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반데르발스 힘은 어떤 상황에서 중요한 역할을 하며, 물질의 물리적 성질에 어떻게 기여하나요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것처럼 극성분자와 비극성분자는 둘 다 반데르발스 힘이 작용하는데요, 크기는 공유 결합이나 이온 결합에 비해 훨씬 작지만, 분자의 성질이 모이면 무시할 수 없을 만큼 큰 효과를 발휘합니다. 반데르발스 힘은 크게 세 가지로 나눌 수 있는데요 쌍극자–쌍극자 상호작용은 극성 분자 간에 영구 쌍극자가 끌어당기는 힘이며, 쌍극자–유도 쌍극자 상호작용은 극성 분자가 비극성 분자에 순간적으로 쌍극자를 유도해서 끌어당기는 힘이고 분산력(런던 힘)은 전자의 순간적인 위치 변화로 생기는 순간 쌍극자들끼리 끌어당기는 힘, 모든 분자에서 나타나며 비극성 분자에서는 유일한 인력입니다. 또한 이와 같은 반데르발스 힘은 특히 비극성 분자의 응집에 중요한 역할을 하는데요, 헬륨, 네온, 아르곤 같은 비활성 기체도 아주 낮은 온도에서 액화·고화될 수 있는데, 이는 전적으로 분산력 덕분입니다. 또한 분자량이 큰 분자의 끓는점 상승에도 중요한 역할을 하는데요, 분자가 클수록 전자가 많아 순간적인 쌍극자가 잘 생기므로 분산력이 강해지고, 끓는점이 올라갑니다. 예를 들어 메탄(CH₄)보다 옥탄(C₈H₁₈)의 끓는점이 훨씬 높은 이유입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.25
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분자 궤도 이론에 따르면 O₂ 분자가 상자성을 띠는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것처럼 O₂ 분자가 상자성을 띠는 이유는 분자 궤도 이론으로만 설명이 가능한데요, 원래 일반적인 원자가 결합 이론(VB)에 따르면 산소 분자는 O=O 이중 결합을 가지며, 모든 전자가 짝을 이루고 있으므로 반자성을 보여야 하는데요, 그러나 실제 실험에서는 O₂가 자석에 강하게 끌리는 상자성을 띤다는 사실이 관찰되었고, 이 모순을 해결하는 것이 바로 분자 궤도 이론입니다.산소의 경우 π(2p_x)와 π(2p_y) 궤도에 전자가 하나씩 홀전자 상태로 들어가게 되는데요, 즉, O₂ 분자 내에는 짝지어지지 않은 전자가 2개 존재하게 되고, 이 전자들이 외부 자기장에 반응하여 자석에 끌려가는 상자성을 나타내는 것입니다. 정리해보자면 O₂ 분자가 상자성을 띠는 이유는, 분자 궤도 이론에 따라 π* 반결합 궤도에 전자가 홀전자 상태로 들어가기 때문이며, 이 홀전자들이 외부 자기장과 상호작용하여 자석에 끌려가기 때문입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.25
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수소 결합은 분자 간 인력을 강하게 만들지만, 공유 결합과 비교했을 때 어떤 차이가 있나요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 수소결합은 분자간의 인력 중에서는 강한 편에 속하지만 분자를 이루는 힘인 공유결합에 비해서는 훨씬 약한 결합입니다. 우선 결합의 본질을 보면, 공유 결합은 두 원자가 전자를 서로 공유하여 전자쌍이 두 핵 사이에 분포하는 강한 화학 결합인데요 반면 수소 결합은 전자를 직접 공유하지 않고, 한 분자에서 부분적으로 양전하(δ⁺)를 띠는 수소 원자와 다른 분자의 전자밀도가 높은 원자(O, N, F) 사이에서 정전기적 인력으로 형성되는 비공유성 상호작용이기 때문에 공유 결합은 내부적 결합이고 수소 결합은 주로 분자 간 결합이라는 차이가 있습니다.또한 결합의 강도를 비교하면, 공유 결합은 일반적으로 수백 kJ/mol 수준의 강한 에너지를 가지는 반면, 수소 결합은 대략 10~40 kJ/mol 정도로 공유 결합보다 훨씬 약한데요 즉, 수소 결합은 분자 간 상호작용 중에서는 강한 편이지만, 공유 결합에 비하면 훨씬 쉽게 끊어질 수 있는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.25
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금속 결합에서 자유전자가 금속의 성질과 어떻게 연결되나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 금속 결합은 양전하를 띠는 금속 이온 격자 사이를 자유롭게 이동하는 전자, 즉 자유전자에 의해 안정화되는데요, 이 자유전자의 존재는 금속이 가진 여러 고유한 성질을 설명하는 핵심 요인이라고 할 수 있습니다. 우선 전기 전도성은 자유전자가 외부 전기장에 의해 쉽게 이동할 수 있기 때문에 나타나는데요, 전기장을 가하면 전자 바다가 방향성을 가지고 흐르면서 전류가 형성되는 것입니다. 또한 열 전도성 역시 자유전자의 이동성과 밀접하게 관련되어 있는데요, 금속 내부에서 에너지를 가진 자유전자가 빠르게 이동하며 다른 이온에 에너지를 전달하기 때문에 열이 효과적으로 퍼져 나갑니다. 이와 함께 금속의 전연성도 자유전자의 역할로 설명할 수 있는데요, 금속 이온이 배열된 격자가 외부 힘에 의해 변형될 때, 자유전자는 특정 결합이 끊어지는 것을 막고 이온 사이를 계속해서 결합처럼 묶어주는 역할을 합니다. 따라서 금속은 잘 구부러지고 얇게 늘어나거나 두드려도 깨지지 않는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.25
