안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
화학
Q. 갈바닉 전지에서 염 다리는 어떤 역할을 하며 없을 경우에는 전지 반응이 어떻게 달라지나요?
네, 질문해주신 것처럼 갈바닉 전지에서 염 다리는 단순한 연결 부품이 아니라, 전지가 지속적으로 작동할 수 있게 해 주는 핵심 장치인데요, 염 다리의 중요한 역할은 '전하 평형 유지'입니다. 전극 반응이 진행되면, 산화 전극(음극)에서는 금속이 전자를 잃고 금속 이온이 용액으로 들어가므로 양이온 농도가 점점 많아지며 반대로 환원 전극(양극)에서는 금속 이온이 전자를 받아 고체 금속으로 석출되므로 용액 속 양이온 농도가 줄고 상대적으로 음전하(음이온)가 많아집니다. 이렇게 되면 전하 불균형이 커져 전자의 흐름이 곧 멈추게 되는데요, 이때 염 다리는 이를 막기 위해, 보통 KNO₃, KCl과 같이 반응에 직접 관여하지 않는 전해질 용액을 채워 넣어 양쪽 전해질 용액 사이에서 이온의 이동 통로 역할을 합니다. 즉, 음극 쪽에는 음이온이 이동해와서 과도한 양전하를 중화시키고, 양극 쪽에는 양이온이 이동해와서 과도한 음전하를 중화시키게 되는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 갈바니 전지에서 기전력을 증가시킬 수 있는 요인은 무엇이 있나요?
네, 질문해주신 것과 같이 갈바니 전지에서 기전력(E)은 두 전극에서 일어나는 산화·환원 반반응의 전위차로 결정되며, 이는 열역학적으로 반응의 자발성을 반영하는데요, 따라서 전지의 기전력을 크게 만들려면 두 전극의 전위차를 벌려 주는 요인들이 필요합니다. 우선 산화되기 쉬운 금속, 즉 전위가 매우 낮은 금속을 음극으로, 환원되기 쉬운 이온, 즉 전위가 높은 반응을 양극으로 선택하면 전위차가 커지기 때문에 기전력을 증가시킬 수 있습니다. 또한 산화 전극 용액의 농도를 낮추면 산화가 잘 일어나게 되고 이로 인해 기전력이 증가하며, 환원 전극 용액의 농도를 높이면 환원이 잘 일어나기 때문에 기전력을 증가시킬 수 있습니다. 마지막으로 Nernst 식에 온도가 들어가기 때문에, 반응의 엔트로피와 자유에너지 변화에 따라 기전력이 온도 의존성을 가질 수 있는데요, 일반적으로 온도를 높이면 전위차가 커지는 경우도 있지만, 반드시 항상 증가하는 것은 아니며 반응에 따라 다릅니다. 감사합니다.
화학
Q. 기전력은 세기성질에 속하는데 어떻게 더하고 뺄 수 있나요?
네, 말씀해주신 것과 같이 전기화학에서 다루는 기전력(E°) 은 양에 따라서 값이 변하지 않는 세기성질에 해당합니다. 세기 성질은 질량이나 부피처럼 크기에 의존하지 않는 성질이므로, 보통은 단순히 더하거나 빼는 것이 잘 어울리지 않아 보일 수 있는데요 기전력은 산화·환원 반반응을 조합할 때 더하고 빼는 방식으로 계산할 수 있는데, 이는 기전력이 직접 더해지는 것이 아니라 Gibbs 자유에너지 변화(ΔG)가 더해지는 과정의 결과이기 때문입니다.전기화학 반응에서 자유에너지 변화는 ΔG = -nFE라고 표현할 수 있는데요, 이때 전지의 기전력 자체는 세기 성질이지만, ΔG는 광의적 의미에서 크기성질이므로 반응이 합쳐질 때 단순히 더해질 수 있는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 산과 그 짝염기의 평형 상수를 곱하면 물의 자동이온화 반응에서의 평형상수가 되는 이유는 무엇인가요?
