답변 내역

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.방송에서 일명 도널드 덕이라고 하는 목소리를 얇고 높은 고음으로 변하게 만드는 기체의 정체는 바로 헬륨입니다. 성대가 빠르게 움직여서 목소리가 변하는 것으로 생각하기 쉽지만, 사실은 성대가 아닌 입안과 목구멍 속 소리의 전달 속도가 달라지기 때문에 나타나는 현상입니다. 이와 관련하여 자세히 설명해 드릴게요.소리는 공기라는 매질을 진동시키며 전달되는 파동인데, 매질의 분자량이 가벼울수록 소리가 훨씬 빠르게 이동합니다. 일반 공기는 질소와 산소가 주성분이라 헬륨 기체는 분자량이 공기보다 7배 이상 가볍고, 소리의 속도는 공기보다 3배 가까이 빠릅니다.사람의 목구멍에서 입술까지 이어지는 공기 기둥의 길이는 정해져 있으므로 소리의 파장은 변하지 않고 고정되어 있는데, 이 상태에서 가벼운 헬륨을 마시면 목구멍 내부에서 소리의 전달 속도가 3배로 증가합니다. 파장이 일정한 상태에서 속도가 커지면, 결과적으로 진동수가 함께 증가하게 됩니다. 결과적으로 목구멍 안에서 울리는 공명 주파수가 높은 음역대로 대폭 이동하면서 주파수가 높은 얇고 가느다란 고음이 나오게 것입니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.전기음성도는 분자 내에서 공유 결합을 이루는 두 원자가 공유 전자쌍을 자신 쪽으로 끌어당기는 상대적인 힘의 크기를 나타낸 척도입니다. 1932년 라이너스 폴링이 제안한 폴링 척도가 가장 널리 쓰이며, 수치가 클수록 공유 전자쌍을 강력하게 끌어당김을 의미합니다. 폴링은 가장 전자를 강하게 끌어당기는 플루오린의 전기음성도를 약 4.0로 정하고, 이를 기준 삼아 다른 원자들의 상대적 수치를 정했습니다. 주기율표에서의 전기음성도는 원자의 반지름과 유효 핵전하의 상호작용에 의해 규칙적인 경향성을 나타내는데, 같은 주기에서는 전자 껍질 수가 같지만, 오른쪽으로 갈수록 양성자 수가 늘어나 유효 핵전하가 커지기 때문에 원자핵의 인력이 강해지면서 원자 반지름은 작아지고, 외부의 공유 전자쌍을 끌어당기는 힘이 더욱 강해집니다.같은 족에서는 아래로 갈수록 주양자수가 증가하며 전자 껍질 수가 늘어나기 때문에 원자 반지름이 커지면서 원자핵과 최외각 공유 전자쌍 사이의 거리가 멀어지고, 안쪽 껍질 전자들의 가림 효과로 인해 핵이 전자를 끌어당기는 인력이 약해집니다. 즉, 주기율표의 오른쪽 위로 갈수록 전기음성도가 가장 크고, 왼쪽 아래로 갈수록 전기음성도가 가장 작습니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.반응물이 생성물로 한 번에 바뀌면 좋은데, 그렇지 않고 화학 반응이 복잡한 메커니즘을 거치는 이유는 분자들이 부딪힐 확률을 높이고, 넘어야 할 에너지 장벽을 낮춰 반응을 가장 쉽고 빠르게 일으키기 위한 자연의 가장 경제적인 선택 때문입니다.가장 흔한 화학 반응인 물 생성 반응을 예로 들어보겠습니다. 이 반응이 한 번에 일어나려면 수소 분자 2개와 산소 분자 1개가 정확히 같은 찰나의 순간에 한 지점에서 만나야 하고, 정확히 반응이 일어날 수 있는 올바른 방향과 각도로 부딪쳐야 하며, 기존 결합을 끊을 수 있는 충분한 운동 에너지를 가지는 것을 동시에 만족해야 합니다.