하여 착물의 배위수, 기하 구조 등을 설명합니다. 따라서 착물의 구조적인 형태를 잘 설명할 수 있다는 장점이 있지만, 반면에 착물의 자기적 성질이나 분광학적 성질등을 충분히 설명할 수 없다는 단점이 있습니다. 다음으로 결정장 이론은 금속 이온과 리간드 사이 결합을 순수하게 정전기적 상호작용(전하-전하 반발)으로 설명하는 이론으로 공유 결합보다는 전자 구름의 배치에 따른 전기적 효과에 집중합니다. 이때 리간드가 중심 금속 이온의 주변에 접근하면, 금속의 d 오비탈이 리간드의 전자쌍에 의해 서로 다른 에너지를 갖게 분리되며, 착물의 자기적 성질과 색깔, 안정화 에너지 등을 잘 설명할 수 있다는 장점이 있으나 결합을 단순히 정전기적 상호작용으로만 보므로, 실제 공유 결합 성격이 있는 착물의 성질을 완벽히 설명하지는 못합니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.24
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손소독제는 왜 금방 손에서 사라지나요??
안녕하세요. 질문해주신 것처럼 손소독제가 금방 손에서 사라지는 이유는 주로 알코올의 물리적 성질 때문이라고 보시면 됩니다. 우선 알코올은 끓는점이 낮으며 휘발성이 높은데요, 에탄올은 끓는점이 약 78 ℃, 이소프로판올은 약 82 ℃로, 물보다 훨씬 낮습니다. 끓는점이 낮다는 것은 상온에서도 쉽게 증발할 수 있다는 뜻이며, 손소독제는 보통 알코올 함량이 60~80% 이상이므로, 손에 닿자마자 빠르게 기화합니다.또한 약 36~37 ℃의 손의 온도와 주위 환경의 열에 의해 알코올 분자가 빠르게 에너지를 얻을 수 있으며, 또 손은 표면적이 넓어서 알코올이 퍼지면 증발 속도가 더 빨라집니다. 게다가 손소독제에는 물도 들어있는데, 알코올이 물과 수소결합을 하면서 물의 증발도 함께 촉진하며, 그 결과 시원하게 날아가는 느낌과 함께 금방 건조되는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.24
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2차전지와 1차전지의 차이점과 전망
안녕하세요. 질문해주신 것처럼 전지는 크게 1차전지와 2차전지로 나뉘는데, 두 종류의 가장 큰 차이는 재사용 가능 여부라고 할 수 있습니다. 먼저 1차 전지는 한 번 사용하면 재충전이 불가능한 전지인데요, 화학 반응이 비가역적이라 전기를 쓰면 내부 물질이 소모되고 다시 되돌릴 수 없습니다. 예시로는 알칼라인 전지가 있으며 장점으로는 가격이 저렴하고 보관 안정성이 높음, 오랫동안 방전되지 않고 저장 가능하다는 점이 있습니다. 반면에 단점으로는 다 쓰면 버려야 하므로 지속성과 경제성이 떨어진다는 것입니다. 2차 전지는 재충전 가능한 전지인데요, 화학 반응이 가역적이라 충전 시 전류를 역방향으로 흘려주면 원래의 화학적 상태로 돌아갑니다. 예시로는 리튬이온전지가 있으며 장점은 충전과 방전을 수백~수천 회 반복 가능, 장기적으로 경제적이라는 점이 있습니다. 반면에 단점은 구조가 복잡하고 발화·폭발 위험, 고온·저온에 민감, 생산 비용이 높다는 점이 있습니다. 감사합니다. 앞으로의 전망으로는 1차 전지는 아직도 리모컨, 시계, 청력보조기 등의 소형 전자기기에서는 많이 쓰이며, 특히 리튬 전지는 장기간 안정적 전압 공급이 필요할 때 여전히 강세를 보이지만 다만, 친환경·재활용 측면에서 수요는 점점 제한적일 것으로 보입니다. 2차 전지는 전기차(EV), 에너지 저장장치(ESS), 재생에너지 인프라와 직결되어 있어 여전히 핵심 산업인데요, 현재는 리튬이온전지가 주류지만, 리튬과 코발트 등의 자원 문제와 안전성 문제 때문에 전고체전지, 리튬-황 전지, 나트륨이온 전지 등 차세대 기술이 활발히 연구 중이며, 향후 10~20년간은 2차전지가 계속 에너지 패러다임의 중심이 될 가능성이 큽니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.24
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포도당과 과당의 구조적 차이는 무엇이며 이 두 단당류가 베네딕트 용액과 반응하는 원리는 무엇인가요?
