안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
화학
Q. 전지에서 전해질이 중요한 역할을 하는 이유는 무엇인가요?
전지에서 전해질은 단순히 용액에 녹아 있는 이온이 아니라, 전류가 흐르도록 하는 핵심 매개체 역할을 하는데요, 가장 큰 역할은 '이온 전도 매개체' 역할을 수행할 수 있다는 점입니다. 전지는 전자를 외부 회로로 흐르게 하는 산화-환원 반응이 일어나지만, 전해질이 없으면 전자를 따라갈 이온이 부족한데요, 전해질 속 양이온과 음이온이 전극 사이에서 전하 균형을 맞추며 이동하는 과정에서 전류를 유지할 수 있습니다. 또한 전지의 안정성에도 관여하는데요, 적절한 전해질은 전극과 반응하면서 불필요한 부반응을 최소화하며 전해질이 전극 표면에서 보호막을 형성해 전극 손상을 방지하게 됩니다. 전해질이 불안정할 경우 여러가지 문제가 발생할 수 있는데요, 우선 전해질이 불안정하면 이온 이동이 느려져 내부 저항 증가하기 때문에 전류가 약해지고 전지 효율 감소할 수 있습니다. 또한 전해질이 전극과 화학적으로 반응하여 가스가 발생하거나 전극이 손상될 수 있으며, 예를 들어서 수계 전해질에서 전압이 높으면 물이 분해되어 H₂와 O₂가 발생하게 됩니다. 감사합니다.
화학
Q. 공유 결합에 설명하는 분자 궤도함수 이론과 혼성 궤도 이론은 어떠한 점에서 다른 것인가요?
혼성 궤도 이론과 분자 궤도함수 이론은 모두 공유결합과 분자의 구조를 설명하는 이론이지만 차이가 있습니다. 우선 혼성 궤도 이론의 경우 원자 궤도를 혼합하여 새로운 혼성궤도를 만들고, 이 혼성궤도끼리 결합하여 분자 구조를 설명하는 이론인데요, 주로 공유결합의 기하학적 배열과 결합 각도를 설명할 때 사용됩니다. 원자 중심 관점에서 볼 때 각 결합은 특정 원자의 혼성궤도에서 형성되며 단순한 분자 구조와 결합 방향 예측에 적합하며, 결합 각도와 기하 구조를 직관적으로 설명 가능하다는 장점이 있습니다. 다음으로 분자 궤도 함수 이론은 분자 전체의 원자 궤도를 결합하여 분자 궤도 형성한다는 이론으로 전자는 분자 전체를 덮는 궤도 안에서 존재하며 σ 결합, π 결합, 결합/반결합 오비탈을 설명 가능합니다. 분자 전체 중심 관점에서 보기 때문에 전자가 분자 전체에 걸쳐 분포한다고 보는 것이며 결합 에너지, 전자 구조, 자성까지 설명 가능하다는 장점이 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 공유 결합의 극성이 분자의 전체 극성과 반드시 일치하지 않는 이유는 무엇인가요?
네, 말씀해주신 것과 같이 공유 결합이 극성을 갖는다고 해서 분자 전체가 반드시 극성을 가지는 것은 아닌데요, 그 이유는 분자의 3차원 구조와 결합 쌍극자들의 벡터 합을 고려해야 하기 때문입니다. 우선 전기음성도의 차이로 인해 전자 구름이 한쪽으로 치우친 결합을 극성 공유결합이라고 하는데요, 예를 들어서 H–Cl 결합에서 Cl 쪽으로 전자 구름이 치우치며 결합 쌍극자가 발생하게 됩니다. 다음으로 분자의 극성이란 분자 내 모든 결합 쌍극자의 벡터 합인데요, 단순히 결합 하나가 극성을 갖는다고 해서 분자 전체가 극성을 갖는 것은 아닙니다. 각각의 결합이 극성이라고 하더라도 전체 분자는 극성을 나타내지 않을 수 있는데요, 예를 들어서 대칭 구조를 이루는 CO2의 경우 두 C–O 결합은 극성이지만, 방향이 반대이기 때문에 쌍극자가 서로 상쇄되면서 분자 자체는 비극성을 이루게 되는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 산과 염기의 중화 반응에서 생성되는 염은 어떤 기준으로 산정되나요?
