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물 온도 섭씨 50도가 뜨겁게 느껴지는데요
안녕하세요. 네, 섭씨 50도는 사람이 손으로 느끼기에는 충분히 뜨겁다고 느낄 수 있는 온도인데요, 흔히 우리가 따뜻하다라고 생각하는 온도는 보통 36~40℃ 정도이고, 온천이나 목욕탕의 물도 대체로 38~42℃ 정도가 많습니다. 그 이상이 되면 인체 피부가 금방 뜨겁다고 느끼기 시작합니다. 특히 피부는 약 43~44℃ 이상부터는 통증을 느끼는 수용기가 활성화되기 시작하는데요, 그래서 50℃ 물에 손을 담그면 짧게는 참을 수 있지만, 오래 담그면 화상을 입을 수 있습니다. 실제로는 50℃ 물은 뜨끈하다 수준이 아니라 위험할 수 있는 온도에 속합니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.26
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질량 결손과 결합 에너지는 어떻게 관련되어 있으며, 아인슈타인의 E=mc²과 어떤 연결이 있나요?
안녕하세요. 핵화학에서 말하는 질량 결손과 결합 에너지는 사실 같은 현상의 두 표현이고, 아인슈타인의 질량–에너지 등가 관계 E=mc^2으로 연결되는데요, 우선 어떤 원자핵을 만들 때, 양성자 Z개와 중성자 N개를 따로 떼어놓고 질량을 모두 합하면 그 합은 실제 원자핵의 질량보다 큰데요, 원자핵이 안정하게 결합하면서, 일부 질량이 사라진 것처럼 보이는데, 이 질량이 바로 에너지로 전환된 것입니다. 반대로 원자핵을 완전히 분리해서 다시 개별적인 양성자와 중성자로 만들려면, 그만큼의 에너지를 가해주어야 하는데요, 이때 필요한 에너지가 바로 결합 에너지이며 즉, 결합 에너지 = 질량 결손이 에너지로 전환된 양이라고 보시면 됩니다. 아인슈타인의 등가 원리에 따르면, 질량은 에너지의 한 형태인데요 따라서 핵자들이 결합하면서 안정한 핵을 만들 때, 일부 질량이 결합 에너지 형태로 바뀌어 방출되며 이 때문에 원자핵의 질량이 단순한 합보다 작아지고, 그 차이가 바로 질량 결손으로 나타나는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.26
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핵분열(fission)과 핵융합(fusion)은 어떤 차이를 가지며, 에너지 방출량은 왜 큰 차이가 나나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 핵분열(fission)과 핵융합(fusion)은 모두 원자핵이 더 안정한 상태로 가는 과정에서 질량 결손이 생기고, 그 차이가 아인슈타인의 식 E=mc^2에 따라 에너지로 방출된다는 점에서는 같지만, 출발점과 도달점의 차이 때문에 발생하는 에너지 양이 크게 다릅니다. 우선 핵분열이란 우라늄-235나 플루토늄-239 같은 무거운 원자핵이 중성자를 흡수한 뒤 불안정해져 두 개의 가벼운 원자핵으로 쪼개지는 과정을 말하는 것인데요, 무거운 원자핵은 원자 번호가 커질수록 양성자 사이의 쿨롱 반발력이 강해져 상대적으로 덜 안정하며 이를 쪼개면, 생성된 중간 질량 원자핵들이 원래보다 핵자당 결합 에너지가 더 큰 상태로 가게 되어, 차이만큼의 에너지가 방출됩니다.다음으로 핵융합이란 수소의 동위원소와 같이 가벼운 원자핵이 결합하여 헬륨과 같이 상대적으로 무거운 원자핵을 형성하는 과정인데요, 가벼운 원자핵들은 원자핵 당 결합 에너지가 낮습니다. 이들이 융합하여 더 무거운 원자핵(예: 헬륨)을 만들면, 훨씬 더 안정한 상태로 가며 결합 에너지가 크게 증가하며 따라서 핵융합의 에너지 방출은 핵분열보다 더 크거나 적어도 비슷한 수준이지만, 질량 대비 효율은 훨씬 더 큽니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.26
