답변 내역

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.희토류는 주기율표상의 란타넘족 원소 15개와 화학적 성질이 유사한 스칸듐, 이트륨을 합친 총 17개의 화학 원소를 통칭합니다. 희토류 원소의 주요 화학적, 물리적 특징에 대해 설명드릴게요.희토류 원소들은 원자 내부의 4f 오비탈에 전자가 채워지는 독특한 껍질 구조를 가집니다. 홀전자가 많아 외부 자장에 매우 강하게 반응하며, 전자가 이동할 때 미세한 파장의 빛을 방출하는 우수한 광학적·형광 특성 및 열 안정성을 발휘합니다. 또한, 최외각 전자의 배치가 비슷해 화학적 성질이 서로 매우 유사하기 때문에 자연계에서는 여러 희토류 원소가 혼합물 형태로 함께 매장되어 있는 경우가 많으며, 이들을 원소별로 개별 분리 및 정제하는 화학 공정이 극도로 까다롭고 기술적 난이도가 높습니다. 희귀한 흙이라는 이름과 달리 지각 내 매장량 자체는 구리나 납처럼 흔한 원소도 존재합니다. 그러나 경제성 있게 농축된 상태로 매장된 광상이 드물고, 추출 과정에서 강산 처리와 토륨 등 방사성 물질이 부산물로 배출되어 심각한 환경 오염 위험을 동반합니다.대표적인 산업 분야는 네오디뮴 기반 영구자석은 전기차 구동 모터와 풍력 발전기에 필수적이며, 유로퓸과 테르븀은 디스플레이 발광체에, 세륨은 자동차 배기가스 저감 촉매로 활용됩니다. 그 외에도 항공우주, 방위산업, 반도체 등 핵심 첨단 기술 분야 전반에서 대체 불가능한 요소로 쓰입니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.과자 봉지 속 질소는 단순한 완충재 역할에 그치지 않고, 기름의 산패와 과자의 변질을 막는 핵심적인 화학적 보존 역할을 함께 합니다. ​질소는 상온에서 다른 물질과 쉽게 반응하지 않는 안정한 기체입니다. 과자 봉지 안의 공기를 제거하고 질소를 채워 넣는 방식을 충전 포장이라고 합니다. 이와 관련하여 화학적 역할을 설명해 드릴게요.먼저, 유탕처리 제품에 포함된 기름은 산소와 접촉하면 산화 반응을 일으켜 냄새가 나고 맛이 변합니다(산패 현상). 질소로 내부 산소를 차단하면 기름의 산화 반응을 화학적으로 억제할 수 있습니다. 공기 중의 수분은 과자의 녹말 성분과 결합하여 구조를 약하게 만들어 과자를 눅눅하게 만듭니다. 수분이 없는 건조한 질소 가스를 채워 넣음으로써 내부 습도를 극도로 낮게 유지하여 바삭한 식감을 보존합니다. 음식물을 부패시키는 대부분의 세균과 곰팡이는 산소를 이용해 호흡하는 호기성 미생물입니다. 봉지 안의 산소 농도를 1% 미만으로 낮추면 미생물이 생존하기 어려운 환경이 조성되어 유통기한이 대폭 늘어납니다.이외에도 유통, 운송, 진열 과정에서 외부 압력이나 충격이 가해졌을 때 내부 과자가 부서지지 않도록 쿠션 역할을 합니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.파인애플의 브로멜라인과 키위의 액티니딘이 질긴 고기를 부드럽게 만드는 화학적 원리는 시스테인 프로테아제에 의한 친핵성 가수분해 반응입니다. 고기의 질긴 식감을 형성하는 미오신, 아크틴, 콜라겐 등의 단백질은 수많은 아미노산이 아미드 결합의 일종인 펩타이드 결합으로 길게 이어진 고분자 구조입니다. 효소가 이 강력한 펩타이드 결합을 끊어내는과정을 설명해 드릴게요.