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주기율표에서 불활성 기체가 가장 안정한 화학적 성질을 보임에도 결합을 하는 경우는 왜 있나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것처럼 18족의 비활성기체는 옥텟규칙을 만족하고 있으며 최외각에 8개의 전자를 가지고 있기 때문에 자체적인 안정성을 가지는 원자들입니다. 그러나 이러한 비활성 기체들도 특정한 조건에서는 예외적으로 화합물을 형성하는 경우가 있는데요, 우선 원자 번호가 큰 비활성 기체일수록 즉, 크립톤(Kr), 제논(Xe), 라돈(Rn)과 같은 경우에는 전자 수가 많아지고 전자껍질이 멀리 퍼져 있기 때문에 핵이 바깥 전자를 붙잡는 힘이 상대적으로 약해집니다. 따라서 플루오린과 같은 강력한 산화제와 같은 원소가 전자를 공유하거나 빼앗으려 하면 비활성 기체도 전자 배치를 일부 바꾸며 결합할 수 있게 되는데요, 실제로 제논은 XeF₂, XeF₄, XeF₆ 같은 다양한 플루오린 화합물을 형성할 수 있습니다.또한 외부에서 고온, 고압, 전기 방전 등의 매우 높은 에너지를 제공하면 원래 안정한 비활성 기체 원자도 들뜬 상태로 올라가거나 전자 배치가 불안정해지면서 새로운 화학 결합이 가능해지는데요, 이러한 극한 조건에서 비활성 기체는 반응성을 드러내며, 특히 플루오린이나 산소와 결합하는 사례가 잘 알려져 있습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.29
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전이 금속 원소들의 원자 반지름 변화가 일반적인 주기적 경향과 다른 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 일반적인 전형 원소에서는 같은 주기에서 오른쪽으로 갈수록 원자번호가 커지면서 핵전하가 증가하고, 차폐 효과가 크게 변하지 않으므로 유효 핵전하가 커져 원자 반지름이 점점 작아지는 뚜렷한 경향을 보이지만 전이 금속의 경우에는 이 경향이 일반적인 전형 원소와는 조금 다르게 나타나는데요, 우선 전이 금속에서는 전자가 d 오비탈(n-1 주양자수)에 들어갑니다. 예를 들어, 4주기 전이 금속(Sc~Zn)은 4s 오비탈이 채워진 뒤 3d 오비탈에 전자가 채워지는데요, 즉 이때 주기적으로 원자번호가 증가할 때 전형 원소는 바깥쪽 주양자수에 전자가 늘어나지만, 전이 금속은 상대적으로 내부 껍질(n-1d)에 전자가 채워지는 것입니다. 또한 d 전자들은 차폐 효과가 s나 p 전자만큼 강하지 않은데요, 따라서 핵전하가 증가해도 d 전자들이 이를 충분히 가려주지 못해, 바깥 전자가 점점 더 강하게 끌려가게 되며 그 결과, 전이 금속에서 원자 반지름은 오른쪽으로 갈수록 크게 줄어들지는 않고 완만하게 감소합니다. 실제로 전이 금속에서는 주기 중간으로 갈수록(Cr → Mn → Fe → Co) d 전자가 늘어나면서 전자-전자 반발이 커져 반지름 감소가 둔화되기도 하는데요, 하지만 유효 핵전하가 계속 증가하기 때문에, 전체적으로는 약간 줄어드는 추세를 유지합니다. 이 때문에 전형 원소처럼 급격히 줄지 않고 거의 일정하거나 완만하게 줄어드는 경향을 보이게 됩니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.29
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알칼리 금속과 할로젠이 서로 쉽게 반응하는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 1족의 알칼리 금속과 17족의 할로젠 원소 들간에는 결합이 쉽게 형성됩니다. 말씀하신 것처럼 단순히 알칼리 금속은 전자 하나를 잃으면 안정해지고, 할로젠은 전자 하나를 얻으면 안정해진다는 설명도 맞지만, 전자가 이동할 때의 안정성 확보와 에너지 변화와 관련이 있습니다. 우선 알칼리 금속은 바깥 껍질에 전자가 1개만 있는데요, 이 전자를 잃으면 바로 이전의 전자껍질이 가득 차서 완전한 전자배치를 이루게 되며, 전자를 잃는 것이 매우 유리합니다. 또한 할로젠은 바깥 껍질에 전자가 7개이기 때문에 전자 하나만 얻으면 전자껍질이 완전히 채워져 역시 비활성 기체와 같은 안정한 구조가 되고, 따라서 전자를 얻는 것이 매우 유리합니다. 게다가 알칼리 금속은 이온화 에너지가 매우 낮기 때문에 전자를 쉽게 잃을 수 있으며 반면에 할로젠은 전자 친화도가 매우 크기 때문에 전자를 받아들이면 많은 에너지가 방출됩니다. 따라서 이 두 과정이 결합하면 전체 반응에서 큰 음의 에너지 변화(ΔE < 0)가 일어나기 때문에, 반응은 매우 자발적이고 격렬하게 일어나는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.29
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원자번호가 증가할수록 핵전하가 커지는데, 차폐 효과가 원자 성질에 어떤 영향을 미치나요?