산과 염기가 반응하면 일반적으로 물과 염이 생성되는데요, 이때 생성되는 염의 종류는 반응에 사용된 산과 염기의 종류에 따라 결정됩니다. 우선 산과 염기의 종류로는 강산+강염기 조합이 있는데, 이 경우에는 중성염이 형성되며 pH=7이 나타납니다. 다음으로 강산+약염기의 조합으로는 산성염이 형성되므로 이때 pH는 7보다 작습니다. 약산+강염기 조합에서는 염기성염이 형성되기 때문에 pH는 7보다 크며, 약산+약염기 조합에서는 중성, 산성 또는 염기성염이 형성될 수 있으므로 정확한 pH는 Ka/Kb 비율로 결정하게 됩니다. 감사합니다.
화학
Q. 왜 탄소 NMR은 수소 NMR보다 노이즈가 심한 것인가요?
네, 말씀해주신 것과 같이 탄소 NMR은 수소 NMR에 비해서 노이즈가 심합니다. 자연계에 존재하는 탄소는 거의 질량수 12 C는 약 98.9%이고, NMR에서 신호를 낼 수 있는 질량수 13 C는 약 1.1%밖에 되지 않는데요 반면에 수소의 경우 질량수 1 H는 거의 100% 존재하므로 모든 수소 원자가 신호를 내는데 반해, 탄소는 시료에 들어 있는 원자 중 아주 일부만 NMR에 기여합니다. 따라서 신호가 약하고 상대적으로 노이즈가 크게 보이는 것입니다.또한 대부분의 NMR 실험에서는 시료를 녹이기 위해 CDCl₃와 같은 용매를 사용하게 되는데요, 이때, 완전히 100% 중수소화된 용매만 있는 것이 아니고, 아주 소량의 1H 또는 13C가 포함되어 있습니다. 예를 들어 CDCl₃ 용매에서는 C가 13C일 수 있으며, 이 경우 특정한 용매 피크가 13C NMR 스펙트럼에 나타나는 것이며 즉, 용매 자체의 탄소가 신호를 내기 때문에 용매 피크가 보이는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 질량수가 12인 탄소로는 왜 NMR을 찍을 수 없나요?
네, 질문해주신 것처럼 질량수가 12인 탄소(¹²C)는 NMR 핵자기공명 신호를 낼 수 없기 때문에 관측이 불가능하고, 대신 ¹³C 동위원소만이 NMR에 활용되는 것입니다. NMR(핵자기공명분광법)은 원자핵이 외부 자기장 속에서 특정한 자기 모멘트를 가져야만 가능한데요, 즉, 핵스핀(I) 값이 0이 아닌 핵만이 NMR 신호를 낼 수 있습니다. 이때 질량수가 12인 탄소의 경우에는 양성자와 중성자가 모두 6개씩 존재하기 때문에 짝수, 짝수 조합이므로 핵스핀이 0이 되며, 자기 모멘트가 없기 때문에 외부 자기장에 반응하지 않고 NMR로 관측 불가한 것입니다. 반면에 질량수 13인 탄소의 경우에는 양성자는 6개 존재하지만 중성자가 7개 존재하기 때문에 핵스핀이 1/2이고, 자기 모멘트를 가지기 때문에 외부 자기장과 상호작용 할 수 있어서 NMR로 관측 가능한 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 글리옥시좀은 퍼옥시좀으로부터 유래한 것이라고 알고 있는데 어떠한 기능적 차이가 있나요?
네, 말씀하신 대로 글리옥시좀은 식물의 특정 발달 단계에서 나타나는 퍼옥시좀의 특수화된 형태라고 볼 수 있는데요 우선 둘 다 인지질 이중층으로 이루어진 단일막으로 둘러싸여 있으며 내부에 카탈라아제와 여러 산화효소를 포함하고 있고, 과산화수소(H₂O₂)를 생성하고 분해하는 산화환원 대사에 관여한다는 점에서 공통점을 지닙니다. 차이점으로는 우선 퍼옥시좀은 긴 사슬 지방산의 β-산화에 관여하며 광호흡 과정에서 글리콜산을 글리옥실산으로 전환한다는 점, 독성 물질 해독을 할 수 있으며 동물과 식물 모두에 존재한다는 점이 있습니다. 하지만 글리옥시좀은 퍼옥시좀의 기능을 기반으로 하면서, 글리옥실산 회로를 수행한다는 점이 특징인데요 지방산으로부터 아세틸-CoA를 거쳐 숙신산을 형성하는 경로를 통해 저장 지질을 당으로 전환하는 대사 경로를 담당하고 있으며 이 숙신산은 미토콘드리아와 세포질을 거쳐 포도당 신생합성으로 이어집니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 세포소기관 관찰 시 세포를 초음파 처리하여 터트리는 이유는 무엇인가요?
