답변 내역

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.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.기름이 묻은 프라이팬을 뜨거운 물로 설거지할 때 찬물보다 훨씬 잘 닦이는 이유는 온도가 높아짐에 따라 기름과 물의 물리적 성질이 변하기 때문입니다. 이를 기름의 점도 변화와 물의 표면장력 감소라는 두 가지 원리로 설명할 수 있습니다.​첫째, 온도가 올라가면 기름의 점도가 낮아져 유동성이 커집니다. 찬물에서는 기름 분자 사이의 인력이 강해 끈적끈적하고 단단한 상태로 프라이팬 표면에 엉겨 붙어 있습니다. 하지만 뜨거운 물을 부으면 기름의 온도가 상승하면서 분자 운동이 활발해져 분자 간 결합이 느슨해집니다. 이로 인해 기름의 점도가 크게 떨어지고 액체처럼 흐르는 성질인 유동성이 커집니다. 액체처럼 부드러워진 기름은 프라이팬 표면에서 쉽게 떨어져 나가고 수세미의 가벼운 마찰에도 쉽게 밀려나게 됩니다.​둘째, 온도가 높아지면 물의 표면장력이 감소합니다. 표면장력이란 물 분자들이 서로 당기며 표면적을 최소화하려는 힘인데, 찬물은 표면장력이 커서 기름진 표면에 잘 스며들지 못하고 동글동글하게 겉돌게 됩니다. 반면 물이 뜨거워지면 분자 운동으로 인해 이 표면장력이 약해집니다. 표면장력이 감소한 뜨거운 물은 프라이팬 표면과 기름막 사이의 미세한 틈새로 더 쉽게 파고들 수 있습니다. 물이 기름 아래로 잘 스며들면서 프라이팬과 기름의 접촉면을 분리해내는 역할을 합니다.​결과적으로 뜨거운 물은 기름을 흐물흐물하게 녹여 유동성을 높여주는 동시에, 물 자체가 기름과 프라이팬 사이로 쉽게 침투하여 기름을 표면에서 들뜨게 만듭니다. 이 두 가지 원리가 동시에 작용하기 때문에 찬물을 사용할 때보다 세제를 많이 쓰지 않고도 기름때를 깨끗하게 씻어낼 수 있습니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.고무지우개로 연필 글씨를 지울 때 종이가 상하지 않고 흑연만 깔끔하게 지워지는 이유는 물질 사이에 작용하는 분자 간 인력의 크기 차이로 설명할 수 있습니다.​우리가 연필로 종이에 글씨를 쓰면 연필심의 흑연 분자들이 종이의 미세한 섬유 조직 틈새에 끼어들며 종이 섬유와 약한 인력으로 결합하여 표면에 달라붙게 됩니다.​이 상태에서 고무지우개로 글씨 위를 문지르면 흑연 분자는 새로운 물질인 고무 분자와 접촉하게 됩니다. 이때 흑연 분자와 종이 섬유 사이에 작용하는 인력보다 흑연 분자와 고무 분자 사이에 작용하는 인력이 물리적으로 훨씬 더 큽니다. 즉, 흑연 입장에서는 종이보다 고무와 결합하려는 힘이 더 강한 것입니다.​따라서 지우개가 지나갈 때 종이에 붙어 있던 흑연 분자들이 더 강한 인력에 이끌려 고무 표면으로 쉽게 옮겨붙게 됩니다. 고무는 탄성이 좋아 종이 섬유를 강하게 긁어내거나 파괴하지 않고도 표면의 흑연 분자만 선택적으로 흡착하여 떼어냅니다.​이렇게 고무 분자에 달라붙은 흑연은 지우개가 마찰되면서 발생하는 고무 찌꺼기인 지우개 똥에 뭉쳐서 함께 떨어져 나갑니다. 결과적으로 종이 구조에는 아무런 손상을 주지 않으면서 인력의 차이만을 이용해 흑연만 깨끗하게 분리해낼 수 있습니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.사람의 몸이 타거나 구워지지 않는다고 가정하더라도, 온도가 극단적으로 높아지면 이론적으로 강력하게 터지는 폭발 현상이 발생합니다. 이러한 현상이 일어나는 가장 결정적인 원인은 우리 몸의 약 70퍼센트를 차지하고 있는 수분 때문입니다.​몸의 온도가 물의 끓는점인 100도를 넘어가기 시작하면 세포와 혈액 속에 존재하던 액체 상태의 물이 기체인 수증기로 변하기 시작합니다. 