답변 내역

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.질문하신 삼중점과 상평형 그림은 중학교 교육과정에서는 개편 전이나 후나 정식으로 다룬 적이 없습니다. 이 개념은 온도의 변화뿐만 아니라 압력의 변화에 따른 물질의 상태 변화까지 모두 이해해야 하므로, 항상 고등학교 심화 선택 과목에서 다루어져 왔습니다.​이전의 2015 개정 교육과정에서는 고등학교 2학년이나 3학년이 배우는 화학2 과목의 물질의 세 가지 상태 단원에서 삼중점이 처음 등장했습니다. 중학교 1학년 때 물질의 세 가지 상태 변화를 배울 때는 압력을 통제하고 온도에 따른 변화만 배우지만, 고등학교 화학2에 올라가서야 비로소 온도와 압력을 두 축으로 하는 상평형 그림을 그리며 세 가지 상태가 공존하는 삼중점을 정식으로 공부하게 됩니다. 최근 바뀐 2022 개정 교육과정에서도 마찬가지로 중학교 과학에는 포함되지 않았으며, 고등학교 선택 과목인 물질과 에너지라는 과목으로 이름이 바뀌어 그대로 유지되고 있습니다.​따라서 삼중점에 대해 이론을 먼저 공부하고 싶으시다면 중학교 과학책이 아니라 고등학교 화학2 교과서나 완자 같은 자습서의 맨 앞 단원을 구매해서 읽어보시는 것이 좋습니다.​실험을 무척 하고 싶어 하시는데, 물의 삼중점은 대기압의 160분의 1 수준인 강력한 진공 상태를 만들어야 해서 일반 가정이나 학교 과학실에서는 구현하기 어렵습니다. 대안으로 주사기에 드라이아이스를 넣어 압력을 높여 이산화탄소의 삼중점을 관찰하는 실험이 있지만, 고압으로 인해 플라스틱 주사기가 폭발하여 파편이 튈 위험이 매우 큽니다. 안전을 위해 집에서 혼자 실험하기보다는 고등학교 책으로 상평형 그림과 증기 압력의 원리를 먼저 깊이 있게 독학해 보는 것을 추천합니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.바닷물로 도시가스를 만드는 핵심 원리는 수소 생산과 메탄 합성이라는 두 가지 화학 반응에 있습니다. 삼면이 바다인 우리나라에서 이 기술이 주목받는 이유는 원료인 바닷물을 무한하게 얻을 수 있기 때문입니다.​첫 번째 단계는 바닷물을 전기분해하여 수소를 얻는 수전해 과정입니다. 물 분자에 전기에너지를 가하면 환원 전극에서는 수소 가스가, 산화 전극에서는 산소 가스가 발생합니다. 다만 바닷물에는 소금 성분인 염화이온이 들어있어 일반 물과 달리 전극을 부식시키고 독성 염소 가스를 만드는 문제가 있습니다. 최근에는 이 염소 가스를 억제하고 수소만 선택적으로 뽑아내는 특수 촉매 기술이 개발되면서 바닷물 직분해가 가능해지고 있습니다.​두 번째 단계는 이렇게 얻은 수소를 도시가스의 주성분인 메탄으로 바꾸는 사바티에 반응입니다. 수소는 부피가 크고 폭발 위험이 있어 기존 도시가스 배관으로 바로 보내기 어렵습니다. 따라서 포집한 이산화탄소와 수소를 대략 300도 이상의 고온에서 니켈이나 루테늄 같은 촉매와 반응시킵니다. 이 과정을 거치면 이산화탄소와 수소가 결합하면서 우리가 가정에서 사용하는 도시가스인 메탄과 물이 생성됩니다.​이 기술은 온실가스인 이산화탄소를 재활용한다는 점에서 탄소 중립적이며, 바다를 접한 우리나라가 재생에너지를 활용해 대량 생산 체제를 구축한다면 해외 에너지 의존도를 획기적으로 낮출 수 있는 혁신적인 방법입니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.연필로 종이에 글씨를 쓰면 연필심의 주성분인 흑연 가루가 종이 표면의 미세한 섬유 조직에 긁히면서 달라붙게 됩니다. 