하지만,공기 중에서 분자 3개가 완벽한 각도와 에너지로 동시에 부딪힐 확률은 수학적으로 0에 가까울 정도로 희박하기 때문에 자연은 분자 2개끼리 차례대로 부딪히는 단계를 여러 번 거치는 길을 선택합니다. 수소와 산소가 반응할 때도 라디칼 같은 중간 단계를 십여 개나 거쳐서 최종적으로 물이 됩니다. 이처럼 화학 반응이 반응물에서 생성물로 한 번에 일어날 수 없고, 여러 단계의 메커니즘을 거쳐야 하는 이유입니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.운동 후 땀을 흘리고 나면 톡 쏘는 탄산음료를 더 먹고 싶싶다는 생각을 합니다. 하지만 운동 직후 탄산음료 대신 이온 음료를 권하는 데는 과학적 이유가 있습니다. 이온 음료는 단순히 목을 마르게 하지 않는 음료가 아니라 우리 몸의 체액과 가장 비슷한 성분으로 만들어 빠르게 흡수되도록 만들어진 음료수이기 때문입니다.​우리 몸의 혈액이나 세포액은 농도가 일정하게 유지됩니다. 이온 음료는 이 체액의 농도와 거의 같거나 살짝 낮게 맞추어져 있습니다. 소장 벽에는 나트륨 이온과 포도당이 1:1로 결합할 때 물 분자를 엄청난 속도로 끌고 들어가는 수송체 세포가 있습니다. 이온 음료 속에 적절히 배합된 나트륨과 미량의 당분이 이 수송체를 활성화하여 맹물만 마실 때보다 수분을 훨씬 빠르게 세포 내로 전달합니다. 우리가 흘리는 땀은 단순한 물이 아닙니다. 땀 속에는 수분과 함께 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘 같은 주요 이온이 대량으로 섞여 배출됩니다. 칼륨과 마그네슘 같은 전해질이 부족해지면 근육 수축과 이완 제어가 안 되어 운동 중이나 후에 쥐가 나기 쉽습니다. 이온 음료는 손실된 전해질을 즉시 채워주기 때문에 운동 후에는 이온 음료를 마시라고 권장하는 것입니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.화학 반응에서 촉매는 정말 중용한 작용을 하는 물질로 반응이 진행되지 않는 상황을 진행시킬 수 있는 물질입니다.균일 촉매와 불균일 촉매가 반응에서 다르게 작용하는 가장 근본적인 이유는 반응물이 촉매와 만나는 메커니즘이 완전히 다르기 때문입니다. ​두 촉매가 반응에서 활성화 에너지를 낮추는 원리를 메커니즘에 대해 설명해 드리겠습니다.먼저 균일 촉매는 ​반응물과 촉매가 모두 같은 상(주로 액체-액체 또는 기체-기체)에 존재하므로, 촉매 분자가 반응 용매 속에 완벽하게 용해되어 균일하게 섞입니다. ​균일 촉매는 반응물과 화학적 복합체 또는 결합을 직접 만들어 새로운 반응 경로를 제공합니다. 잠점으로는 용액 전체에 촉매가 녹아 있으므로, 모든 촉매 분자가 100% 반응에 참여할 수 있습니다. 또한, 분자 구조 수준에서 정교하게 디자인된 촉매가 특정 반응물하고만 선택적으로 결합할 수 있습니다. 하지만, 반응이 끝난 후 생성물과 촉매를 분리하기가 매우 어렵습니다.불균일 촉매는 반응물(기체 또는 액체)과 촉매(주로 고체)의 상이 다릅니다. 이 경우 반응은 촉매의 표면에서만 일어납니다. ​불균일 촉매는 반응물을 자신의 표면에 붙여서 기존 분자 결합을 약하게 만들거나 끊어주는 역할을 합니다. 