안녕하세요. 질문해주신 것과 같이 원자 번호가 증가하면 핵 속의 양성자 수가 늘어나 핵전하가 커지지만, 실제로 바깥 전자가 느끼는 인력은 내부 전자들에 의해 가려지게 됩니다. 이러한 현상을 차폐 효과라고 하는데요, 이 때문에 전자가 체감하는 인력은 원래 핵전하보다 작은 유효 핵전하로 설명됩니다.우선 같은 주기에서는 전자 껍질의 수가 변하지 않기 때문에 내부 전자에 의한 차폐 효과는 거의 일정한데요, 하지만 양성자 수가 늘어나면서 유효 핵전하는 점점 커지고, 그 결과 바깥 전자는 핵 쪽으로 강하게 끌려가게 됩니다. 따라서 같은 주기에서 오른쪽으로 갈수록 원자 반지름은 작아지고, 이온화 에너지는 커지며, 전기음성도도 증가하게 되어 비금속적인 성질이 강해집니다.반대로 같은 족에서는 원자 번호가 커질수록 전자 껍질 수가 늘어나고 내부 전자가 많아지면서 차폐 효과가 커집니다. 그 결과 유효 핵전하는 상대적으로 작아지고, 바깥 전자가 핵에서 멀어져 약하게 붙잡히게 됩니다. 이 때문에 족을 따라 내려갈수록 원자 반지름은 커지고, 이온화 에너지는 감소하며, 전기음성도는 작아지고, 금속적인 성질이 강해지는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.29
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금속성과 비금속성이 주기율표에서 각각 어떻게 변하나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것처럼 주기율표에서는 왼쪽과 아래쪽에 위치한 원소들이 금속적 성질을 강하게 띠고, 오른쪽 위쪽에 위치한 원소들이 비금속적 성질을 강하게 띱니다. 금속은 전자를 쉽게 잃어 양이온이 되며, 전기 전도성, 열 전도성, 연성과 전성이 크고 반면에 비금속은 전자를 쉽게 얻어 음이온이 되거나 공유 결합을 형성, 전기 전도성이 낮음, 산화성 강하다는 특징이 있습니다. 주기율표에서 이 둘을 나누는 경계선을 흔히 '계단선'이라고 부르며, B(붕소)에서 시작해 Al, Si, As, Te, At을 따라 내려가는 선을 기준으로 왼쪽 아래는 금속, 오른쪽 위는 비금속, 경계 부근은 준금속(반도체) 성질을 띱니다. 이때 왼쪽 → 오른쪽으로 갈수록 원자핵의 양성자 수가 증가하여 유효 핵전하가 커지는데요, 그 결과 원자는 전자를 잃기보다는 얻으려는 성질이 강해집니다. 따라서 금속성은 감소하고, 비금속성은 증가하게 됩니다. 또한 같은 족에서는 원자 반지름이 커지면서 바깥 전자가 핵에서 멀어지고 차폐 효과가 커지는데요, 따라서 전자를 잃는 것이 쉬워지고, 전자를 얻는 것은 어려워집니다. 결과적으로 금속성은 증가하고 반면에 비금속성은 감소합니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.29
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주기율표에서 원자 반지름이 같은 주기에서 오른쪽으로 갈수록 작아지는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것처럼 주기율표에서는 다양한 특성들이 나타나며 같은 주기 내에서는 오른쪽으로 갈 수록 원자 반지름이 작아지고, 같은 족에서는 아래로 내려갈 수록 원자 반지름이 커지는 경향을 보입니다. 이때 주기율표에서 같은 주기 내에서 원자 반지름이 오른쪽으로 갈수록 작아지는 이유는 원자핵과 전자 사이의 유효 핵전하의 증가 때문입니다. 주기율표에서 같은 주기 내에서 오른쪽으로 이동할수록 원자 번호가 증가하므로, 원자핵 속의 양성자 수가 늘어나는데요, 그 결과 핵이 가지는 정전기적 인력이 점점 강해집니다. 또한 같은 주기에서는 가장 바깥 전자가 속하는 껍질의 에너지 준위가 변하지 않는데요, 예를 들어, 2주기에서는 Li(2s¹)에서 F(2p⁵)까지 모두 n=2 껍질에 전자가 존재하며, 따라서 전자껍질의 크기 자체는 커지지 않습니다. 게다가 내부 전자들이 바깥 전자를 어느 정도 핵의 인력으로부터 가려주는 역할을 하는데, 같은 주기에서는 내부 전자 수가 크게 변하지 않으므로 차폐 효과는 거의 일정합니다. 따라서 오른쪽으로 갈수록 양성자 수는 늘어나지만, 차폐 효과는 거의 변하지 않으므로, 바깥 전자는 더 강한 핵의 인력을 받게되며, 그 결과 전자들이 핵 쪽으로 더 세게 끌려가고, 원자 반지름이 점점 줄어드는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.29