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방사성 동위원소의 반감기(half-life)는 어떤 원리로 정의되며, 이를 통해 물질의 양을 어떻게 계산할 수 있나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 방사성 동위원소의 반감기(T₁/₂)는 방사성 핵종이 불안정한 상태에서 더 안정된 상태로 자발적으로 붕괴하는 확률적 과정에 의해 정의되는데요, 이때 중요한 점은 개별 원자핵이 언제 붕괴할지는 예측할 수 없지만, 큰 수의 핵종 집단은 통계적으로 일정한 비율로 붕괴한다는 것입니다.우선 반감기 T₁/₂는 N((t)가 초기 N0의 절반이 되는 데 걸리는 시간으로 정의되는 값인데요, 핵반응은 1차 반응에 속하기 때문에 이 반감기 값이 ln2/람다 값으로 일정하다는 특징이 있습니다. 예를 들어, 어떤 방사성 동위원소의 반감기가 10년이고 초기량이 80 g이라고 하면, 10년 후에는 40g, 20년 후에는 20g, 30년 후에는 10g이 되는 것입니다. 정리하면, 반감기는 붕괴 확률에 의해 정의된 일정한 시간 단위이며, 이를 이용해 물질의 양을 계산할 수 있는 기본 원리는 지수적 감소 법칙이라고 할 수 있습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.26
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알파(α), 베타(β), 감마(γ) 붕괴는 각각 어떤 방식으로 일어나며, 원자핵의 원자번호와 질량수에 어떤 변화를 주나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 원자핵은 더 안정된 상태에 도달하기 위해 여러 형태의 붕괴 과정을 겪을 수 있는데, 대표적으로 알파(α) 붕괴, 베타(β) 붕괴, 감마(γ) 붕괴가 있습니다. 우선 알파(α) 붕괴란 원자핵이 헬륨 원자핵(⁴₂He, 알파 입자)을 방출하는 과정을 의미하는데요, 주로 우라늄이나 라듐, 토륨과 같이 매우 무거운 원자핵이 안정성을 얻기 위해 질량을 줄일 때 발생합니다. 다음으로 베타 붕괴에는 β⁻ 붕괴, β⁺ 붕괴, 전자 포획 세 가지가 있는데요, β⁻ 붕괴 과정에서 원자핵 내부의 중성자가 양성자로 변하면서, 전자(β⁻)와 전자 반중성미자(ν̅e)가 방출됩니다. β⁺ 붕괴 과정에서는 원자핵 내부의 양성자가 중성자로 변하면서, 양전자(β⁺)와 전자 중성미자(νe)가 방출되며, 마지막으로 전자 포획에서는 원자핵이 궤도 전자(보통 K전자)를 흡수하여, 양성자가 중성자로 바뀌고 전자 중성미자(νe)가 방출됩니다. 감마(γ) 붕괴란 원자핵이 알파 또는 베타 붕괴 후 들뜬 상태에 있을 때, 여분의 에너지를 감마선(γ, 고에너지 광자) 형태로 방출하여 안정된 낮은 에너지 준위로 전이하는 것인데요, 에너지 준위의 변화만 일어나며, 핵종 자체는 변하지 않는다는 특징이 있습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.26
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텔레비젼에는 뒤에 환풍구가 있다고 하는데 단순히 열을 빼내기 위함인가요?? 아니면 다른 특별한 이유가 있나요??
