안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
화학
Q. 농도차 전지의 전압을 발생시킬 수 있는 원리는 무엇인가요?
안녕하세요. 농도차 전지는 겉으로 보면 같은 금속과 같은 금속 이온만이 관여하기 때문에 전압이 발생할 것 같지 않지만, 사실은 용액 내 이온 농도의 차이가 가지는 열역학적 불균형 때문에 전압이 생기는 것인데요, 전위차가 생기는 이유는 금속 전극과 용액 사이에는 항상 평형 전위가 형성되는데, 이 전위는 용액 속 금속 이온의 농도에 의존하기 때문입니다. 예를 들어서 [Cu2+]가 높은 쪽은 전극이 상대적으로 더 높은 환원 성향을 보이고, 반대로 [Cu2+]가 낮은 쪽은 금속이 이온으로 용해되려는 경향이 더 커지기 때문에 따라서 두 전극 사이에 전위차인 전압이 생기는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 산화수를 부여할 때 우선순위는 어떻게 되나요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 산화수를 정하는 규칙은 전자 이동을 단순화해서 화합물 내 각 원자가 전자를 얼마나 얻거나 잃은 것처럼 보이는지를 정해주는 일종의 규칙인데요 모든 경우에 예외가 없지는 않지만, 일반적으로 산화수를 부여할 때는 우선순위 규칙이 존재합니다. 우선은 원소가 단독으로 존재할 때, 예를 들자면 H₂, O₂, Na, Cl₂의 경우에는산화수 = 0입니다. 다음으로 단원자 이온의 산화수는 이온의 전하와 같은데요, 예를 들자면 Na⁺는 +1, Cl⁻는 -1입니다. 다음으로 알칼리 금속은 항상 +1이고, 알칼리 토금속은 항상 +2이며, 플루오린은 전기음성도가 가장 크기 때문에 -1이며, 수소는 비금속과 결합했을 때에는 +1이고, 금속과 결합했을 때에는 -1입니다. 감사합니다.
화학
Q. 전지 반응에서 전지의 흐름과 이온의 이동은 어떠한 방향으로 일어나나요?
안녕하세요. 네, 전지는 양극과 음극이라고 하는 두 개의 전극과 전해질로 구성되는데요, 음극은 우선 전자를 방출하는 전극을 의미하며, 여기에서는 전자를 방출하기 때문에 산화가 일어납니다. 반대로 양극은 전자를 받는 전극을 의미하며 이곳에서는 환원이 일어납니다. 전자는 외부 회로를 통해 이동하는데요, 산화가 일어나는 쪽에서 환원이 일어나는 쪽으로, 즉 음극에서 양극 방향으로 진행되며 이때 외부 회로에서 전자가 흐르면서 전류가 발생합니다. 또한 이와 같은 산화환원 반응과 함께 전해질에서는 전기적 중성 유지를 위해 이온이 이동하는데요, 양이온은 음극쪽으로 이동하고, 음이온은 양극쪽으로 이동하게 됩니다. 이렇게 전자와 이온의 흐름이 동시에 이루어져야 전류가 흐르고 전지가 정상적으로 작동할 수 있는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 산화와 환원은 반드시 동시에 일어날 수 밖에 없나요?
안녕하세요. 네, 산화-환원 반응은 '동시성'을 특징으로 합니다. 우선 산화란 전자를 잃어서 산화수가 증가하는 반응을 의미하며, 환원이란 전자를 얻어서 산화수가 감소하는 반응을 말하는 것입니다. 이때 전자는 원자 사이에서 이동하지만, 전자의 총 수는 보존되어야 하는데요 즉 어떤 원자가 전자를 잃으면, 반드시 다른 원자가 그 전자를 받아야만 전체 전하가 보존됩니다. 따라서 산화와 환원은 동시에 일어나는 쌍을 이루는 반응이라고 할 수 있는 것입니다. 예를 들자면 Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu라는 반응에서 Zn은 2개의 전자를 잃고 산화되며, 반면에 Cu²⁺는 2개의 전자를 얻고 환원됩니다. 즉, 두 과정이 동시에 일어나야 반응이 가능하며, 전자의 수가 맞지 않으면 반응이 진행되지 않습니다. 감사합니다.