안녕하세요. 질문해주신 포도당과 과당의 구조적 차이는 포도당은 6탄당 중에서도 알도스에 속하며, 분자 내에 알데하이드기(-CHO)를 가지고 있습니다. 반면 과당은 역시 6탄당이지만 케토스로, 분자 내에 케톤기(C=O)를 포함하고 있는데요 즉, 두 당의 기본 골격은 같지만, 탄소 사슬에서 카보닐기가 끝에 있으면 알도스, 사슬의 중간에 있으면 케토스가 됩니다. 또한 다음으로 Benedict’s 용액 반응 원리를 보면, Benedict’s 용액은 청록색 Cu²⁺ 이온을 포함하고 있는데, 환원성 당이 존재하면 이 Cu²⁺가 Cu⁺로 환원되면서 적갈색의 산화구리(I) 침전(Cu₂O)이 생깁니다. 포도당의 경우 알데하이드기가 산화되어 카복실산(-COOH)으로 바뀌는 과정에서 전자를 내어주고, 이 전자가 Cu²⁺를 환원시키는 것입니다.과당은 케톤기만 가지고 있어 직접적으로는 잘 산화되지 않을 것 같지만, 실제 수용액에서는 케토-엔올 서로이성질화가 일어나는데요 즉, 염기성 Benedict’s 용액 조건에서 과당은 에놀 형태를 거쳐 알도스 형태로 전환될 수 있습니다. 이렇게 되면 과당도 알데하이드기로 변환된 상태에서 산화 반응을 일으켜 Cu²⁺를 환원시킬 수 있기 때문에 환원성 당으로 작용하게 됩니다. 즉, 포도당은 알데하이드기를 직접 산화하여 Cu²⁺를 환원시키고, 과당은 알칼리 조건에서 알도스로 이성질화된 뒤 같은 원리로 반응하기 때문에 둘 다 베네딕트 시약에서 적갈색 침전을 형성하는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.24
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시약 조건에 따라서 알카인의 수소화 반응 진행 시 생성물이 달라지는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 질문해주신 것과 같이 알카인의 수소화 반응에서 생성물이 시약 조건에 따라 달라지는 이유는 반응이 진행되는 메커니즘의 차이 때문입니다.먼저 Lindlar 촉매 조건에서는 팔라듐(Pd)에 탄소나 CaCO₃를 담지한 촉매에 Pb(OAc)₂나 퀴놀린 같은 억제제를 첨가하는데요, 이 경우 알카인의 삼중 결합에 수소가 촉매 표면에서 동시에 두 개의 원자 형태(H·)로 흡착된 후 같은 면으로 syn 첨가되기 때문에, 두 수소가 같은 방향으로 붙어 시스-알켄이 형성됩니다. 또한 이 촉매는 알켄까지 더 이상 수소화되지 않도록 반응 속도를 제한하여, 알켄 단계에서 반응이 멈추도록 조절합니다.반대로 Na/NH₃조건에서는 금속 나트륨이 전자를 방출하여 알카인의 삼중 결합에 전자가 하나 들어가면서 라디칼 음이온을 형성하는데요, 이어서 액체 암모니아에서 제공되는 프로톤(H⁺)이 결합하고, 다시 전자 전달 및 프로톤화가 반복되면서 최종적으로 알켄이 만들어집니다. 이 과정은 단계적으로 일어나고, 전자와 양성자가 교대로 다른 탄소 원자에 붙기 때문에 반대쪽 면으로 첨가가 일어나고, 결과적으로 트랜스-알켄이 주생성물이 됩니다. 즉 Lindlar 촉매 조건에서는 촉매 표면에서의 동시 첨가 때문에 시스-알켄이 생기고, Na/NH₃ 조건에서는 전자 전달 후 단계적 프로톤화 때문에 트랜스-알켄이 생성됩니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.24
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광학활성을 가지는 카이랄 분자가 효소와 상호작용할 때, 라세미 혼합물이 서로 다른 반응성을 보이는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 광학활성을 가지는 카이랄 분자가 효소와 상호작용할 때 라세미 혼합물이 동일하게 반응하지 않고 서로 다른 반응성을 보이는 이유는, 효소 자체가 카이랄성을 가진 3차원 입체적 촉매이기 때문입니다. 효소는 대부분 아미노산으로 이루어진 단백질이며, 아미노산 자체가 카이랄성을 가지므로 전체적으로도 비대칭적인 입체 구조를 형성하며 이 때문에 효소의 활성 부위는 특정한 입체적 배열을 가지며, 기질이 정확히 들어맞아야 반응이 일어납니다. 