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 텔레비전 뒤쪽에 있는 환풍구는 기본적으로 내부에서 발생하는 열을 배출하기 위한 목적이 가장 큰데요, 하지만 단순히 열만 빼내기 위한 것이 아니라, 기기 내부의 전자부품이 안정적으로 동작하도록 돕는 역할도 하고 있습니다. 옛날 텔레비전의 경우에는 발열이 매우 컸는데요, 브라운관은 고전압을 걸어 전자빔을 형광체에 쏘는 방식이라 전자총, 고전압 변압기, 진공관 등이 많은 열을 발생시켰습니다. 이때 내부 열이 쌓이면 전자 회로의 저항값이 변하거나 절연이 약해져 오동작 및 화재 위험이 커지기 때문에, 큰 환풍구를 통해 자연 대류로 열을 빼내야 했던 것이며, 또한 일부 환풍구는 금속망 구조로 되어 있어 공기 흐름을 허용하면서도 전자파가 외부로 새어 나가는 것을 줄이는 역할도 했습니다. 반면에 현대의 텔레비전의 경우에는 디스플레이 패널 자체는 발열이 적고, 회로는 반도체 기반이라 발열이 줄었습니다. 따라서 예전처럼 큰 환풍구가 필요하지 않습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.26
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방사선(α, β, γ)이 물질을 통과할 때 각각 어떤 차별적인 투과력을 가지며, 이로 인해 어떤 차별적인 차폐재가 필요한가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 α, β, γ 방사선은 물질과 상호작용하는 방식과 질량, 전하, 에너지 특성이 다르기 때문에 투과력에서 큰 차이를 보이며, 따라서 차폐재도 서로 다르게 요구되는데요, 우선 α선은 사실 He²⁺ 입자를 말하는 것으로 질량이 크고, 이온화력이 매우 강하므로 짧은 거리를 이동하면서 대부분의 에너지를 물질에 빠르게 전달합니다. 질량이 크다보니, 공기 중에서는 수 cm 정도밖에 이동하지 못하며, 종이 한 장이나 피부 표피층만으로도 차단되기 때문에 특별한 두꺼운 차폐재가 필요하지 않고, 얇은 종이, 장갑, 의복 등으로도 충분합니다. 다만 체외에서는 거의 위험하지 않지만, 체내로 흡입되거나 섭취될 경우 주변 조직에 강한 국소적 손상을 일으킬 수 있습니다.다음으로 β선은 전자를 의미하는데요, 질량이 작고 -1의 전하를 가지며, α선보다 투과력이 크지만 여전히 이온화 작용을 통해 점차 에너지를 잃습니다. 공기 중 수 m 정도 이동 가능하며, 얇은 알루미늄판 정도로도 쉽게 차단되기 때문에 플라스틱, 유리, 알루미늄 같은 가벼운 물질로 충분히 막을 수 있습니다. 단, 납처럼 밀도가 높은 금속을 사용하면 오히려 제동복사(X선)가 발생할 수 있어 적절하지 않습니다. 마지막으로 γ선은 고에너지 전자기파인데요, 전자기파로서 질량과 전하가 없으며, 에너지가 매우 크고 물질과의 상호작용은 광전효과, 콤프턴 산란, 전자쌍 생성 등의 기작으로 일어납니다. 이때 투과력이 매우 커서 수 cm 두께의 납판, 수십 cm 두께의 콘크리트도 필요한데요, 따라서 납이나 텅스텐, 두꺼운 콘크리트와 같이 밀도가 높은 물질이 차폐재로 사용되며, 두께가 충분히 확보되지 않으면 완벽한 차폐가 어렵습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.26
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배위화합물에서 기하 이성질체는 시스와 트랜스 이외에는 없는 것인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것처럼 배위화합물에서 입체 이성질체는 크게 기하이성질체와 광학이성질체로 나눌 수 있는데요, 이 중에서 기하 이성질체의 경우, 가장 많이 접하는 예시는 말씀하신 시스(cis)와 트랜스(trans) 형태이지만 이것만 있는 것은 아니고, 배위자의 배열 형태와 배위수에 따라서 여러 가지 변형된 기하 이성질체가 존재할 수 있습니다.우선 말씀해주신 것과 같이 4배위 화합물 중 평면 사각형과 6배위 화합물의 정팔면체 구조에서는 시스, 트랜스 이성질체가 존재할 수 있습니다. 이외에도 6배위 화합물의 정팔면체 구조에서는 3개의 리간드의 배치에 따라서 fac, mer 이성질체가 나타나는데요, fac (face) 이성질체의 경우에는 같은 종류의 세 리간드가 옥타헤드랄의 한 면(face)에 위치하는 경우이며 mer (meridional) 이성질체의 경우에는 같은 종류의 세 리간드가 중심 금속을 기준으로 직선(meridian)을 따라 배열된 경우입니다. 또한 [MA₂B₂C₂] 옥타헤드랄에서는 배치 방법에 따라 시스-트랜스뿐 아니라 더 복잡한 변형 가능하며 [MA₄BC] 옥타헤드랄도 리간드 위치에 따라 서로 다른 기하 이성질체 존재 가능하고 다인산 배위자, 킬레이트 리간드가 들어가면 구조적 제약에 의해 더 많은 기하 이성질체가 나올 수도 있습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.26
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CFT 이론에서는 왜 일반적인 전자배치에 어긋나는 전자배치도 가능한 것인가요?