브로멜라인과 액티니딘의 활성 부위에는 시스테인이라는 아미노산이 존재하는데, 시스테인의 곁사슬에는 황 원자를 포함한 티올기가 있으며, 옆에 있는 히스티딘 잔기의 도움을 받아 강한 친핵성을 띠는 티올레이트 이온 상태로 대기합니다. 고기 단백질이 효소의 활성 부위에 결합하면, 효소의 황 이온이 펩타이드 결합 내의 카르보닐 탄소를 전자가 풍부한 힘으로 공격하고, 탄소와 산소 사이의 이중결합 전자쌍이 산소 쪽으로 이동하면서 사면체 구조의 중간체가 만들어집니다. 물 분자가 개입하면서 끊어진 결합을 분리·안정화하고, 효소는 다시 다른 결합을 찾아 끊는 반응을 지속합니다.그 결과, 꼬여 있던 고기 단백질의 촘촘한 그물망 구조가 허물어지고 노출된 단면이 물 분자와 결합하여 보수성이 크게 향상됩니다. 이렇게 물리적 저항력이 약해지고 수분이 채워지면서 질겼던 고기가 매우 촉촉하고 부드러워집니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.에어컨의 실내외 온도 차이가 15도이면 너무 크네요. 냉방병 때문에 건강에도 안좋고 전기요금 폭탄을 맞을 확률이 높습니다. 여름철에 에어컨을 가동할 때 권장되는 적정 실내외 온도 차이는 5℃~7℃입니다.우리 몸의 자율신경계는 외부 온도 변화에 적응하는 데 한계가 있어, 실내외 온도 차이가 5℃ 이상 벌어지면 자율신경계가 교란되면서두통이나 어지럼증, 면역력 저하 및 감기 증상 등의 냉방병 증상이 나타납니다. 그리고 요즘은 전기요금이 많이 쓰면 쓸수록 과세가 붙기 때문에 가급적 적당한 온도 유지와 사용시간 조절이 필수적입니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.생선이 시간이 지나면서 표면의 단백질이 분해되면 트라이메틸아민이라는 물질이 생성됩니다. 이 물질은 전자를 내주기 쉬운 염기성을 띨 뿐만 아니라, 공기 중으로 쉽게 날아가는 휘발성이 매우 강합니다. 기체 상태로 증발한 트라이메틸아민 분자가 우리 코의 후각 세포에 도달하면서 불쾌한 비린내를 인식하게 됩니다. 레몬즙의 주성분은 산성을 띠는 시트르산입니다. 산성 물질은 다른 물질에게 수소 이온을 내어주는 성질을 가지고 있습니다.생선 표면에 레몬즙을 뿌리면, 염기성인 트라이메틸아민 분자가 산성인 시트르산으로부터 수소 이온을 받아들이는 중화 반응이 일어나면서 트라이메틸아민은 양전하를 띤 트라이메틸암모늄 이온으로 변하고, 시트르산 음이온과 결합하여 물에 잘 녹는 이온성 염을 형성합니다.원래 상태의 트라이메틸아민은 공기 중으로 잘 날아가는 휘발성 기체였지만, 중화 반응을 거쳐 형성된 염은 휘발성이 거의 없습니다. 분자가 공기 중으로 증발하여 코로 들어올 수 없는 비휘발성 상태로 생선 표면에 묶여 버리기 때문에, 우리 코는 비린내를 더 이상 맡을 수 없게 됩니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.액체가 끓는 현상은 액체 내부에서 발생하는 증기압이 액체 표면을 누르고 있는 외부 기압과 같아질 때 일어납니다. 평지에서 물은 100°C가 되었을 때 내부 증기압이 1기압에 도달하여 끓기 시작합니다. 반면 높은 산 위는 공기가 희박해 외부 기압이 1기압보다 낮기 때문에, 물이 100°C에 도달하기 전에 이미 끓어버립니다. 물은 일단 끓기 시작하면 계속 열을 가해도 온도가 더 올라가지 않으므로, 쌀을 익히기엔 낮은 온도로 유지되어 밥이 설익게 됩니다. 