이 현상을 흔히 유도 적합 모델로 설명하는데요 즉, 기질이 효소의 활성 부위와 결합할 때는 단순한 화학 결합뿐만 아니라 입체적인 맞춤이 필수적입니다.또한 라세미 혼합물은 서로 거울상 관계인 두 가지 입체 이성질체를 1:1로 포함하며 하지만 효소의 활성 부위는 거울상 대칭이 아니기 때문에, 두 입체 이성질체가 동일하게 들어맞을 수 없습니다. D-포도당와 같은 한쪽 입체 이성질체는 효소의 활성 부위에 정확히 들어맞아 강하게 결합하고 반응이 원활히 일어납니다. 다른 쪽 입체 이성질체는 활성 부위에서 결합 위치가 어긋나거나 필요한 수소결합, 반데르발스 상호작용, 전기적 인력과 같은 상호작용을 형성하지 못해 반응성이 현저히 떨어지며, 경우에 따라서는 아예 반응하지 않을 수도 있습니다.생체 내 대사 효소들은 대부분 D-포도당을 인식하도록 진화했기 때문에, L-포도당은 제대로 대사되지 못하며, 단백질 합성 과정의 tRNA 결합 효소와 리보솜은 L-아미노산만 인식하여 단백질을 합성할 수 있으며, D-아미노산은 효소 활성 부위에 맞지 않아 이용되지 않습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.24
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알데하이드가 Tollens 시약과 반응할 때 은거울 반응이 일어나는 원리는 무엇인가요?
안녕하세요. 질문해주신 것처럼 Tollens 시약 [Ag(NH₃)₂]⁺ 착이온을 포함하고 있는데요, 이는 Ag⁺ 이온이 암모니아 분자 두 개와 배위결합한 안정한 착이온이며, 산화제 역할을 합니다. 이때 알데하이드는 R–CHO 형태이며, 산화되면 카복실산(R–COOH)으로 바뀌며, 이 과정에서 알데하이드의 –CHO 그룹이 전자와 수소를 잃고 산화됩니다. 즉, 알데하이드가 산화되면서 2개의 전자와 2개의 양성자를 내놓습니다.반면에 Tollens 시약 속의 [Ag(NH₃)₂]⁺ 이온은 이 전자를 받아 환원되는데요, 결과적으로, 알데하이드에서 나온 전자가 은 이온에 전달되어 Ag⁺가 Ag(0) 금속으로 환원되며, 이 은이 용기 벽에 부착되어 반짝이는 은거울을 형성합니다. 산화 반응과 환원 반응을 합치면 알데하이드는 카복실산 음이온(R–COO⁻)으로 산화되며 Ag⁺는 Ag(0)로 환원되어 은거울이 형성됩니다. 즉, 은거울 반응은 알데하이드의 –CHO가 전자를 내놓으면서 카복실산으로 산화되고, 이 전자를 Tollens 시약 속의 은 이온이 받아 환원되면서 은 거울이 생성되는 산화–환원 반응인 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.24
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포르말린 용액 속의 포름알데히드가 시간이 지나면서 폴리옥시메틸렌으로 변하는 원리는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 포르말린은 포름알데히드의 수용액으로, 보통 37% 정도의 농도로 존재하는데요, 그러나 시간이 지나면서 이 용액 속의 포름알데히드는 안정한 단분자 상태로만 머무르지 않고, 점차적으로 폴리옥시메틸렌 형태의 중합체로 변할 수 있습니다. 우선 포름알데히드는 알데히드기(C=O)를 가지고 있어 전자밀도가 낮고, 친핵성 공격에 민감하며 또한 수용액 속에서는 단순히 HCHO로만 존재하지 않고, 대부분은 수화된 형태(메틸렌글리콜, HO–CH₂–OH)로 존재합니다.또한 메틸렌글리콜은 다시 다른 포름알데히드 분자와 반응하여 올리고머를 형성할 수 있는데요 예를 들어, 메틸렌글리콜의 –OH기가 다른 포름알데히드의 카보닐기를 친핵성 공격하면, –CH₂–O–CH₂– 결합이 만들어집니다. 이런 과정이 반복되면 (–CH₂–O–)ₙ 구조가 길게 이어진 폴리옥시메틸렌이 형성되며 즉, 반응은 수화 → 친핵성 첨가 → 축합 → 중합 순서로 진행된다고 보시면 됩니다. 게다가 포름알데히드는 작은 분자이고 매우 반응성이 크기 때문에, 용액 속에서 서서히 자기 자신과 반응해 중합체를 형성하는데요, 이를 막기 위해 공업적으로 제조된 포르말린에는 메탄올(10~15%)을 소량 첨가합니다. 이때 메탄올이 안정화제 역할을 하여 포름알데히드가 서로 결합하지 못하게 억제하는 작용을 합니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.24
