안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
화학
Q. 화학 반응은 크게 산과 염기 반응과 산화 환원 반응으로만 나뉜다고 하는데요. 이 이외의 반응은 존재하지 않는 것인가요?
네, 질문해주신 것처럼 화학 반응을 산–염기 반응과 산화–환원 반응으로만 나누는 것은 산업화학이나 일반 화학 교육에서 주로 사용하는 큰 분류 기준일 뿐, 실제로는 이 외에도 다양한 반응이 존재합니다.산-염기 반응에서는 H+의 이동이 중심이 되며, 산화-환원 반응에서는 전자의 이동이 중심이 되는데요, 이 두 가지는 화학 반응에서 전하와 전자의 이동을 기준으로 큰 틀에서 나눈 분류입니다. 그러나 실제 화학에서는 전자 이동이나 H⁺ 이동 외에도 다른 형태의 화학 변화가 많이 존재하며 그 예시로는 침전반응이 있습니다. 이는 두 수용액을 섞어 불용성 고체(침전물)가 생성되는 반응으로 전자 이동 없이도 일어납니다. 또한 가수분해나 축합반응이 있는데요, 물 분자와 결합하거나, 두 분자가 결합하면서 물이 제거되는 반응입니다. 감사합니다.
화학
Q. 약산의 이온 화도는 왜 묽을수록 증가하는 것인가요?
질문해주신 약산의 이온화도가 농도에 따라 달라지는 이유는 화학 평형과 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있습니다. 약산(HA)은 물에 녹으면 일부만 이온화되어 H⁺와 A⁻를 생성하는데요, 이때 이온화도(α)는 전체 분자 중 몇 %가 이온화되었는지를 나타냅니다. 이때 농도가 낮으면 평형에서 H⁺와 A⁻의 상대적 농도가 더 커야 평형 상수 Ka를 만족할 수 있는데요 즉, 용액이 묽어질수록 평형을 맞추기 위해 더 많은 분자가 이온화되는 것입니다. 반면에 수용액 상태에서 완전히 해리되는 강산의 경우에는 이미 거의 100% 이온화되어 있어, 농도에 따른 변화가 거의 없습니다. 감사합니다.
화학
Q. 방향족 화합물이 향을 나타내는 원리는 무엇인가요?
네, 말씀해주신 것과 같이 방향족 화합물은 벤젠 고리 같은 고리 구조에 π 전자가 비편재화 되어 있는 구조를 가지고 있는데요, 이때 이중 결합과 단일 결합이 교대로 있는 것처럼 보이지만, 실제로 π 전자가 고리 전체에 퍼져 안정화되어 있습니다. 이런 안정화 구조를 방향족성이라고 부릅니다.대부분 방향족 화합물은 비교적 작은 분자량을 가지고 있으며, 휘발성이 높아 공기 중으로 쉽게 증발하는데요 이때 향은 주로 분자가 코 점막의 후각 수용체에 도달해야 느낄 수 있는데, 휘발성이 높아야 효과적입니다. 방향족 고리는 π 전자가 비편재화 되어 있어, 특정 수용체 단백질과 약한 전기적 상호작용이나 π-π 상호작용을 할 수 있는데요, 이러한 상호작용이 후각 수용체를 자극하여 인간이 ‘향’으로 감지하게 되는 것입니다. 또한 벤젠 고리에 결합된 다양한 치환기(-OH, -CH₃, -NO₂ 등)는 분자의 극성과 입체 구조를 바꾸는데요, 이로 인해 후각 수용체와의 결합 방식이 달라져 향의 종류가 다양하게 나타납니다. 감사합니다.
화학
Q. 산과 염기 반응과 산화하는 반응을 구분할 수 있는 방법이 있나요?
산-염기 반응이란 브뢴스테드–로우리 기준에서 산은 수소 이온(H⁺)을 주는 물질, 염기는 수소 이온(H⁺)을 받는 물질이며, 이때 전자가 이동하는 것이 아니라, H⁺ 이온의 이동이 중심입니다.반면에 산화-환원 반응에서는 전자 이동을 포함하는데요, 산화란 전자를 잃는 것을 말하며 이 과정에서 산화수가 증가합니다. 반면에 환원이란 전자를 얻는 것을 말하며 산화수는 감소하게 됩니다. 반응 전후의 원자 산화수 변화를 확인하면 쉽게 구분됩니다. 즉 H⁺이 이동하는가?를 판단하시면 산–염기 반응 가능성이 높으며, 어떤 원자의 산화수가 변했는가?를 판단하시면 산화–환원 반응 가능성이 높고 경우에 따라 두 가지가 동시에 일어날 수도 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 불균등화 반응에서 어떻게 한 화학종이 산화가 될 수도 있고 환원도 될 수 있는 것인가요?