그런데 압력밥솥은 이 외부 압력을 인위적으로 높여 물의 끓는점을 끌어올립니다. 먼저, 밀폐된 압력밥솥을 가열하면 물이 수증기로 바뀌지만 밖으로 빠져나가지 못하고 갇히게 됩니다. 갇힌 수증기 분자들이 계속 밀집하면서 밥솥 내부를 강하게 누르게 되고, 용기 내부 압력은 일반 대기압의 약 2배까지 치솟습니다. 물이 기체로 탈출하려면 액체 내부의 증기압이 표면을 누르는 2기압의 힘을 이겨내야 하기 때문에 물 분자가 2기압에 맞설 만큼 강력한 증기압을 가지려면 분자 운동이 훨씬 격렬해져야 합니다. 이 높은 압력을 뚫고 물이 끓기 위해 필요한 온도는 약 120°C까지 올라갑니다. 이 높아진 열에너지가 쌀 알갱이 깊숙한 곳까지 빠르게 전달되어 녹말을 완전히 말랑하고 찰지게 익히게 됩니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.겨울에는 꽁꽁 어는 것을 막아주고, 여름에는 펄펄 끓어 넘치는 것을 막아주는 부동액은 화학에서는 이를 용액의 총괄성이라는 아주 자연스러운 현상으로 설명합니다. 핵심부터 말씀드리면, 부동액이 물을 덥히거나 차갑게 만드는 것이 아닙니다. 부동액 분자들이 물 분자들 사이에 끼어들어 물 분자가 기체로 날아가거나, 고체로 뭉치는 과정을 물리적으로 방해하기 때문입니다. 이 과정에 대해 설명해 드릴게요.순수한 물은 100°C가 되면 분자들이 자유롭게 표면을 탈출하려고 하지만, 물에 에틸렌 글리콜 같은 부동액 성분이 녹아 있으면, 이 부동액 분자들이 물 표면의 일부를 차지하고 있기 때문에 물 분자 입장에서는 탈출구가 좁아지고 부동액 분자들이 길을 막고 있는 셈입니다. 결과적으로 물 분자들이 표면을 뚫고 기체로 날아가려면 평소보다 더 많은 열에너지가 필요해집니다. 이 때문에 100°C에서 끓어야 할 냉각수가 105°C~110°C가 되어야 비로소 끓게 되는 것입니다.반대로 물이 얼 때는 물 분자들이 뭉쳐 규칙적인 얼음 결정을 만들어야 하는데, 이때도 부동액 분자가 중간에 끼어들어 결합을 훼방 놓습니다. 이 방해를 이겨내고 얼음이 되려면 물 분자의 움직임이 평소보다 훨씬 둔해져야 하므로 0℃보다 온도가 크게 떨어져야 합니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.전자레인지는 불을 피워 겉면부터 열을 전달하는 것이 아니라, 마이크로파라는 파동 이용해 음식물 내부의 물 분자 스스로가 격렬하게 움직여 열을 내도록 만드는 방식입니다. 그 원리에 대해 설명해 드릴게요.전자레인지 내부의 마그네트론이라는 장치는 주파수가 약 2.45GHz(인 마이크로파를 뿜어냅니다. 마이크로파는 전기장의 방향이 위아래로 끊임없이 바뀌며 파동을 칩니다. 이 마이크로파가 음식물을 통과할 때, 음식물 속 수분에서는 격렬한 반응이 일어납니다.먼저, 외부에서 전기장이 걸리면, 나침반 바늘이 지구 자기장에 정렬하듯 극성을 띤 물 분자들도 전기장의 방향에 맞춰 스스로를 회전시켜 줄을 서려고 합니다. 그런데 마이크로파의 전기장 방향이 1초에 24억 번씩 뒤집힙니다. 물 분자들도 이 변화무쌍한 전기장의 방향을 따라잡기 위해 1초에 수십억 번씩 좌우로 방향을 틀며 회전해야 합니다. 음식물 내부는 물 분자들이 빽빽하게 뭉쳐 있는 상태인데, 수많은 물 분자들이 좁은 공간에서 엄청난 속도로 회전하다 보니, 주변의 다른 분자들과 끊임없이 충돌하고 비벼지며 강한 마찰을 일으킵니다. 