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킬레이트 효과가 나타나는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 '킬레이트 효과'란 다치 리간드가 중심 금속 이온에 배위할 때, 같은 수의 단치 리간드가 배위한 경우보다 훨씬 더 안정한 착물이 형성되는 현상을 말하는데요, 엔트로피적인 요인과 엔탈피적인 요인으로 설명이 가능합니다. 엔트로피적인 요인으로는 예를 들어서 단치 리간드가 배위할 경우에는 리간드 6개가 들어가고, 떨어져 나올 때도 6개의 분자가 빠져나오지만 다치 리간드는 3개만 들어가도 충분하므로, 반응 과정에서 자유롭게 풀려나는 분자의 수가 더 많아져 계의 무질서도(엔트로피)가 증가하는데요, 이때 엔트로피가 증가하면 자유에너지(ΔG = ΔH – TΔS)가 감소하므로, 착물이 훨씬 안정해집니다. 따라서 킬레이트 효과의 가장 큰 원인은 엔트로피적 안정성입니다. 다음으로 보조적인 요인으로 엔탈피적인 요인이 있는데요, 다치 리간드는 고리 구조를 만들며 금속 이온을 둘러싸기 때문에, 단치 리간드보다 금속 이온과의 결합이 끊어지기 어렵습니다. 또한 고리형 리간드는 금속 주위를 입체적으로 더 단단히 잡아주므로, 배위 결합이 부분적으로 협동적 성격을 띠어 결합 강도가 커지는데요, 이로 인하여 결합이 더 강하게 형성되어 엔탈피적으로도 안정화가 이루어집니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.25
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배위 화합물이 색깔을 나타내는 원리는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 배위 화합물이 다양한 색을 띠는 현상은 결정장 갈라짐과 d–d 전이라는 전자 에너지 준위 변화에서 비롯된 현상인데요, 우선 전이 금속 이온은 보통 d 오비탈에 전자를 가지고 있습니다. 이때 리간드가 금속 이온 주위에 배열되면, 리간드의 비공유 전자쌍과 금속 d 오비탈 전자 사이에 반발이 일어나고, 이 때문에 d 오비탈의 에너지가 동일하지 않고 두 그룹으로 갈라지게 되는데요, 예를 들어서 옥타헤드랄 착물의 경우 낮은 에너지를 가진 t₂g와 높은 에너지를 가진 eg로 분리됩니다. 또한 이때 가시광선 대역의 특정 파장이 입사되면, 낮은 에너지 준위(t₂g)에 있던 전자가 높은 에너지 준위(e_g)로 들뜰 수 있는데요, 이 전이가 바로 d–d 전이라고 불리는 것이며, 전자가 들뜨는 데 필요한 에너지는 특정 파장의 빛 에너지와 일치할 때 흡수가 일어나게 됩니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.25
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결정장 갈라짐의 크기에 영향을 미칠 수 있는 요인은 무엇이 있나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것처럼 착물에서 중심 금속 이온의 d 오비탈이 리간드와 상호작용할 때, 리간드의 비공유 전자쌍과 금속 이온의 전자 사이의 정전기적 반발 때문에 오비탈이 서로 다른 에너지로 분리되는 현상을 결정장 갈라짐이라고 하는데요, 이러한 결정장 갈라짐에 영향을 줄 수 있는 요인으로는 금속 이온의 산화수가 있습니다. 금속의 산화수가 높을수록 금속 이온의 전하 밀도가 커지는데요, 이 경우 리간드를 더 강하게 끌어당겨 리간드와의 반발도 커지므로, 결정장 분리 에너지 Δ가 커지는 것입니다. 또한 같은 족의 금속이라면, 아래로 갈수록 이온 반지름이 커지고 4d, 5d 전이 금속은 전자 구름이 더 퍼져 있는데요, 따라서 4d, 5d 금속 착물은 3d 금속 착물보다 Δ가 큽니다.이외에도 리간드의 종류가 중요한 영향을 미치는데요, 리간드가 중심 금속에 얼마나 강하게 전자를 주거나 상호작용하느냐에 따라 Δ가 달라집니다. I⁻ < Br⁻ < Cl⁻ < F⁻ < H₂O < NH₃ < en < NO₂⁻ < CN⁻, CO의 순서를 따르며 오른쪽으로 갈 수록 더 강한장 리간드에 해당하는데요, 강한 장 리간드일수록 d 오비탈과의 반발이 크고, 따라서 Δ가 커집니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.25
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냉장고가 차가우면 온도로 인해서 세균이 번식하지 못해서 그래서 냉장고에 음식을 넣으면 안상하는 건가요??