안녕하세요. 네, 맞습니다. 말씀해주신 것과 같이 일반적으로 원자나 이온의 전자배치는 아우프바우 원리, 낮은 에너지 준위부터 채우라는 법칙과 파울리 배타 원리, 한 오비탈에 최대 두 전자, 스핀 반대로 채우라는 법칙 그리고 훈트의 규칙, 같은 에너지 준위에서는 최대한 홀전자 유지를 따르는데요, 그런데 배위화학에서 CFT(결정장 이론)를 적용하면, 때로는 이 규칙과 달라 보이는 전자배치가 나타나기도 합니다. CFT 이론에서의 핵심은 d 오비탈의 에너지 갈라짐인데요, 자유 이온일 때 d 오비탈은 5개가 동등한 에너지를 가집니다.그러나 옥타헤드랄, 테트라헤드랄 등 리간드들이 금속 이온 주위에 배열되면, 리간드의 음전하 전자 구름과 d 오비탈 전자 사이의 정전기적 반발 때문에 d 오비탈이 두 그룹으로 갈라집니다. 또한 전자 배치를 할 때 선택지는 두 가지인데요, 리간드장 분리 에너지 Δ (Δoct)가 작을 때에는 전자가 높은 오비탈(e_g)에 들어가더라도 반발 비용이 적으므로, 훈트의 규칙을 따르기 때문에 이를 고스핀 배치라고 합니다. 하지만 Δ가 클 때에는 전자가 높은 오비탈로 가기보다는 낮은 오비탈에 짝지어 들어가는 게 더 안정적이며 이를 저스핀 배치이라고 하며 즉, 전자배치가 일반적인 훈트의 규칙과 달라지는 것처럼 보이는 이유는, 스핀을 맞추었을 때의 이점과 오비탈 간 에너지 차이(Δ)의 경쟁 때문이라고 보시면 되겠습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.25
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벤젠은 비공유 전자쌍을 갖고 있지 않은데도 불구하고 배위결합을 형성할 수 있는 이유가 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것처럼 벤젠은 비공유전자쌍은 가지고 있지는 않지만 파이전자를 이용해서 배위결합을 형성할 수 있는 화합물인데요, 우선 벤젠은 sp² 혼성화된 6개의 탄소가 육각형 고리를 이루고 있습니다. 이때 각 탄소 원자는 1개의 p 오비탈을 남기는데, 이들이 겹쳐져서 공유된 π 전자 구름을 형성하고 있는데요, 이 π 전자들은 국소화된 것이 아니라, 환 전체에 걸쳐 비편재화 되어 있으며 즉, 비공유 전자쌍은 없지만, π 전자 구름이 전자 밀도가 높은 영역을 제공할 수 있는 것입니다. 또한 전이금속은 d 오비탈을 가지고 있고, 빈 궤도가 전자를 받을 수 있는데요 이때 벤젠의 π 전자 구름이 전자 공여체처럼 작용하여, 금속의 빈 d 오비탈에 전자를 주면서 배위 결합이 형성됩니다. 이런 리간드를 특별히 π-리간드(π donor)라고 부르는 것이며 예를 들어서 [Cr(η⁶-C₆H₆)₂] (비스(벤젠)크로뮴)에서 η⁶(eta-6) 표기는 벤젠의 6개 탄소가 만든 π 전자 전체가 금속과 결합에 관여한다는 뜻입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.25
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