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알코올도 칼로리가 g당 7칼로리가 되는데 왜 에너지원으로 설명을 안하나요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것처럼 알코올(에탄올)은 1g당 약 7kcal로, 실제로 단백질(4kcal/g)이나 탄수화물(4kcal/g)보다 높은 열량을 갖고 있지만 알코올이 3대 영양소로 분류되지는 않습니다. 우선 탄수화물, 단백질, 지방은 인체의 생명을 유지하는 데 필수적인데요, 탄수화물은 주된 에너지원, 단백질은 세포와 효소, 호르몬 등 구조·기능적 구성 성분, 지방은 고농도의 에너지원이자 세포막, 호르몬 합성에 필요합니다. 반면 알코올은 인체가 꼭 필요로 하는 물질이 아니며, 결핍 시 필수 아미노산·지방산 결핍증과 같은 영양 결핍 증상이 나타나지 않기 때문에 알코올은 생리학적으로 ‘필수 영양소’가 아닙니다. 또한 알코올은 섭취 시 위와 소장에서 빠르게 흡수되어 간에서 알코올 탈수소효소(ADH)와 알데하이드 탈수소효소(ALDH)에 의해 분해되는데요, 에탄올 → 아세트알데하이드 → 아세트산 → 아세틸-CoA로 바뀐 뒤, TCA 회로(시트르산 회로)를 통해 ATP로 전환될 수 있습니다. 즉, 알코올은 에너지로 활용될 수 있지만, 그 과정에서 간에 큰 부담을 주고, 지방 합성을 촉진하여 지방간이나 중성지방 축적을 유발할 수 있습니다. 즉 영양학에서 3대 영양소는 생명 유지와 성장에 필수적인 영양소를 의미하며, 단순히 열량만 낸다고 포함되지 않으며 따라서 알코올은 ‘비필수적이고 잠재적 독성을 가진 열량 공급원’으로 보기 때문에, 따로 분류하지 않고 기타 열량원 정도로만 다루는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.29
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핵화학에서 안정대란 무엇이며, 중성자와 양성자 비율이 원자핵의 안정성에 어떤 영향을 미치나요?
안녕하세요. 네, 핵화학에서 말씀하신 안정대(stability belt)는 핵종의 안정성을 이해하는 핵심 개념인데요, 우선 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있는데, 이들의 비율에 따라 안정하거나 불안정해집니다. 또한 모든 알려진 핵종을 중성자수(N) vs. 양성자수(Z) 좌표에 점으로 찍어보면, 안정한 핵종들은 한 줄로 모여 나타납니다. 이 영역을 안정대라고 부르며, 안정대에 위치하는 핵종은 방사성 붕괴 없이 오래 존재할 수 있고, 안정대를 벗어난 핵종은 α, β, γ 붕괴 등을 통해 안정대로 수렴하려는 경향을 보입니다. 이때 원자번호 20번 이하의 가벼운 원소들의 경우에는 중성자와 양성자의 수가 거의 같을 때 안정하며, 반면에 무거운 원자핵의 경우에는 양성자가 많아지면 양성자들 사이의 쿨롱 반발력이 커지므로, 이를 억제하기 위해 상대적으로 중성자의 수가 더 많아야 안정합니다. 따라서 안정대는 N=Z 직선에서 점점 위쪽(N이 더 많은 쪽)으로 휘어 올라갑니다. 하지만 불안정한 비율일 경우에는 붕괴 경향을 나타내는데요, N/Z가 너무 작을 때(양성자가 과다)에서는 양전자 방출(β⁺) 또는 전자 포획을 통해 양성자를 중성자로 바꿔 안정대에 접근합니다. 반면에 N/Z가 너무 클 때(중성자가 과다)에는 β⁻ 붕괴(전자 방출)를 통해 중성자를 양성자로 바꿔 안정대에 접근하며, Z가 아주 큰 경우(Z > 83)에는 아무리 중성자가 많아도 전기적 반발이 너무 크기 때문에 α 붕괴나 핵분열을 통해서만 안정화됩니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.29
