답변 내역

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.프레온 가스는 대기 중으로 방출되면 지구의 방패인 오존층을 파괴합니다. 성층권에 도달한 프레온 가스가 자외선을 받아 분해되면서 염소 원자를 내놓는데, 이 염소 원자가 오존 분자를 무차별적으로 파괴하는 촉매가 됩니다. 염소 원자 단 한 개가 약 10만 개의 오존 분자를 파괴할 만큼 위력이 강력하여 오존층에 구멍이 뚫리는 오존 홀 현상을 유발합니다. 이로 인해 지표면으로 유해 자외선이 과도하게 쏟아지며 인류와 생태계에 치명적인 결과를 초래합니다.​가장 대표적인 결과는 인류의 건강을 위협하는 질환의 증가입니다. 강한 자외선은 세포의 DNA를 변형시켜 피부암을 유발합니다. 실제로 오존층 파괴가 심각했던 남반구의 호주나 뉴질랜드는 전 세계에서 피부암 발생률이 가장 높은 지역 중 하나가 되었습니다. 또한 자외선은 눈의 수정체를 혼탁하게 만드는 백내장 환자를 급증시키고, 신체의 면역 체계를 약화시켜 질병에 쉽게 걸리게 만듭니다.​동시에 자연 생태계의 먹이사슬도 기초부터 무너집니다. 해양 생태계의 기반이자 지구 산소를 공급하는 식물성 플랑크톤이 자외선에 노출되어 사멸하면서, 이를 먹고 사는 크릴새우와 물고기까지 연쇄적으로 줄어들게 됩니다. 육상에서도 농작물의 DNA가 손상되어 콩이나 밀 등의 수확량이 급감하고 식물의 성장이 저해되는 등 농업 생산성에 심각한 타격을 입힙니다. 결과적으로 오존층 파괴는 지구 전체 생명체의 생존 기반을 흔드는 재앙이 됩니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.프레온 가스는 염소, 불소, 탄소로 이루어진 염화불화탄소 화합물의 상업적 명칭입니다. 1930년대 개발된 이후 기적의 물질로 불리며 에어컨과 냉장고의 냉매, 스프레이 분사제 등으로 널리 쓰였습니다. 이처럼 전 세계에서 애용된 이유는 독보적인 안정성과 안전성 때문이었습니다. 열을 흡수하고 방출하는 능력이 뛰어날 뿐만 아니라 기체 자체에 독성이 없고 불에 타지 않으며, 금속을 부식시키지 않는 성질까지 갖추고 있었습니다. 가격마저 저렴해 산업 전반에서 이상적인 냉매로 각광받았습니다.​하지만 이 뛰어난 안정성이 도리어 지구 환경에는 재앙이 되었습니다. 공기 중으로 배출된 프레온 가스는 파괴되지 않고 성층권까지 올라가 강한 자외선에 의해 분해되면서 염소 원자를 방출합니다. 이 염소 원자가 자외선을 막아주는 오존층의 오존 분자를 무차별적으로 파괴하면서 오존층에 구멍이 뚫리는 환경 문제를 유발했습니다. 그 결과 지표면으로 쏟아지는 유해 자외선이 급증하여 인류의 피부암과 백내장 발생률이 높아졌고 생태계 전반이 교란되었습니다.​또한 프레온 가스는 이산화탄소보다 수천 배 이상 열을 잘 가두는 강력한 온실가스이기도 합니다. 대기 중에 머물며 지구온난화를 가속화하고 기후 변화를 심화시키는 원인이 되었습니다. 이러한 치명적인 문제점들 때문에 국제사회는 몬트리올 의정서를 체결하여 프레온 가스의 사용을 전면 금지하였으며 현재는 환경 부담이 적은 대체 냉매를 사용하고 있습니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.주전자의 물이 끓기 직전에 시끄러운 소리가 나다가 막상 활발히 끓으면 조용해지는 이유는 물의 온도 차이로 인해 발생하는 캐비테이션 현상 때문입니다. 주전자를 가열하면 열을 직접 받는 바닥면의 물이 먼저 끓는점에 도달하여 수증기 기포들이 만들어집니다. 이때 주전자 위쪽의 물은 아직 온도가 낮은 찬물 상태를 유지하고 있습니다. 바닥에서 발생한 기포가 부력에 의해 위로 떠오르는 순간 위에 있던 차가운 물과 급격하게 만나게 됩니다.​찬물을 만난 수증기 기포는 내부 열을 빼앗겨 순식간에 다시 액체로 변하며 부피가 급격히 줄어듭니다. 기포가 매우 빠른 속도로 수축하여 소멸하는 과정에서 주변의 물들이 빈 공간을 채우기 위해 사방에서 무서운 속도로 밀려들어와 서로 충돌합니다. 