안녕하세요. 네, 맞습니다. 냉장고 속에서 음식이 잘 보존되는 이유는 세균과 곰팡이 같은 미생물의 생장 속도가 온도에 크게 의존하기 때문인데요, 원래 세균이 증식하려면 단백질을 합성하고, 효소로 대사를 돌리고, 세포 분열을 해야 하는데, 이 모든 과정은 효소 반응에 기반합니다. 일반적으로 효소 반응은 온도가 높을수록 빠르게 진행되지만, 온도가 낮아지면 효소의 활성도가 크게 떨어지는데요, 따라서 냉장고처럼 낮은 0~4 °C에서는 세균이 죽는 것은 아니지만, 대사 속도가 극도로 느려져서 번식 속도가 현저히 줄어듭니다. 따라서 냉장고는 세균을 완전히 없애는 멸균 장치는 아니지만 세균 증식을 지연시켜 음식이 상하는 속도를 늦추는 역할을 하는 것이며, 그래서 냉장고에 넣어둔 음식도 시간이 오래 지나면 결국 부패하게 됩니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.09.25
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꿈에서 예지몽을 꾼다는 사람들은 실제로 예지몽인지 아니면 그냥 우연히 그렇게 바라는 것이 꿈이 되어서 꿈을 꾸게 된것인지 궁금합니다.
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 예지몽이라고 불리는 현상은 과학적으로 보면 실제로 미래를 예측한다기보다는, 뇌가 가진 기억, 예측, 우연의 작용이 결합해서 그렇게 느껴지는 것이라고 보시는 것이 맞겠습니다. 우리 뇌는 현재까지의 경험과 정보를 바탕으로 다음에 일어날 일을 미리 예상하는 기능을 가지고 있는데요, 예를 들어 시험을 앞두고 불안할 때 시험장에서 문제를 푸는 꿈을 꾸는 것은, 실제로 미래를 본 것이 아니라 뇌가 불안을 해소하려고 가능한 시나리오를 만들어 낸 것이며 즉, 예지몽처럼 느껴지지만 사실은 뇌의 예측 모델이 반영된 것입니다.또한 꿈은 매우 다양한 내용이 섞여 나타나는데, 대부분은 잊어버립니다. 그런데 실제 생활에서 꿈과 비슷한 사건이 벌어지면, 사람은 그것만 강하게 기억하고 내 꿈이 맞았다고 생각하며 이런 현상을 선택적 기억 편향이라고 하는데요 즉, 수많은 꿈 중에서 일부만 현실과 맞아떨어진 것처럼 보이는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.09.25
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꿈이라는건 어떻게 꾸는 것인지 과학적으로 알려주세요.
안녕하세요. 네, 질문해주신 것처럼 꿈은 단순한 환상이 아니라 뇌에서 실제로 일어나는 신경학적 활동의 산물이라고 볼 수 있습니다. 우선 꿈이 생성되는 뇌의 조건으로는 두 가지가 있는데요, 첫번째는 REM 수면 상태입니다. 이는 보통 잠든 지 약 90분 후 나타나며, 이때 뇌파는 깨어 있을 때와 유사하게 불규칙하고 빠른 형태를 보입니다. 또한 감각 차단 + 뇌 활성화로, 외부 자극은 차단되지만, 뇌 속 신경회로는 여전히 활발하게 활동하고 있는데요, 이때 뇌는 내부 기억·감정·상상을 조합하여 꿈이라는 경험을 구성하게 되는 것입니다. 이러한 꿈을 형성하는데 중요한 뇌의 영역으로는 우선 시상이 있습니다. 시상은 외부 감각 입력은 줄어들지만, 내부 신호를 전달하여 시각적 장면이 만들어지도록 하며, 해마는 기억을 저장하고 불러오는 역할을 하며, 꿈에서 과거 경험이 재구성되는 데 관여합니다. 다음으로 편도체에서는 감정 반응을 담당하여, 꿈이 종종 강한 공포·즐거움 같은 감정과 결합되는 이유가 되고, 마지막으로 전두엽은 논리적 사고와 자기통제 기능이 이때 상대적으로 억제되므로, 꿈에서는 현실에서는 불가능한 일이 자연스럽게 일어나는 것처럼 느껴지게 합니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.09.25
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