잠점으로는 고체 내부의 촉매 입자는 반응에 전혀 참여하지 못하므로, 표면적을 극대화하는 것이 핵심입니다. 또한, ​반응이 끝난 후 고체 촉매만 건져내면 되므로 공정이 단순합니다. 하지만, 고온, 고압 조건이 필요한 경우가 많고, 활성 자리가 오염되면 촉매 기능을 잃기 쉽습니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.액상 담배의 현대적 형태는 2003년 중국의 약사에 의해 개발되었습니다. ​하루에 담배를 두 갑씩 피우던 중증 흡연자였던 그는, 아버지가 담배 때문에 폐암으로 돌아가시자 담배를 불로 태우지 않고 니코틴만 흡입해서 끊을 수 없을까?라는 고민을 하게 됩니다. 그렇게 해서 초음파 및 가열식 코일로 액체를 기화시키는 지금의 전자담배 형태를 상용화했습니다. 간편하고 냄새도 덜나기 때문에 젊은이들 사이에서 인기가 좋은 것 같습니다.액상 담배는 담뱃잎을 통째로 쓰는 게 아니라, 4가지 주요 성분을 정밀하게 비율 맞춰 혼합해 만듭니다. 첫째로 프로필렌 글리콜은 무색무취의 액체로, 물과 잘 섞이는 성질이 있습니다. 액체 상태의 향을 잘 전달하고 목을 긁어주는 타격감을 만들어냅니다. 둘째로 ​식물성 글글리세은 콩이나 야자유 등에서 추출한 끈적하고 달콤한 액체입니다. 기화되었을 때 연기처럼 보이는 풍성한 흰 수증기를 만드는 역할을 합니다. 셋째로 니코틴은 담뱃잎이나 줄기에서 순수하게 추출하거나, 실함실에서 화학 합성하여 액체 상태로 만듭니다. 최근에는 유기산을 결합해 흡수율을 높이고 목 통증을 줄인 니코틴 솔트 형태로도 많이 사용됩니다. 마지막으로 ​과일, 멘솔, 디저트 등 다양한 맛을 내기 위한 식품첨가물 화학 향료를 첨가하여 액상 담배를 만듭니다.액상 담배의 안전성은 일반 담배처럼 불을 피워 타르와 발암물질 폭탄을 마시는 위험은 피할 수 있지만, 화학물질을 기화시켜 폐에 지속적으로 넣는 것이므로 안전한 담배가 아니라 다른 형태의 위험성을 가진 담배로 보는 것이 가장 과학적으로 정확합니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.이산화탄소는 대표적인 온실기체로 온실효과를 유발하는 기체 중에 하나 입니다. 온실효과는 대기 중의 온실가스가 지표면에서 방출되는 적외선을 흡수하고 다시 지표면으로 되돌려 보내 지구의 기온을 따뜻하게 유지해 주는 현상을 말합니다. 하지만 대기중에 이산화탄소의 양이 증가하면서 지구의 평균 기온이 계속 상승하면서 지구 온난화가 진행되고 있는 것입니다.이산화탄소가 지구의 적외선을 가두는 온실가스로 작용하는 비밀은 분자의 정적인 모양이 아니라, 분자가 춤추듯 움직이는 진동 모드에 있습니다. 이산화탄소 분자 구조의 어떤 특징 때문에 적외선을 흡수하고 재방출하는지 원리를 설명해 드릴게요. 이산화탄소 분자는 평소엔 대칭이지만 구부러지는 굽힘 진동을 할 때 전기적 균형이 깨지면서 적외선을 흡수하는 성질을 갖게 됩니다. 하필 이 구부러지는 진동 주파수가 지구가 내뿜는 열선과 정확히 일치하기 때문에 지구의 열을 효과적으로 가두게 되는 것입니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.냉장고에서 막 꺼낸 차가운 음료 병 겉면에 물방울이 맺히는 것은 누구나 한 번쯤 경험해 본 현상입니다. 