유체 내부의 압력과 온도 변화로 기포가 발생했다가 중심을 향해 격렬하게 무너지는 이 현상을 캐비테이션이라고 부릅니다. 이때 물 분자들이 부딪히면서 미세한 충격파가 발생하는데 주전자 바닥의 수많은 기포가 동시다발적으로 터지며 내는 충격음이 바로 끓기 직전의 소리입니다.​반면 물이 완전히 끓기 시작하면 주전자 전체의 물 온도가 균일하게 백 도에 도달합니다. 더 이상 기포를 식힐 찬물이 없기 때문에 기포는 소멸하지 않고 수면 위까지 무사히 올라와 터지므로 충격파가 발생하지 않아 소리가 잦아들게 됩니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.여름철 강이나 호수에 녹조 현상이 발생하여 수중 생태계가 파괴되는 과정은 미생물의 유기물 분해와 이로 인한 생화학적 산소요구량의 급격한 상승으로 설명할 수 있습니다.​녹조 현상이 일어나면 강이나 호수의 표면에 남조류를 비롯한 식물성 플랑크톤이 폭발적으로 증식합니다. 이 플랑크톤들은 수명이 다하면 집단으로 폐사하여 수중으로 가라앉게 되는데, 이 사체들이 물속으로 엄청난 양의 유기물을 공급하는 원인이 됩니다. 호수 바닥에 유기물이 과도하게 유입되면 이를 먹이로 삼는 호기성 미생물들이 폭발적으로 늘어나면서 유기물을 분해하기 시작합니다.​생화학적 산소요구량은 물속의 유기물을 미생물이 산화 분해할 때 소비하는 산소의 양을 의미합니다. 녹조 사체라는 거대한 유기물 더미를 분해하기 위해 수많은 미생물이 동시다발적으로 호흡 작용을 하면서 물속에 녹아 있는 산소를 엄청난 속도로 소모하게 됩니다. 즉 유기물의 과도한 유입이 생화학적 산소요구량을 극한으로 끌어올리는 것입니다.​결과적으로 미생물이 산소를 독점하면서 물속의 용존산소량이 바닥나게 되고, 강이나 호수는 산소가 거의 없는 저산소 내지 무산소 상태에 빠집니다. 이로 인해 물고기나 조개류 등 물속 산소에 의존하여 숨을 쉬는 수중 생물들이 집단 질식사하게 됩니다. 생물의 사체가 다시 유기물이 되어 산소를 더 소모하는 악순환이 반복되면서, 결국 물속 생태계는 종 다양성을 잃고 완전히 황폐해집니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.늘어난 고무줄에 뜨거운 바람을 쐬어주면 오히려 수축하는 현상은 고무를 구성하는 고분자 사슬의 무질서도, 즉 엔트로피 변화로 설명할 수 있습니다. 고무는 길고 유연한 사슬 모양의 분자들이 제멋대로 엉킨 채 연결된 구조를 가집니다. 고무줄을 잡아당기면 꼬여 있던 고분자 사슬들이 힘을 받는 방향으로 길게 펴지면서 나란히 정렬하게 됩니다. 이 상태는 분자들의 배열이 규칙적으로 변해 평상시보다 무질서도가 크게 낮아진 상태입니다.​자연계의 모든 물질은 무질서도가 증가하는 방향으로 나아가려는 성질이 있습니다. 이때 헤어드라이어로 온도를 높여주면 고분자 사슬들의 열운동이 급격히 활발해집니다. 에너지를 얻은 분자들이 격렬하게 진동하면서 규칙적으로 정렬해 있던 사슬 구조를 무너뜨리고 원래의 엉키고 설킨 무질서한 상태로 되돌아가려는 성질이 더욱 강해집니다.​그 결과 곧게 펴졌던 고분자 사슬들이 열에 의해 다시 불규칙하게 구부러지고 뭉치면서 분자 양 끝의 직선거리가 오히려 짧아지게 됩니다. 이것이 거시적으로 고무줄이 스스로 수축하는 현상으로 나타나는 것입니다. 이처럼 열을 가했을 때 무질서도를 높이려는 분자들의 운동 에너지가 수축하는 힘으로 전환되는 성질을 열역학에서는 엔트로피 탄성이라고 부릅니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.겨울철 아스팔트 도로에 포트홀이 생기는 원리는 물이 얼음으로 상변화할 때 나타나는 독특한 부피 팽창에 있으며 이는 수소 결합 구조로 설명할 수 있습니다. 대부분의 물질은 액체에서 고체로 변할 때 분자들이 빽빽하게 뭉치며 부피가 줄어들지만 물은 고체가 될 때 부피가 오히려 약 구 퍼센트 증가하는 예외적인 특성을 가집니다.