네, 질문해주신 것과 같이 산의 해리 평형상수(Ka)와 짝염기의 염기 해리 평형상수(Kb)가 곱해지면 물의 자동 이온화 평형상수 Kw가 되는 이유는, 두 반응이 사실상 같은 전체 반응, 즉 물의 이온화을 다른 경로로 표현한 것과 관련이 있습니다. Ka는 산이 H⁺를 내놓는 성향을, Kb는 짝염기가 OH⁻를 만드는 성향을 나타내는데요, 이 두 반응은 사실상 하나의 큰 반응(물의 자동 해리)을 두 부분으로 쪼개어 본 것이고, 따라서 곱하면 최종적으로 물의 평형상수가 되기 때문에 질문 주신 것처럼 Ka x Kb = Kw 형태의 식이 성립하는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 강산과 약산의 기준이 평형상수 1로 구분지어지는 이유는 무엇인가요?
네, 말씀해주신 것과 같이 산의 세기를 구분할 때 평형상수(Ka)를 사용하는데, 이 값이 1보다 크면 강산, 1보다 작으면 약산이라고 설명하는 이유는 산의 해리 반응이 얼마나 완전히 일어나는지를 수학적으로 표현한 기준과 관련이 있습니다.평형상수 Ka값은 평형상태에서의 반응물과 생성물의 농도로 표현하게 되는데요 이러한 평형상수 값은 산 해리 반응이 오른쪽으로 얼마나 기울었는가를 나타내는데, 값이 1을 기준으로 반응물과 생성물의 크기가 역전되기 때문에, 그 지점을 강산과 약산을 나누는 경계로 삼는 것입니다. 다만 일반적으로 강산은 수용액에서 완전히 해리되는 산이라고 정의하고, Ka가 아주 크거나 무한대에 가까운 경우로 설명하는 반면, 약산은 Ka가 1보다 훨씬 작은 경우에 해당한다고 구분합니다. 즉, Ka = 1 근처에 있는 경계 상황은 실제 물질에서는 거의 나타나지 않고, 실제 강산들은 Ka가 10⁵ 이상처럼 매우 큰 값입니다. 감사합니다.
화학
Q. 갈바니 전지에서 염다리가 있어야지만 전류가 지속적으로 흐르는 것 있는 이유는 무엇인가요?
네, 맞습니다. 말씀해주신 것과 같이 갈바니 전지에서 염다리는 단순한 보조 장치가 아니라 전류를 지속적으로 흐르게 하는 핵심 장치입니다. 갈바니 전지에서는 산화–환원 반응이 두 전극에서 분리되어 일어나는데요, 전자는 외부 도선을 따라 이동하지만, 용액 속 이온의 불균형이 생기면서 곧 전류가 끊기게 됩니다. 이렇게 되면 전하 불균형 때문에 더 이상 전자의 이동이 불가능해지는데, 이때 염다리에는 전해질이 들어있어서 이와 같은 전하 불균형을 해소해주고 이를 통해 두 용액의 전기적 중성이 유지되고, 전자가 계속 흐를 수 있게 되는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 주기율표에서 주기적 성질이 규칙적으로 변화할 수 있는 원리가 무엇인가요?
질문해주신 것처럼 주기율표에서는 원자 반지름, 이온화에너지, 전자 친화도, 전기음성도, 산화수 등의 주기적 성질이 규칙적인 변화를 보이는데요, 이는 원자의 전자배치와 유효핵전하로 설명할 수 있습니다.원자는 중심의 양전하를 띤 원자핵과, 그 주위를 도는 전자들로 이루어져 있는데요, 원자핵의 양전하 크기는 원자번호(Z)에 의해 결정되고, 전자의 분포는 전자껍질과 전자배치에 의해 정해집니다. 이때 원자가 전자를 잡아당기는 힘은 단순히 핵전하(Z)로 결정되는 것이 아니라, 내부 전자들이 외부 전자를 가려주는 차폐 효과까지 고려한 값이 중요한데요, 이를 유효핵전하라고 하며, 대체로 오른쪽으로 갈수록 커지고, 아래로 갈수록 작아집니다. 예를 들어서 원자 반지름으로 설명해드리자면, 같은 주기에서 오른쪽으로 갈수록 원자핵에 양성자가 늘어나 유효핵전하가 커지므로 전자가 더 강하게 끌려 반지름이 줄어들게 되며 같은 족에서는 아래로 갈수록 전자껍질 수가 늘어나므로 반지름이 커집니다. 감사합니다.