네, 말씀해주신 것과 같이 불균등화 반응이란 자기산화-환원 반응이라고도 불리며, 한 화학종이 동시에 산화와 환원을 겪는 특수한 산화환원 반응을 말합니다. 즉 불균등화 반응은 동일한 화학종이 한쪽은 산화되고 다른 한쪽은 환원되는 반응인데요, 즉, 한 화학종이 자신과 반응하여 두 가지 서로 다른 산화수를 가진 생성물을 만듭니다.산화와 환원은 전자 이동에 의해 정의되는데요, 산화란 전자를 잃는 것을 의미하며 산화수가 증가하며 반대로 환원이란 전자를 얻는 것을 의미하며 산화수 감소를 수반합니다. 불균등화 반응에서는 동일한 화학종 분자나 이온이 서로 전자를 주고받음으로써, 한쪽은 전자를 잃고(산화), 다른 한쪽은 전자를 얻어(환원) 반응이 일어나게 되는 것인데요 즉, 화학종 자체가 산화제이자 환원제 역할을 동시에 수행한다고 보시면 됩니다. 감사합니다.
화학
Q. 염화나트륨(NaCl)은 고체 상태에서는 전기를 통하지 않지만, 수용액에서는 전기를 전도할 수 있는 이유는 무엇인가요?
질문해주신 NaCl이 고체와 수용액에서 전기 전도성이 다른 이유는 이온의 자유로운 이동 여부와 관련이 있는데요, NaCl 고체는 이온 결정 구조를 형성하는데 이떄 Na⁺와 Cl⁻가 규칙적으로 배열되어 있으며, 서로 강하게 정전기적 인력으로 결합되어 있습니다. 전류 전도 조건은 전하를 띤 입자가 자유롭게 움직여야 하는데요, 고체 NaCl에서는 Na⁺와 Cl⁻가 격자에 고정되어 있어 움직일 수 없으므로 전류가 흐르지 않습니다.이때 NaCl을 물에 넣으면, 물 분자의 극성 때문에 Na⁺와 Cl⁻이 격자에서 분리되어 용해되는데요, 이렇게 분리된 이온들은 물 속에서 자유롭게 이동할 수 있으며 자유롭게 움직이는 Na⁺와 Cl⁻이 전하를 운반함으로써 전류가 흐르게 됩니다. 감사합니다.
화학
Q. 뉴스 보다가 지구가 온실효과가 탄소가 증가해서라고 알고 있는데요, 맞지 않나요?
온실효과란 태양에서 지구로 들어오는 단파 복사 에너지는 대부분 지표면에서 흡수되어 다시 장파 복사로 방출되는 과정인데요, 이때 대기 중의 CO₂, CH₄, N₂O, 수증기 등의 온실가스가 일부 적외선을 흡수하고 재방출하여, 지표면 온도를 일정 수준 이상으로 유지합니다. 즉, 온실효과는 지구가 너무 차갑지 않게 하는 자연스러운 현상입니다.하지만 문제가 되는 것은 이러한 온실가스의 증가인데요, 산업혁명 이후 화석연료 연소, 산업, 농업 등의 인간활동으로 CO₂, CH₄, N₂O 등의 농도가 급격히 증가했으며 특히 CO₂ 농도는 약 280 ppm에서 현재 420 ppm 이상으로 증가했습니다. 온실가스가 많아지면 지표면에서 방출되는 열이 더 많이 갇히게 되어 지구 평균기온이 상승하는데요, 이것이 우리가 뉴스에서 흔히 말하는 탄소 증가로 인한 지구 온난화의 핵심입니다. 따라서 지구 온난화의 원인은 대기 중 온실가스 농도 증가, 그 중에서도 탄소(CO₂) 증가가 가장 큰 원인이 맞기 때문에 뉴스에서 말하는 내용은 기본적으로 옳습니다. 감사합니다.