이때 흑연 가루와 종이 섬유 사이에는 분자끼리 서로 끌어당기는 약한 인력이 작용하여 글씨가 종이 위에 고정됩니다. 고무 지우개가 종이를 상하지 않게 하면서 글씨만 지울 수 있는 비결은 바로 이 인력의 크기 차이에 있습니다.​흑연 가루가 종이와 결합하는 힘보다 지우개의 고무 성분과 결합하는 힘이 훨씬 더 강합니다. 지우개로 글씨 위를 문지르면 마찰이 일어나면서 고무 성분이 흑연 가루와 긴밀하게 접촉하게 되는데, 이때 흑연 가루는 종이를 떠나 자신을 더 강하게 끌어당기는 지우개 표면으로 자리를 옮겨 붙게 됩니다. 지우개는 적당한 탄성과 점성을 가지고 있어 종이 섬유 틈새에 박힌 흑연까지 효과적으로 흡수합니다.​이와 동시에 지우개는 마찰력에 의해 표면이 쉽게 마모되도록 만들어졌습니다. 고무 표면에 달라붙은 흑연 가루들은 그대로 붙어있는 것이 아니라, 지우개가 닳으면서 발생하는 지우개 가루에 뭉쳐져 종이 밖으로 떨어져 나가게 됩니다. 지우개가 깎여 나가면서 깨끗한 새 고무 표면이 계속 드러나기 때문에 종이에 묻은 흑연을 반복해서 떼어낼 수 있습니다. 결국 지우개는 종이 섬유를 찢을 정도로 강한 자극을 주지 않으면서도, 흑연 가루만을 선택적으로 끌어당겨 지우개 가루 속으로 흡수해 버리기 때문에 종이 손상 없이 글씨만 깨끗하게 지워집니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.계란의 주성분인 단백질은 열을 받으면 성질이 변하며 굳어지는 특징이 있는데, 조리 온도와 수분의 상태에 따라 내부 구조가 완전히 다르게 변합니다.​물에 넣고 삶을 때는 대략 백 도 이하의 온도에서 조리가 진행됩니다. 이때 날계란 속에 똘똘 뭉쳐 있던 구형의 단백질 분자들이 열에 의해 느슨하게 풀어지면서 서로 스크럼을 짜듯 촘촘하게 엉겨 붙기 시작합니다. 이 단백질들이 거대한 그물망 구조를 형성하면서 계란 내부의 수분을 꽉 붙잡게 되는데, 온도가 올라갈수록 이 결합이 밀도 높고 단단해집니다. 수분을 머금은 채 단백질이 빈틈없이 뭉치기 때문에 베어 물었을 때 탱글탱글하고 단단한 식감을 갖게 됩니다.​반면 고온의 기름에 넣고 튀길 때는 보통 백오십 도 이상의 아주 높은 열이 가해집니다. 계란이 뜨거운 기름에 닿는 순간 계란 내부의 수분이 순식간에 수증기로 변해 부풀어 오르며 밖으로 빠져나갑니다. 이 과정에서 수증기가 탈출한 자리에 미세한 구멍과 공기 주머니들이 무수히 생겨나면서, 삶을 때처럼 단백질이 빽빽하게 뭉치지 못하고 스펀지나 페이스트리 빵처럼 중간중간 빈 공간이 많은 성긴 구조가 됩니다.​여기에 수증기가 빠져나간 빈자리로 기름이 스며들면서 단백질 분자들이 서로 단단하게 결합하는 것을 방해합니다. 결국 삶을 때는 수분을 가둔 채 단백질이 촘촘하게 뭉쳐 단단해지는 것이고, 튀길 때는 수분이 급격히 증발하며 만든 공기층과 기름 성분 덕분에 구조가 성겨져 부드럽고 폭신한 식감이 되는 것입니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.냉동실에 오래 있던 얼음틀을 만질 때 손이 쩍 달라붙는 이유는 손에 있던 수분이 순간적으로 얼어붙으면서 강력한 접착제 역할을 하기 때문입니다.​냉동실 온도는 보통 영하 18도 이하로 매우 낮기 때문에, 그 안에 오래 보관된 얼음틀의 표면 온도 역시 영하의 상태를 유지하고 있습니다. 이 상태에서 우리 손으로 얼음틀을 잡으면, 손 표면에 미세하게 남아 있던 땀이나 수분이 차가운 얼음틀로 열을 급격히 빼앗기게 됩니다.