​액체 상태의 물에서는 분자들이 활발하게 움직이며 수소 결합이 끊어졌다 연결되기를 반복하므로 비교적 무질서하고 조밀하게 모여 있습니다. 하지만 영하의 날씨에 얼음으로 얼어붙으면 분자의 운동이 둔화되면서 하나의 물 분자가 주변의 다른 물 분자 네 개와 단단하게 고정됩니다. 이때 서로 밀어내고 당기는 전기적 균형을 맞추기 위해 일정한 거리와 각도를 유지하며 가운데가 텅 빈 규칙적인 육각형 격자 구조를 형성하게 됩니다. 액체일 때는 빈틈없이 파고들던 분자들이 정렬되면서 내부에 수많은 빈 공간이 생겨 부피가 늘어나는 것입니다.​아스팔트의 미세한 균열 사이에 스며든 물이 이처럼 육각형 수소 결합을 이루며 얼어붙으면 틈새 내부에서 강력한 팽창 압력이 발생합니다. 이 힘이 도로 내부의 균열을 강제로 넓혀 아스팔트 구조를 결함 상태로 만들고 그 위를 무거운 차량들이 반복해서 지나가면서 표면이 쉽게 깨져 나가 결국 깊은 포트홀이 발생하게 됩니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.피톤치드가 새집의 악취를 제거하는 원리는 냄새를 향으로 가리는 것과 달리 악취 분자의 화학적 구조를 근본적으로 바꾸는 데 있습니다. 피톤치드의 주성분인 테르펜 화합물은 구조적으로 불포화 탄소 이중 결합을 가지고 있어 주변의 다른 물질과 쉽게 반응하는 특성을 지닙니다. 새집증후군을 유발하는 포름알데히드나 암모니아, 황화수소 같은 악취 물질들은 반응성이 높은 기능기를 가지고 있는데, 공기 중에 분사된 테르펜 분자가 이들과 만나면 직접적인 화학 반응을 일으킵니다.​우선 산성과 염기성 성분이 만나 중화되는 반응이 일어납니다. 피톤치드의 특정 성분이 알칼리성을 띠는 암모니아 등과 결합하여 냄새가 나지 않는 안정한 염을 형성하면서 휘발성을 잃게 만듭니다. 또한 테르펜의 이중 결합 부위가 포름알데히드 같은 악취 분자와 직접 공유 결합을 형성하여 거대한 착물로 묶이기도 합니다. 이렇게 분자 구조가 통째로 바뀌거나 붙잡히면 우리 코의 후각 수용체가 악취로 인식하던 원래의 성질이 완전히 파괴됩니다.​여기에 공기 중의 산소와 함께 악취 분자의 사슬을 끊어내는 산화 분해 반응까지 더해져 최종적으로는 물이나 이산화탄소처럼 냄새가 없는 무해한 물질로 탈바꿈합니다. 결국 피톤치드는 공기 중에서 악취 원인 물질을 화학적으로 포획하고 분해하여 냄새의 근원을 없애는 역할을 합니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.수소 폭탄이나 태양 내부에서 거대한 에너지가 뿜어져 나오는 비결은 가벼운 원자핵들이 결합하는 핵융합 반응에 있습니다. 태양 중심부나 수소 폭탄 내부와 같은 초고온, 초고압 환경에서는 수소와 같이 가벼운 원자핵들이 서로 밀어내는 전기적 척력을 이겨내고 거대한 압력에 의해 하나로 뭉치게 됩니다. 이 과정에서 가벼운 원자핵들은 헬륨처럼 더 무거운 원자핵으로 변환됩니다.​그런데 반응 전 수소 원자핵들의 질량을 모두 더한 값과 반응 후에 만들어진 헬륨 원자핵의 질량을 비교해 보면, 결합 후의 질량이 원래보다 미세하게 줄어들어 있는 현상이 나타납니다. 이를 질량 결손이라고 부릅니다. 이 사라진 질량의 행방은 아인슈타인의 질량-에너지 등가 원리로 설명할 수 있습니다.​아인슈타인의 방정식에 따르면 질량과 에너지는 본질적으로 같으며, 질량은 에너지로 전환될 수 있습니다. 이때 에너지는 감소한 질량에 빛의 속도의 제곱을 곱한 만큼 발생합니다. 빛의 속도는 그 자체로도 매우 큰 값인데 이를 제곱한 상수가 곱해지기 때문에, 눈에 보이지 않을 정도로 아주 미미한 질량 결손만으로도 상상을 초월하는 천문학적인 크기의 에너지가 세상 밖으로 방출되는 것입니다. 결국 태양의 빛과 수소 폭탄의 폭발력은 미시 세계에서 사라진 작은 무게가 거대한 에너지로 전환된 결과물입니다.