안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
화학
Q. 대기 오염이 도심 건출물의 외벽 부식에 미치는 화학적 과정
네, 말씀해주신 것처럼 대기 오염이 도심 건축물의 외벽 부식을 일으키는 화학적 과정은 주로 산성 물질과 산화제가 건축 자재와 반응하는 데서 비롯된 것입니다. 주요 대기 오염물질에는 다음과 같은 것들이 있는데요, 우선 이산화황 (SO₂), 삼산화황 (SO₃)은 대기 중 수분과 반응해 황산(H₂SO₄) 생성하며 질소산화물 (NO, NO₂)은 대기 중에서 산소와 반응하여 질산(HNO₃) 형성합니다. 다음으로 이산화탄소 (CO₂)는 물과 반응해 탄산(H₂CO₃)을 생성하며, 오존(O₃), 과산화수소(H₂O₂)는 강한 산화제로서 표면의 금속 및 유기물 산화를 촉진합니다. 이와 같은 물질들이 비, 안개, 습기와 결합하면 산성비, 산성 안개, 습식 침착물을 형성하고, 건물 외벽에 흡착되거나 스며들면서 화학반응을 일으키는 것입니다.또한 석회암(CaCO₃)이나 대리석은 주성분이 탄산칼슘인데요, SO₂, NO₂, CO₂ 등이 물과 결합해 산(H₂SO₄, HNO₃, H₂CO₃)을 만들면 생성된 CaSO₄(석고)는 수용성이어서 쉽게 씻겨 나가고, 표면이 거칠어지며 마모됩니다. 따라서 고대 석조 건축물이 대기 오염이 심한 도시에 있으면 표면이 점차 깎이고 검게 변색되는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 적정 시험에서 사용하는 지시약은 어떤 조건에 따라서 다르게 사용하는 것인가요?
네, 말씀해주신 것처럼 적정 시험에서 사용하는 지시약은 중화점의 pH 범위와 지시약의 변색 구간이 얼마나 잘 일치하느냐에 따라서 달라집니다. 우선 중화점이 pH 7 부근인 경우에는 반응이 급격하게 pH가 변하기 때문에, 변색 범위가 7 근처에 있는 지시약을 쓰면 됩니다. 반면에 중화점이 pH 7보다 낮은 산성 조건에서는 종말점에서 용액이 산성을 띠므로 산성 영역에서 색이 변하는 지시약을 선택해야 합니다. 이와는 반대로 중화점이 pH 7보다 높은 염기성 조건에서는 종말점에서 용액이 염기성을 띠므로 염기성 영역에서 색이 변하는 지시약을 사용합니다.마지막으로 중화점 부근에서 pH 변화가 완만하게 나타나는데요 따라서 종말점을 명확히 알기 어렵습니다. 따라서 일반적인 산-염기 지시약은 적합하지 않고, pH meter기를 활용하여 전위차 적정 같은 전기적 방법을 사용하는 것이 보통입니다. 감사합니다.
화학
Q. 적정시험 진행 시에 중화점을 찾기 위해 사용하는 지시약의 원리는 무엇인가요?
산-염기 적정에서 사용하는 '지시약'은 단순히 색깔을 바꾸는 물질이 아니라, 자체가 약산 또는 약염기이면서 그 이온형과 분자형이 서로 다른 색을 띠는 특성을 활용한 시약을 말하는 것입니다. 산-염기 지시약은 보통 약산 또는 약염기 성질을 가지는데요 일반적으로 HIn(산성형)과 In⁻(염기형)으로 존재할 수 있습니다. 여기서 HIn과 In⁻은 서로 다른 구조를 가져, 서로 다른 색을 나타냅니다. 이때 지시약이 색깔을 나타내는 원리는 용액의 pH가 낮으면 H⁺가 많아져서 평형이 왼쪽으로 치우치며 HIn 형태를 이루면서 특정 색을 이룹니다. 다음으로 용액의 pH가 높으면 H⁺가 적어져서 평형이 오른쪽으로 치우치며 In⁻ 형태를 이루면서 다른 색을 나타내게 되며, 즉 pH 변화에 따라 지시약의 산성형과 염기형 비율이 바뀌며 색이 달라집니다. 또한 지시약마다 pKa 값이 있으며, 이 값 근처에서 색이 변하는데요, 일반적으로 pKa ± 1 범위가 “변색 구간”이 됩니다.실험을 통해 적정 농도를 알아내는 과정에서 산과 염기의 농도를 모를 때, 중화점을 찾기 위해 지시약을 넣는데요, 적정이 진행되면 용액의 pH가 변하고, 중화점 부근에서 지시약이 급격히 색을 바꾸기 때문에 종말점을 관찰할 수 있습니다. 따라서 실험에서는 중화점의 pH와 지시약 변색 구간이 잘 겹치는 지시약을 선택하는 것이 중요합니다. 감사합니다.
화학
Q. 이산화탄소 농도가 높으면 왜 산성도가 강해지나요?
네, 질문해주신 것처럼 이산화탄소 농도가 높아지면 산성도가 강해지는데요, 산성도가 강해지는 이유는 화학적 평형 반응에 있습니다. 우선 이산화탄소(CO₂)는 물(H₂O)에 녹으면 단순히 기체 상태로 머무는 것이 아니라 화학 반응을 일으키는데요, 용해된 CO₂ 일부는 물과 반응하여 탄산(H₂CO₃)을 형성합니다. 생성된 탄산은 약산으로서 수소이온(H⁺, 양성자)을 방출할 수 있는데요, 즉, 이산화탄소 농도가 높을수록 물속의 H⁺ 이온 농도가 증가하게 되고, pH가 낮아져 산성도가 강해지는 것입니다. 정리해드리자면 CO₂가 많이 녹을수록 탄산(H₂CO₃)도 더 많이 만들어지는데요, 탄산이 많아지면 그만큼 더 많은 H⁺가 방출됩니다. 따라서 pH는 점점 더 낮아지고, 용액은 강하게 산성화되는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 완충용액은 산, 염기의 비율이 어느 정도일 경우를 의미하나요?