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의학적으로 사용하는 방사성 동위원소는 어떤 원리로 진단 또는 치료에 활용되나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 의학적으로 사용하는 방사성 동위원소는 방사선이 생체 조직과 상호작용하는 특성을 이용하며 진단에서는 인체 내부의 대사나 장기 기능을 영상화하거나 추적하고, 치료에서는 종양 세포 같은 표적 조직을 파괴하는 데 활용됩니다. 우선 질문해주신 아이오딘-131은 β선(전자)과 γ선을 동시에 방출하는 동위원소인데요, β선은 조직 내 짧은 거리에서 강한 에너지를 전달해 세포를 파괴하며, γ선은 체외에서 검출 가능하고 영상 진단에 활용됩니다. 또한 요오드는 체내에서 주로 갑상선에 선택적으로 축적되며 갑상선 호르몬 합성에 필요한데요, 따라서 I-131을 소량 투여하면 방출되는 γ선을 감마카메라나 PET 유사 장비로 감지하여 갑상선 기능 저하증·항진증 평가, 갑상선 결절이나 암 전이 위치 추적에 사용됩니다. 또한 고용량 I-131은 방출되는 β선이 갑상선 조직 세포를 직접 파괴하는데, 이 원리를 이용해 갑상선암 수술 후 잔여 조직 제거, 기능항진증 치료에 널리 사용됩니다.또한 코발트-60은 고에너지 γ선을 방출하는 대표적인 인공 방사성 동위원소로, γ선은 투과력이 크고, 깊은 조직까지 도달 가능합니다. 이때 Co-60은 주로 방사선 치료기(코발트 치료기)에서 사용되는데요, 암 조직에 고에너지 γ선을 집중 조사하여 DNA 이중가닥 절단을 유도하며 종양 세포 증식 억제 및 사멸을 유발합니다. 특히 과거에는 코발트 치료기가 외부 방사선 치료의 표준이었으며, 현재는 선형가속기(LINAC)에 점차 대체되었지만, 자원이 제한된 국가나 특정 상황에서는 여전히 활용되고 있습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.29
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방사선이 생체 분자에 손상을 주는 기작은 무엇이며, 어떤 종류의 방사선이 상대적으로 더 위험한가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 방사선이 생체 분자에 손상을 주는 과정에서 어떤 종류의 방사선이 더 위험한지는 총량, 선량률, 입자성, 노출 경로 등에 따라 달라집니다. 우선 방사선이 생체에 작용하면 두 가지 경로로 분자에 손상을 입히게 되는데요, 직접효과로는 고에너지 전자, 양성자, 알파입자 등의 방사선이 DNA나 단백질 같은 생체분자에 직접 충돌하여 전자를 떼어내거나 결합을 끊는 경우이며, 직접 이온화는 곧바로 화학 결합 파괴를 일으켜 기능 손상이 발생합니다. 다음으로 간접효과로는 생체 조직은 약 70%가 물이므로, 방사선은 대부분 물을 이온화·분해하여 •OH 하이드록실 라디칼, H•, H₂O₂ 등의 활성산소종을 만드는데요, 이들 활성종이 확산하여 DNA·지질·단백질을 산화시켜 손상을 일으키게 되며, 실제로 저선량 환경에서는 간접 효과가 전체 DNA 손상에서 큰 비중을 차지합니다. 대표적인 손상의 예시로는 염기 손상이 있는데요, 염기가 산화되거나 변형되어 염기쌍 형성이 잘못되면서 돌연변이 유발 가능성이 있습니다. 또한 두 가닥이 가까운 영역에서 끊어지는 경우에는 복구 실패 시 염색체 재배열, 결실, 세포사멸 또는 암 유발이 가능하기 때문에 DSB는 특히 치명적입니다. 이때 체외 노출 상황에서는 침투력이 큰 감마선·중성자가 큰 위험, 즉 전신피폭을 초래할 수 있으며, 반면에 체내로의 흡입·섭취 등의 오염 상황에서는 알파 입자가 가장 위험한데요, 좁은 부위에서 극심한 손상을 유발할 수 있습니다. 따라서 일반적으로 내부에 들어가면 알파 > 중성자 ≈ 베타 > 감마의 순서로 위험성을 가지며 단위 흡 하지만 감마는 전신피폭 영향으로 치명적일 수 있습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.28
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