이 현상은 응결이라고 합니다. ​이것은 물이물 병 내부에서 새어 나온 것이 아니라, 공기 중에 떠다니던 눈에 보이지 않는 수증기가 차가운 물병을 만나 액체로 변한 것입니다.그 과정을 보면 냉장고에서 꺼낸 차가운 물병을 방 안에 두면, 물병 주위에 있는 공기의 온도가 급격히 낮아지고, 공기가 식으면 품을 수 있는 수증기의 양이 줄어들게되고 결국 더 이상 기체로 존재하지 못한 수증기들이 물방울이 되어 물병 표면에 달라붙게 됩니다. 그러면서 물병 주위에 물방울이 맺혀 있게 되는 것입니다.이외에도 일상에서 응결현상이 많이 일어나는데, 겨울철 창문에 서리는 김이나 에어컨 바람으로 차가워진 안경 알에 바깥의 더운 공기가 닿아 순간적으로 물방울이 맺히는 경우도 같은 현상입니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.우리가 눈으로 볼 수는 없지만 물질을 이루는 분자들은 열에너지를 가지고 있기 때문에 멈추지 않고 끊임없는 움직입니다. 분자가 할 수 있는 운동은 분자의 구조에 따라 크게 병진 운동, 회전 운동, 진동 운동의 세 가지로 나눌 수 있습니다. 병진 운동은 분자 전체가 3차원 공간 상의 한 점에서 다른 점으로 위치를 바꾸며 이동하는 운동입니다. 기체와 액체 상태에서 매우 활발하게 운동하지만, 고체 상태에서는 입자들이 강하게 결합되어 있어 병진 운동을 거의 하지 못합니다. 회전 동분은 분자 전체가 이동하지 않고, 자신의 질량 중심이나 특정 회전축을 기준으로 빙글빙글 도는운동을 말합니다. 병진 운동과 마찬가지로 기체와 액체 상태에서 주로 일어나며, 고체에서는 주변 입자와의 상호작용 때문에 잘 일어나지 못합니다.마지막으로 진동 운동은 ​분자 내부의 원자들이 화학 결합을 스프링처럼 주고받으며 원자 간의 거리나 결합 각도가 주기적으로 변화하는 운동입니다. 고체, 액체, 기체 등 모든 물질 상태에서 항상 일어납니다. 고체 내부의 입자들도 제자리에서 떨리는 형태로 진동 운동을 합니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.아스피린의 합성은 인류의 삶과 질을 바꿔 놓은 대단한 물질입니다. 아스피린의 합성 배경에는 화학자 호프만이 류머티즘 관절염으로 살리실산을 복용하며 심각한 위통과 구토에 시달리던 아버지의 통증을 덜어주기 위해 만들었습니다. 살리실산의 하이드록시기를 에스터화하여 아스피린으로 바꿀 때 위장 장애가 획기적으로 줄어드는 이유에 대해 설명해 드릴게요. 살리실산 분자 구조에는 한 탄소 고리에 카르복실기와 하이드록시기가 바로 옆에 붙어 있는데, 이 구조 때문에 문제가 발생했습니다. 살리실산이 수소 이온을 내놓고 이온화될 때, 남아있는 음이온과 옆에 있는 하이드록시기의 수소가 분자 내 수소 결합을 형성하여 산성이 매우 강해집니다. 강한 산성과 페놀기의 직접 자극이 합쳐져 위점막을 직접 부식시키고 심각한 위경련, 구토, 위출혈을 일으켰습니다.호프만은 살리실산의 약점이었던 하이드록시기의 수소 대신 아세틸기가 들어가면서 에스터 결합이 형성하여 하이드록시기가 에스터 결합으로 덮이면서, 카르복실기와 형성하던 분자 내 수소 결합이 더 이상 불가능해집니다. 이로 인해 산도가 다소 약해져, 위장 안에서 위벽을 직접 부식시키는 강한 산성 자극이 대폭 완화되었습니다.