이 분자 수준의 운동 에너지가 열에너지로 전환되면서 음식의 온도가 순식간에 올라가게 되는 것입니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.먼저 한 가지 흔한 오해를 바로잡자면, 다이너마이트와 TNT는 서로 다른 폭약입니다. 다이너마이트의 주성분은 니트로글리세린이라는 액체 화합물이고, TNT는 그 자체로 고체 형태의 다른 폭발물입니다. 하지만 외부 산소 없이 폭발하는 화학적 원리는 두 물질 모두 동일합니다. 진공이나 밀폐된 공간에서도 이들이 엄청난 폭발을 일으킬 수 있는 이유는 분자 구조 내부의 산소에 있습니다.일반적인 연소 반응은 연료가 외부 공기 중의 산소와 만나야 일어나지만 고성능 폭약은 외부 공기가 필요 없습니다. TNT 분자 구조를 보면, 중앙의 탄소와 수소로 이루어진 연료 부분에 산소를 듬뿍 포함한 니트로기 3개가 결합되어 있습니다.즉, 불에 탈 연료와 불을 붙일 산소가 하나의 분자 안에 아주 조밀하고 불안정하게 묶여 있는 자체 산화제입니다.폭발 과정을 보면. TNT에 불꽃이나 뇌관의 강력한 충격이 가해지면, 이 불안정한 분자 내의 결합이 순식간에 끊어지면서 화합물의 분자 결합이 쪼개집니다. 떨어져 나온 원자들이 서로 짝을 바꾸어 질소 가스, 일산화탄소, 수증기 등 매우 결합력이 단단하고 안정적인 기체 분자로 순식간에 재결합합니다. 불안정한 상태에서 안정적인 상태로 뚝 떨어지면서 엄청난 양의 열에너지가 뿜어져 나옵니다. 이 열에 의해 고체였던 TNT가 순식간에 수천 도의 뜨거운 기체로 변합니다. 고체가 기체로 변하면 부피가 수천 배 팽창하면서 주변의 공기나 물질을 초음속으로 밀어냅니다. 이 거대한 압력파가 바로 건물을 부수고 땅을 파이는 폭발입니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.과일의 껍질을 깎거나 자르면 과육의 세포가 파괴되는데, 이때 일어나는 화학 반응을 화학적으로 효소적 갈변이라고 합니다. 그 과정에 대해 설명해 드릴게요.과일 속에는 원래 폴리페놀이라는 화합물과 이를 산화시키는 폴리페놀 산화효소가 서로 다른 공간에 분리되어 있는데, 폴리페놀 산화효소가 촉매 작용을 하여 공기중에 산소와 만나 폴리페놀을 퀴논이라는 물질로 산화시킵니다. 생성된 퀴논은 반응성이 매우 높아, 주변의 아미노산이나 단백질과 결합하여 중합 반응을 일으켜 만들어지는 복잡한 흑갈색 색소가 바로 멜라닌이며, 이것이 우리 눈에 갈색으로 보이는 것입니다.갈변 현상을 늦추는 방법으로는 첫째로 깎은 과일을 물에 담가두면 과육 표면이 공기 중의 산소와 직접 접촉하는 것을 막을 수 있습니다. 특히 묽은 소금물이나 설탕물에 담그면 훨씬 효과적입니다. 둘째로 폴리페놀 산화효소는 중성 부근의 pH에서 가장 활발하게 작용하는데, 산성이 강한 레몬즙이나 오렌지 주스 등을 과일 표면에 뿌려 pH를 떨어뜨리면 효소의 활동이 크게 둔화됩니다. 또한 레몬즙에 풍부한 비타민 C는 이미 산화된 퀴논을 원래 상태로 되돌리는 환원제 역할을 하여 갈변을 막아줍니다. 마지막으로 대부분의 효소는 온도가 낮아지면 반응 속도가 느려집니다. 과일을 자른 후 밀폐 용기나 랩으로 싸서 산소를 차단한 뒤 냉장고에 보관하면 갈변을 늦출 수 있습니다.