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알켄에 HBr을 첨가할 때 과산화물이 존재하는 경우 반응 생성물이 달라지는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 알켄에 HBr을 첨가할 때, 일반적인 경우와 과산화물이 존재하는 경우 반응 경로가 달라지는데요, 우선 과산화물이 없는 경우는 일반적인 HBr 첨가 반응에 해당하며 이 경우에는 Markovnikov 규칙을 따릅니다. 알켄의 π 전자가 친전자체(H⁺)를 먼저 공격하여 카복양이온 중간체가 형성되며, 이때 더 안정한 탄소양이온이 선택적으로 생성됩니다. 이후 Br⁻가 이 카복양이온을 공격하여 최종 생성물이 얻어지는데, 이는 Markovnikov 첨가로서 Br이 더 치환도가 높은 탄소에 붙게 되며 즉, 중간체가 탄소양이온이기 때문에 반응은 전자밀도가 높은 쪽이 안정화되는 방향으로 진행됩니다.반면에 과산화물이 존재하는 경우에는 라디칼 첨가 반응을 진행하기 때문에 Anti-Markovnikov 생성물을 얻게 됩니다. 과산화물(RO–OR)은 열이나 빛에 의해 쉽게 라디칼(RO•)로 분해되는데요, 이 라디칼은 HBr에서 Br• 라디칼을 생성시킵니다. 생성된 Br• 라디칼이 알켄의 π 결합에 첨가될 때, 더 안정한 탄소 라디칼이 중간체로 형성되는 경로가 선호되며, 이때 안정한 라디칼은 보통 치환도가 높은 탄소에 형성됩니다. 따라서 Br•는 덜 치환된 탄소에 붙게 되고, 그 결과 Anti-Markovnikov 생성물이 형성됩니다. 마지막으로 라디칼 사슬반응이 반복되며 반응이 진행되며, 과산화물이 있을 때는 반응이 탄소양이온 중간체 경로에서 라디칼 중간체 경로로 바뀌기 때문에, Br이 붙는 위치가 반대로 바뀌는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.24
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불의 색깔이 어느색으로 변할때 높아지는건가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것에 대해 답변해드리자면 불의 색깔은 단순히 빨갛다, 파랗다로 구분되는 것이 아니라, 불꽃 안에서 일어나는 온도 차이와 원소의 방출 스펙트럼에 따라 달라지는데요, 우리가 일상에서 보는 불의 색은 주로 온도에 따른 흑체 복사 현상과 특정 원소가 타면서 내는 빛이 합쳐진 결과입니다.일반적으로 붉은색 불꽃은 약 600~800 ℃ 정도로 가장 낮은 온도의 불꽃인데요, 숯불이나 촛불 심지 가까이에서 볼 수 있습니다. 다음으로 주황색 ~ 노란색 불꽃은 약 1,000~1,200 ℃로 조금 더 뜨거운 불꽃으로, 나무나 종이를 태울 때 흔히 보이며, 노란색은 숯 입자나 탄소 입자가 달궈져서 발광하기 때문에 나타납니다. 파란색 불꽃은 약 1,500~1,700 ℃ 이상으로 연료가 완전 연소될 때 볼 수 있으며, 가스레인지의 불꽃이 대표적인 예인데요, 이는 불꽃의 가장 뜨겁고 효율적인 상태를 보여줍니다. 따라서 흔히 생각하는 것과 달리 붉은색보다 파란색 불꽃이 더 뜨거운데요, 불꽃의 온도가 더 올라가면 노란색과 흰색을 거쳐 파란색, 그리고 아주 고온에서는 눈에는 보이지 않는 자외선 영역까지 방출하게 됩니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.24
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