화학
Q. HF는 불소가 산소보다 전기음성도가 큰데도 물보다 끓는점이 낮은데요 이 현상을 어떻게 설명할 수 있을까요?
HF의 끓는점이 H₂O보다 낮은 이유는 결합 구조와 수소 결합의 강도 차이로 인한 것입니다. HF, H₂O 모두 극성 공유결합을 갖지만, HF의 전기음성도 차이(ΔEN)는 H₂O보다 조금 더 크기 때문에 결합 극성은 HF가 더 큰데요, HF 분자는 선형적인 1:1 연결로 약한 수소 결합을 형성합니다. 이때 HF는 F가 단일 전자를 가지므로, 분자 간 연결은 사슬 모양으로만 형성되어 있으며 결과적으로 분자 간 상호작용이 강하지 않아 끓는점이 상대적으로 낮습니다. 반면에 물 분자는 2개의 수소와 2개의 전자쌍을 가지고 있어 4개의 수소 결합을 형성할 수 있는데요, 3차원 격자 구조처럼 분자끼리 강하게 연결되어 있어, 증발시키려면 더 많은 에너지가 필요하고 이로 인해 끓는점이 높습니다. 감사합니다.
화학
Q. 전기음성도 차이가 큰 공유 결합이 반드시 이온 결합으로 간주되지 않는 이유는 무엇인가요?
'전기음성도'는 원자가 공유하고 있는 전자를 끌어당기는 힘을 나타내는 값인데요, 두 원자가 결합할 때 전기음성도 차이(ΔEN)가 크면, 공유 전자가 한쪽으로 치우쳐 결합이 극성화됩니다. 이때 극성 공유결합이란 ΔEN이 약간 크지만, 전자가 완전히 이동하지는 않은 상태를 말하는 것이며, 이온결합이란 ΔEN이 매우 커서 전자가 거의 한쪽으로 이동해 양이온과 음이온을 형성한 상태를 말합니다. 실제 화학 결합은 순수 공유결합과 순수 이온결합 사이의 연속체를 이루고 있는데요 ΔEN이 커도 완전히 전자가 이동하지 않으면, 결합은 여전히 공유적 성질을 일부 가지며, 단순히 이온 결합으로만 정의할 수 없습니다. NaCl처럼 결정 구조를 이루며 전형적인 이온 결합 특성을 나타내는 경우와, HF처럼 ΔEN이 크지만 분자 단위로 존재하며 공유 결합 특성을 유지하는 경우를 구분해야 합니다. HF는 ΔEN 약 1.9로 상당히 큰 편이지만, 분자 내부 공유결합과 수소 결합 구조 때문에 순수 이온결합으로 간주하지 않는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 적정 시험 진행시 지시약은 왜 한 두 방울만 사용 하는 것인가요?
적정시험에 사용하는 지시약은 용액의 pH 변화를 눈으로 확인할 수 있게 색으로 나타내는 물질인데요, 예를 들어서 페놀프탈레인(약염기성 변화를 붉은색으로), 메틸오렌지(산성에서 황색, 산성으로 변하면 빨간색)가 있습니다. 적정에서는 당량점에서 색이 바뀌는 지점을 시각적으로 확인하는 것이 목적입니다. 이때 지시약을 소량만 사용하는 이유는 용액 성질을 변화시키지 않기 위함인데요, 지시약도 화학물질이므로, 많이 넣으면 용액의 pH나 반응 균형에 영향을 줄 수 있습니다. 특히 약산-강염기, 약염기-강산 적정에서는 지시약 농도가 높으면 당량점 근처 pH를 조금씩 이동시켜 오차가 발생할 수 있습니다. 또한 적은 양이면 용액 전체에 충분히 섞여도 색이 연하게 나타나므로, 당량점 근처의 작은 pH 변화에도 색 변화가 뚜렷하게 관찰됩니다. 반면에 많이 넣으면 색이 너무 진해져서, 작은 pH 변화가 눈으로 구분되지 않기 때문에 소량을 사용하는 것입니다. 감사합니다.