​얼음틀의 온도가 워낙 낮다 보니 손의 체온이 전달되어 얼음틀이 녹는 속도보다, 손에 있던 수분이 영하의 얼음틀 표면에 닿아 얼어붙는 속도가 훨씬 더 빠릅니다. 이 과정에서 순식간에 만들어진 미세한 얼음 알갱이들이 손가락 피부의 미세한 지문 굴곡과 얼음틀 표면 사이를 빽빽하게 채우며 얼어버립니다.​즉, 손의 수분이 얼음틀과 피부를 연결하는 일종의 '얼음 접착제'가 되어 순간적으로 두 표면을 단단하게 고정하기 때문에 손이 달라붙어 잘 떨어지지 않게 되는 것입니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.음식물 쓰레기가 부패할 때 발생하는 악취의 주성분은 낙산, 아세트산, 황화수소 같은 산성 물질들입니다. 단백질과 지방산이 미생물에 의해 분해되면서 생겨나는 이 물질들은 본래 휘발성이 매우 강해서 공기 중으로 쉽게 기화합니다. 기체 상태로 퍼진 분자들이 우리 코의 후각 세포를 자극하기 때문에 우리는 불쾌한 냄새를 맡게 됩니다.​여기에 알칼리성을 띠는 베이킹소다 가루를 뿌려주면 화학적인 중화 반응이 일어납니다. 베이킹소다의 탄산수소나트륨 성분이 음식물 쓰레기 주변의 수분과 만나 알칼리성 용액이 되면, 산성을 띠는 악취 분자들과 결합하여 수소 이온을 주고받는 반응을 거치게 됩니다. 이 과정에서 공기 중으로 날아가던 산성 악취 분자들은 전하를 띤 나트륨염 형태로 구조가 변합니다.​분자 상태일 때는 가볍게 날아다니던 물질들이 중화 반응을 통해 염의 형태로 바뀌면 휘발성을 완전히 잃어버리게 됩니다. 기체로 증발하지 못하고 쓰레기통 바닥의 수분이나 베이킹소다 가루에 이온 상태로 단단히 붙잡히는 것입니다. 결국 후각을 자극하던 악취 원인 물질이 공기 중으로 확산되는 것 자체가 차단되므로 쓰레기통 주변의 불쾌한 냄새가 자연스럽게 사라지게 됩니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.액체 손난로 안에는 아세트산나트륨이 물에 매우 많이 녹아 있는 과포화 용액이 들어 있습니다. 이 물질은 고온의 물에 다량 녹인 후 서서히 식히면, 온도가 낮아져도 고체로 굳지 않고 불안정한 액체 상태를 유지하는 특성이 있습니다.여기에 들어 있는 작은 금속판을 똑딱 꺾으면 순간적인 마찰과 강력한 물리적 충격이 발생합니다. 이 충격이 기폭제가 되어 액체 속에 미세한 고체 씨앗인 결정핵을 형성합니다. 씨앗이 생기는 순간, 불안정한 상태로 존재하던 아세트산나트륨 분자들이 도미노처럼 순식간에 결합하며 하얀 고체 결정으로 변하게 됩니다.이처럼 무질서하게 움직이던 액체 분자들이 규칙적인 고체 배열로 고정되는 과정을 응고라고 합니다. 물질이 액체에서 고체로 상태가 변할 때는 분자가 가진 에너지가 낮아지면서 남은 열을 외부로 방출해야 합니다. 손난로가 순식간에 하얗게 굳어지며 주변을 따뜻하게 만드는 열기의 정체가 바로 이 아세트산나트륨이 액체에서 고체로 응고되면서 뿜어내는 숨은 열, 즉 응고열입니다. 과포화 상태에 갇혀 있던 막대한 에너지가 금속판의 자극으로 인해 한 번에 열에너지로 전환되며 우리 손을 따뜻하게 녹여주는 것입니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.가을철 대기가 극도로 건조해지면 산림 내 목재의 수분 함량이 낮아져 산불 확산 속도가 무섭게 빨라집니다. 목재가 연소하려면 외부 열을 흡수해 성분이 분해되는 열분해 과정을 거쳐 가연성 가스를 배출해야 합니다.여름철처럼 목재 내 수분이 많을 때는 열이 공급되더라도 수분을 증발시키는 잠열로 먼저 소비되므로 목재 자체의 온도가 쉽게 오르지 않습니다. 