화학
Q. 산화환원 반응에서 자발성을 예측할 때 표준 전극전위이를 이용하는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 산화환원 반응에서 자발성을 표준 전극전위(E°)를 이용해 판단하는데요, 산화환원 반응은 전자 이동으로 이루어집니다. 자발적 반응은 전자 이동이 자연스럽게 일어나며, 자유에너지가 음수인 반응인데요, 따라서 E가 양수이면 ΔG
화학
Q. 산화수의 개념과 실제 전자 이동은 어떠한 차이가 있나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 산화수는 원자가 화합물에서 전자 소유권을 가상으로 배분했을 때의 전하 상태를 나타내는 수치를 말하는 값인데요, 즉, 실제 전자를 반드시 잃거나 얻는 것은 아니지만, 산화·환원 반응을 계산하고 반응을 균형 맞추기 위해 편의상 부여하는 가상의 전하입니다. 즉 산화수라는 것은 가상의 전하 배분이라고 생각하시면 되는 것이고, 실제 전자의 이동은 물리적으로 전자가 이동하는 현상입니다. 이때 산화수는 화합물의 구조가 단순한 경우 정확히 전자 이동과 일치하지만, 공유 결합이 매우 극성적이지 않거나 금속 착물처럼 전자가 부분적으로 분포된 경우 산화수 변화가 실제 전자 이동과 완전히 일치하지 않을 수 있습니다. 따라서 산화수 개념은 전자 이동을 계산하고 산화-환원 반응식을 균형 맞추는 편리한 도구로 사용될 수 있지만 실제 전자 이동은 물리적, 양자화학적 측정이 필요할 수 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 브뢴스테드 로우리 산 염기 정의는 아레니우스 정의와 어떤 점이 다른가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 아레니우스 정의와 브뢴스테드–로우리 정의는 모두 산과 염기를 설명하지만, 적용 범위와 개념 확장성에서 큰 차이가 있는데요 우선 아레니우스 정의의 경우에는 산은 수용액 상태에서 양성자를 내놓는 물질이고, 염기는 수용액 상태에서 수산화 이온을 내놓는 물질입니다. 하지만 이 정의는 물(H₂O) 용매에 국한된다는 한계가 있는데요, 반면에 브뢴스테드 로우리 정의에서는 따로 수용액 환경이라는 조건 없이 산은 양성자를 내놓는 물질, 염기는 양성자를 받는 물질을 말하는 것입니다. 즉 브뢴스테드 로우리 정의의 경우에는 다양한 용매 및 기체 상태 반응에도 적용 가능하다는 장점이 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 생체 내에서 일어나는 효소 반응이나 단백질의 구조적 안정성에 있어서 PH가 중요한 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 질문해주신 것과 같이 생체 내에서 pH가 효소 반응과 단백질 구조 안정성에 중요한 이유는, 단백질과 효소가 가진 이온화 가능한 곁사슬의 상태가 pH에 따라 달라지고, 이로 인해 구조적 안정성과 촉매 활성이 크게 영향을 받기 때문입니다. 단백질은 아미노산으로 이루어져 있고, 아미노산의 곁사슬에는 –COOH, –NH₂, –OH, –SH 같은 이온화 가능한 작용기가 있는데요 pH가 변하면 이 작용기들에 변화가 생깁니다. 그 결과 수소 결합, 이온 결합, 소수성 상호작용 등이 바뀌면서 단백질의 3차원 구조가 안정되거나 무너질 수 있으며 극단적인 경우 단백질이 변성되어 기능을 잃을 수도 있습니다. 또한 효소의 활성 부위에는 반응을 촉매하는 데 중요한 아미노산 곁사슬이 자리하고 있는데요 예를 들어, 히스티딘(His)의 이미다졸기나 아스파르트산(Asp), 글루탐산(Glu)의 카복실기, 라이신(Lys)의 아미노기가 전자 주고받기에 핵심 역할을 하며 이 작용기들의 해리 상태는 pH에 따라 달라지므로, 효소가 기질을 안정적으로 결합하고 반응을 촉매하는 능력도 특정 pH 범위에서만 최적화됩니다. 따라서 각 효소는 고유한 최적 pH를 가지기 때문에 단백질의 구조적 안정성에 있어서 pH는 중요한 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 닭이 먼저인가요 달걀이 먼저인가요 궁금합니다
안녕하세요. 네, 질문해주신 '닭이 먼저인가, 달걀이 먼저인가'에 대해서 과학적인 관점에서 답변해드리자면 알이 먼저입니다. 우선 달걀은 단순히 닭의 알만 뜻하지 않고, 더 넓게는 껍질에 싸인 생식 세포를 의미할 수 있는데요, 즉 파충류, 양서류, 곤충들도 모두 알을 낳습니다. 따라서 달걀 자체는 닭보다 훨씬 오래 전, 수억 년 전부터 존재해왔으며 이와 같은 진화론적인 관점에서는 달걀이 먼저입니다. 물론 범주를 다르게 설정하여 만약 '닭이 낳은 달걀'이라는 의미로 질문한다면 조금 다를 수 있는데요, 최초의 닭은 닭의 직접 조상인 붉은야계 등 원시 조류가 돌연변이나 유전자 재조합을 통해 새로운 종으로 구분될 수 있을 만큼의 차이를 가지게 되었을 때 생겼습니다. 그 순간은 닭의 조상이 낳은 알 속 배아에서 최초의 ‘닭’이 태어난 것이기 때문에 따라서 이 관점에서는 닭이 먼저라고 할 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 특수 전사인자가 인핸서 서열을 인식할 수 있는 원리는 무엇인가요?
안녕하세요. 특수 전사인자가 인핸서 서열을 인식할 수 있는 원리는 크게 DNA 염기서열의 특이성과 단백질의 구조적 특이성 때문인데요, 우선 인핸서에는 특정 전사인자가 결합할 수 있도록 특정한 염기서열 모티프가 존재합니다. 예를 들어, 많은 전사인자가 인식하는 공통적인 서열 패턴은 팔린드롬 구조나 반복된 짧은 서열이 존재하며 따라서 전사인자는 무작위로 DNA에 결합하는 것이 아니라, 자신이 높은 친화도를 가지는 염기 배열을 선택적으로 인식할 수 있는 것입니다. 또한 특수 전사인자는 DNA 결합 도메인을 가지고 있으며, 이 도메인이 DNA의 특정 구조적 특징을 인식하는데요, 이러한 구조적 도메인 덕분에 전사인자는 DNA의 주홈에서 개별 염기의 수소결합, 소수성 상호작용, 전기적 인력 등을 통해 특정 염기 배열을 직접 읽을 수 있는 것입니다. 감사합니다.