물이 수증기로 변할 때는 부피가 약 1,700배나 거대하게 팽창하게 됩니다. 이때 우리의 단단한 피부와 근육, 뼈는 팽창하는 수증기를 가두는 밀폐된 압력밥솥 같은 역할을 하게 됩니다. 온도가 계속 상승할수록 내부 압력은 겉잡을 수 없이 높아지며, 결국 피부가 견딜 수 있는 한계를 넘어선 순간 고압의 수증기가 한꺼번에 분출되면서 몸이 사방으로 터져나가는 증기 폭발이 발생합니다.​만약 이 상태에서 온도를 수천, 수만 도 이상으로 더 올린다면 우리 몸을 구성하는 입자 수준에서 또 다른 변화가 생깁니다. 수천 도에서는 몸을 이루던 단백질이나 지방 같은 분자들의 화학 결합이 모조리 끊어져 원자 상태로 분해됩니다. 태양 표면 온도에 이르는 수만 도를 넘어서면 원자핵과 전자가 분리되어 빛나는 가스 구름 형태인 플라즈마 상태로 변하게 됩니다. 결론적으로 몸의 온도가 계속 높아지면 내부의 압력을 이기지 못해 강력하게 터져 유기적인 형태를 잃고 원자 상태의 가스로 흩어지게 됩니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.일반 연초와 전자담배의 가장 큰 화학적 차이는 불로 태우는 연소와 열로 데우는 기화의 차이입니다.​일반 연초는 담뱃잎을 800도 이상의 고온으로 태우는데, 이 과정에서 불완전 연소가 일어나 타르와 일산화탄소를 포함한 수천 가지의 독성 물질과 수십 종의 1급 발암물질을 새로 만들어냅니다. 반면 전자담배는 담뱃잎이나 액상을 200~350도 안팎으로 가열해 증기를 만듭니다. 불로 태우지 않기 때문에 연초의 핵심 유해 성분인 타르와 일산화탄소의 발생량이 극히 적은 것은 사실입니다.​하지만 전자담배가 발암물질로부터 안전하다는 뜻은 아닙니다. 흡입하는 유해 물질의 종류가 다를 뿐입니다. 액상형의 경우 니코틴을 녹이는 용매 물질이 열을 받으면서 포름알데히드나 아세트알데히드 같은 발암물질이 유발됩니다. 또한 기기 내부의 금속 코일이 가열되는 과정에서 니켈, 크롬, 카드뮴 같은 중금속 성분이 증기에 섞여 나옵니다. 궐련형 역시 담뱃잎을 찌는 과정에서 담배 특유의 니트로사민 등 1급 발암물질이 여전히 배출됩니다.​결정적으로 중독을 일으키는 니코틴은 두 담배 모두에 들어있습니다. 전자담배는 냄새가 나지 않고 흡연이 간편해 오히려 흡연량이 늘어나면서 니코틴 의존도가 더 높아지기 쉽습니다. 화학적으로 일부 발암물질이 줄어든 것은 맞지만 다른 독성 물질을 흡입하게 되므로, 전자담배를 금연의 수단보다는 잠시 거쳐 가는 징검다리로만 엄격하게 제한하여 사용해야 합니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.냉동고에서 갓 꺼낸 얼음틀에 손을 대면 순간적으로 피부가 쩍 달라붙는 현상은, 피부 표면의 미세한 수분이 얼음 쪽으로 열을 급격하게 빼앗기며 순식간에 얼어붙기 때문입니다.​우리의 피부 표면에는 눈에 보이지 않는 미세한 땀이나 공기 중의 수분이 늘 존재합니다. 이때 냉동고 깊은 곳에 있어 영하 10도 이하로 꽁꽁 얼어있는 얼음틀에 손을 대면, 피부 표면에 있던 수분이 얼음틀과 접촉하는 순간 자신의 열을 얼음 쪽으로 전부 빼앗기게 됩니다.​이 과정에서 열역학적인 이동이 일어납니다. 얼음은 기본적으로 열전도율이 낮기 때문에, 손이 닿았을 때 피부의 온기를 받아 주변으로 빠르게 분산시키지 못하고 접촉면의 차가운 온도를 그대로 유지합니다. 이 낮은 열전도율로 인해 손 가락 표면의 미세한 수분은 온도가 순식간에 영하로 떨어지며 찰나의 순간에 고체로 응고하게 됩니다.​결국 얼어붙은 미세한 수분층이 손가락 피부의 굴곡진 표면과 얼음틀의 표면 사이를 굳건하게 연결하는 접착제 역할을 하게 됩니다. 손의 열이 얼음틀 전체를 녹이기 전에, 접접에 있던 극소량의 수분이 먼저 얼어붙으며 결합하기 때문에 손이 달라붙는 현상이 발생합니다.