반면 가을철 건조기에는 수분이라는 열적 방어벽이 사라진 상태입니다. 따라서 화재 발생 시 공급되는 열이 고스란히 목재의 온도를 높이는 데 쓰이며, 열분해 시작 온도까지 도달하는 유도 시간이 극단적으로 단축됩니다.이처럼 빨라진 열분해는 곧바로 폭발적인 가연성 가스 방출로 이어집니다. 수분이 많은 목재는 열분해 시 수증기가 함께 나와 가연성 가스를 희석하고 산소 공급을 차단하지만, 건조한 목재는 불순물 없는 고농도의 메탄, 일산화탄소 등 가연성 가스를 순식간에 뿜어냅니다. 이 가스들이 공기 중의 산소와 만나 격렬한 불꽃을 일으키고, 그 화염이 유발한 고열이 주변의 마른 나무들을 다시 초고속으로 열분해시키는 악순환이 반복됩니다. 결과적으로 불이 붙는 시동 단계와 화력을 키우는 가스 분출 단계가 동시에 가속화되면서 진화가 어려울 만큼 빠른 속도로 번지게 됩니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.주방에서 쓰는 실리콘 조리기구가 높은 온도에서 녹지 않는 이유는 일반 플라스틱과 전혀 다른 화학적 구조를 가지고 있기 때문입니다. 우리가 흔히 아는 플라스틱은 탄소 원자들이 사슬처럼 길게 연결된 구조라서 100도 내외의 열에도 쉽게 결합이 끊어지며 녹아내립니다. 반면 주방용 실리콘은 유리의 주성분이기도 한 규소와 산소가 번갈아 가며 강하게 결합한 실록산 결합을 기본 뼈대로 합니다. 이 규소와 산소의 결합은 탄소 결합보다 훨씬 강력하여 200도가 넘는 고온의 열에너지가 가해져도 쉽게 끊어지지 않고 버텨낼 수 있습니다.​또한 실리콘을 제조하는 과정에서 분자들이 단순히 일렬로 배열되는 것이 아니라 3차원 그물망처럼 서로 촘촘하게 얽히는 구조를 형성하게 됩니다. 이러한 그물망 구조 덕분에 열을 받아도 분자들이 제자리를 유지하며 흘러내리지 않고 고무 같은 유연성과 형태를 유지합니다. 결과적으로 실리콘은 돌이나 유리처럼 열에 강한 무기물의 특성과 고무처럼 말랑말랑한 유기물의 특성을 모두 갖추고 있어서 뜨거운 기름이나 끓는 물에서도 변형 없이 안전하게 사용할 수 있습니다. 다만 불꽃에 직접 닿으면 타버릴 수 있으므로 직화만 주의하면 됩니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.변색 렌즈가 자외선에 따라 색이 변하는 원리는 렌즈 속에 들어있는 특수한 화학 물질이 빛과 반응하여 분자 구조를 바꾸기 때문입니다. 이 렌즈에는 자외선에 민감하게 반응하는 유기 광변색 화합물이 포함되어 있습니다.​실내에 있을 때는 자외선이 없기 때문에 이 물질의 분자 구조가 닫힌 형태를 유지합니다. 이 상태에서는 빛이 렌즈를 그대로 통과하므로 우리 눈에는 일반 안경처럼 투명하게 보입니다. 하지만 야외로 나가 햇빛 속에 포함된 자외선을 받으면, 분자들이 자외선 에너지를 흡수하면서 화학 결합이 열리거나 평평하게 펴지는 형태로 구조가 바뀝니다. 이렇게 구조가 변한 분자들은 가시광선을 흡수하는 성질을 갖게 되어 렌즈 색상이 어둡게 변하고 선글라스처럼 빛을 차단해 줍니다. 자외선이 강할수록 구조가 변하는 분자가 많아져 색이 더 짙어집니다.​다시 실내로 들어와 자외선이 차단되면 분자들은 자극을 잃고 주변의 열에너지를 이용해 원래의 안정적인 닫힌 구조로 되돌아갑니다. 가시광선을 다시 통과시키면서 렌즈는 서서히 원래의 투명한 상태를 회복합니다. 요약하자면 자외선이라는 에너지의 유무에 따라 렌즈 속 화학 물질의 분자 구조가 가역적으로 열리고 닫히면서 색상이 자동으로 조절되는 것입니다.