네, 말씀해주신 것과 같이 세포소기관을 관찰하거나 분리할 때는 세포막만 적절히 파괴해서 내부 소기관을 꺼내는 것이 목적인데요, 따라서 이 과정에서 사용하는 방법에 따라 소기관이 보존되기도 하고 손상되기도 하는데, 바로 이 점 때문에 초음파 처리 같은 비교적 약한 방법을 사용하는 것입니다. 우선 세포소기관은 기본적으로 막 구조로 되어 있는데요, 이때 SDS 같은 강한 계면활성제는 세포막뿐 아니라 소기관 막까지 용해시켜 버립니다. 그러면 세포소기관의 구조가 파괴되어 형태 관찰이나 기능 분석이 불가능해지기 때문에 따라서 세포막만 깨뜨리고 소기관은 온전하게 남기려면 초음파, 미세한 기계적 분쇄, 삼투 충격 같은 물리적 방법을 사용하는 것입니다. 즉 초음파는 강도를 조절할 수 있어서 세포막만 터뜨리고, 상대적으로 견고한 이중막 소기관은 남겨둘 수 있는데요 이후 차등적 원심분리를 통해 크기나 밀도에 따라 소기관을 분리할 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 식물의 원형질 연락사를 통해서는 거대 분자도 이동할 수 있는 이유가 무엇인가요?
네, 말씀하신 원형질 연락사는 식물세포가 서로 연결되는 특수한 통로로, 동물세포의 간극연접과 유사한 점이 있는데요, 우선 동물세포가 가지고 있는 간극연접은 동물세포 사이의 얇은 단백질 통로로 코넥신 단백질로 이루어져 있으며직경이 약 1~1.5 nm 정도로 매우 좁습니다. 이 크기 때문에 이온, 아미노산, ATP 같은 작은 분자만 통과 가능하며 따라서 단백질이나 핵산 같은 거대 분자는 절대 통과할 수 없습니다. 다음으로 식물세포가 가지고 있는 원형질연락사는 세포벽을 관통하는 채널 구조인데요 내부에 소포체의 연속 구조가 지나가며, 이를 둘러싼 세포질 공간이 존재합니다. 이 세포질 공간을 통해 물질이 이동하는데요, 직경이 간극연접보다 훨씬 크며, 단순 확산 외에도 조절된 단백질-단백질 상호작용을 통해 통로 크기가 변할 수 있습니다. 즉 원형질 연락사를 통해 거대 분자의 이동이 가능한 이유는 원형질 연락사의 기본 구경은 약 2~3 nm로 시작하지만, 특정 단백질이 작용하면 최대 수십 nm까지 확장될 수 있기 때문인데요, 따라서 단순 소분자뿐 아니라 단백질, mRNA, siRNA 같은 거대 분자도 세포 간 이동 가능합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 삼투압에 따른 수액의 종류와 투여 목적!
우선 저장액에서는 세포 외액의 농도가 세포 내보다 낮기 때문에 물이 세포 안으로 이동하면서 세포가 팽창하게 됩니다. 대표적인 수액으로는 0.45% NaCl가 있으며, 세포 내 수분을 공급해야 할 경우나 탈수로 세포가 수축한 경우 보정하기 위한 것이며 다만 과량 투여 시 세포가 과도하게 팽창하여 적혈구 용혈이나 뇌부종 유발 가능합니다.다음으로 등장액에서는 세포 내외의 삼투압이 거의 동일하기 때문에 물 이동이 거의 없는데요 이로 인해 세포의 부피 변화 역시 없습니다. 대표적인 수액으로는 0.9% NaCl가 있으며, 혈관 내 체액량 보충을 위한 것이고 탈수 보정 시 가장 많이 사용되는 기본 수액입니다. 마지막으로 고장액에서는 세포 외액의 농도가 세포 내보다 높기 때문에 물이 세포 밖으로 이동하면서 세포가 수축하게 됩니다. 대표적인 수액으로는 3% NaCl, 5% NaCl가 있으며, 저나트륨혈증 교정이나 뇌압 상승 시 뇌부종 감소 목적으로 사용됩니다. 감사합니다.