화학
Q. 주기율표에서 금속과 비금속의 경계선은 어디인가요?
주기율표에서 금속은 전자를 잃고 양이온이 되기 쉽고, 전기·열 전도성이 있으며, 광택과 전성 및 연성을 가지는 원소를 말하고, 비금속은 전자를 얻거나 공유하여 화합물을 형성하고, 전기·열 전도성이 낮으며, 기체나 부서지기 쉬운 고체 형태로 존재하는 경우를 말합니다. 이때 금속과 비금속의 경계는 계단선이라고 불리는 사선 형태로 나타나는데요, 이 경계선은 붕소(B)에서 시작하여 규소(Si) – 비소(As) – 텔루륨(Te) – 아스타틴(At) 쪽으로 이어지며 계단선의 왼쪽과 아래쪽은 금속, 오른쪽 위쪽은 비금속이 주로 위치합니다. 또한 질문해주신 준금속은 경계선 위에 있거나 그 근처에 위치하고 있는데요, 대표적인 준금속으로는 B, Si, Ge, As, Sb, Te, At이 있으며 이들은 금속적 성질과 비금속적 성질을 동시에 가지는 특성이 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 꿀은 왜 상하지 않는 식품으로 불리나요??
네, 말씀해주신 것과 같이 꿀은 쉽게 상하지 않는 식품에 해당합니다. 꿀의 당 함량은 약 80% 정도로 매우 높은데요, 이 높은 당 농도는 삼투압이 매우 높아 미생물이 생존하기 어렵게 만듭니다. 또한 고농도로 인해서 만일 미생물이 침입했다고 하더라도 물이 미생물 내부로 빠져나가 탈수 현상이 일어나며, 세포가 생존할 수 없게 됩니다. 그래서 대부분의 박테리아와 곰팡이가 꿀 안에서 번식하지 못하는 것입니다. 또한 꿀의 수분 함량은 약 15~20% 정도로, 식품에서 미생물이 증식하기 위해 필요한 수분이 부족한데요, 이와 같이 수분 활성이 낮으면 미생물의 생육과 효소 활동이 억제되어 장기간 보관이 가능합니다. 게다가 꿀에는 과산화수소(H₂O₂)가 소량 포함되어 있어, 세균과 곰팡이를 억제하는 역할을 할 수 있으며 또한 꽃에서 유래한 폴리페놀, 플라보노이드 같은 천연 항균 성분이 있어 보존성을 높입니다. 감사합니다.
화학
Q. 화합물의 산화수를 결정할 때 전위원소의 산화수를 가장 나중에 결정하는 이유는 무엇인가요?
질문해주신 것과 같이 화합물의 산화수를 결정할 때 전이 금속의 산화수를 마지막에 결정하는 이유는, 전이 금속이 다른 전형원소보다 산화수가 다양한 경우가 많기 때문입니다. 산화수는 원자가 전자를 갖는 가상의 수로, 화합물에서 전자를 완전히 이동시킨다고 가정할 때의 전하를 나타냅니다. 이때 Fe, Cu, Mn, Cr 등 전이 금속은 여러 산화수(+2, +3, +6 등)를 가질 수 있는데요 O, H, Cl과 같은 전형원소는 대부분 일정한 산화수를 가지므로 먼저 결정하면 전체 전하 균형을 이용해 전이 금속의 산화수를 쉽게 구할 수 있습니다. 반면에 전이 금속은 착이온이나 다원자 리간드와 결합하여 산화수가 화합물마다 달라질 수 있는데요, 따라서 다른 원소의 산화수를 먼저 결정한 후 남은 전하로 산화수를 계산하는 것이 효율적입니다. 감사합니다.