네, 말씀해주신 것처럼 완충용액의 핵심은 약산과 그 짝염기 또는 약염기와 그 짝산이 모두 존재하는 상태인데, 이들의 비율이 어느 정도일 때 실제로 완충 작용이 잘 일어나는지가 중요합니다. 이론적으로는 약산과 짝염기가 모두 존재하기만 하면 완충 작용은 일어나는데요 하지만 실질적으로는 두 성분의 농도 차이가 너무 크면, 한쪽 성분이 거의 다 소모되어 버리므로 완충 효과가 떨어집니다. 즉, 약산과 짝염기의 비율이 1:10에서 10:1 사이일 때 완충 용액으로서 의미가 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 완충용량과 최대완충용량용액은 어떻게 다른건가요?
네, 완충용액을 이해할 때 완충용량과 최대 완충용량 용액은 비슷해 보이지만, 의미와 조건이 다른 개념입니다. 우선 완충용량이란 외부에서 강산이나 강염기를 넣었을 때, 용액의 pH가 얼마나 잘 변하지 않고 버틸 수 있는지를 나타내는 저항 능력을 말하는 것인데요, 수치적으로는 보통 용액 1리터의 pH를 1 단위 변화시키는 데 필요한 강산 또는 강염기의 몰 수로 정의합니다. 즉, 완충용량이 클수록 더 많은 산·염기를 넣어도 pH 변화가 적습니다.다음으로 최대 완충용량 용액은 완충용량이 가장 큰 상태의 완충용액을 의미합니다. 이는 약산과 그 짝염기의 농도가 같을 때를 의미하는 것이며 이때 용액의 pH는 약산의 pKa와 같습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 아무래도 여름에는 녹조현상이 심할텐데요, 기사에 많이 접하지는 많지 않다 보니까요, 현재는 어떠할까요?
네, 녹조현상은 강이나 호수, 저수지 같은 담수에서 조류 특히 남세균이 이상 증식하여 물 표면이 녹색으로 변하는 현상을 말하는 것인데요 현시점의 대한민국 주요 강과 저수지에서는 여전히 녹조현상이 심각한 수준입니다. 낙동강 전 구간에서 남조류 세포 수가 매우 높은 수준으로 측정되었으며, 일부 지역에서는 ‘관심’ 이상의 조류경보가 여전히 유지되고 있는데요, 아무래도 폭염과 높은 수온 및 영양염류 유입 증가 조건이 여전히 유지되고 있고, 이에 따라서 정부 및 지자체의 적극적인 대응에도 불구하고 완전 해소는 어려운 상황입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 우리가 흔히 먹는 과일, 채소는 사실 대부분 인류가 개량한 것이라는데 원래 모습은 얼마나 달랐을까요?
네, 말씀해주신 것과 같이 쉽게 볼 수 있는 과일과 채소는 사실 대부분 수천 년에 걸쳐 인류가 선택적으로 개량한 결과물입니다. 예를 들어, 옥수수는 현재 우리가 먹는 달콤하고 알이 큰 형태와 달리, 원래는 멕시코 지역에서 자라던 테오신트라는 풀에서 유래했는데요, 이 시기만 해도 씨앗 알갱이가 몇 개 안 되고 단단해서 사람이 직접 씹어 먹기 어려운 수준이었습니다. 인류가 더 많은 알갱이, 부드러운 식감, 높은 영양가를 기준으로 선택하면서 지금의 옥수수가 된 것입니다. 또한 바나나 역시 야생종은 씨앗이 크고 과육이 적어서 먹기 힘든 과일이었는데요, 우리가 아는 씨 없는 바나나는 사실상 자연 상태에서는 스스로 번식이 어렵고, 사람의 손을 거쳐서만 유지되는 품종입니다.이처럼 우리가 먹는 과일·채소 대부분은 자연 상태의 야생종과는 상당히 달라졌고, 심지어 어떤 것은 인간이 없으면 스스로 유지될 수 없는 수준까지 개량되었습니다. 사실 자연은 항상 변화하고, 생물은 환경과 상호작용하면서 진화해 왔는데요 인간의 선택적 개량도 넓게 보면 ‘자연 선택’의 한 형태, 즉 인간이라는 환경 요인에 의한 선택이라고 볼 수 있습니다. 따라서 우리가 보는 ‘야생 그대로의 자연’도 사실은 수천만 년의 진화와 환경 적응의 산물이니, 절대적인 “순수한 자연”이라는 개념은 존재하기 어렵습니다. 다만 구분하자면, 인간의 의도적 개입이 최소화된 상태를 야생 자연이라 하고, 인간의 목적에 따라 선별된 결과를 재배종이라고 말할 수 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 최근 고온다습한것도 문제지만 옷장내 곰팡이로 머리가 아프네요
시중에서 흔히 볼 수 있는 반영구적 제습제는 대부분 흡습 후 건조하면 다시 사용 가능한 제품인데요, 대표적인 예시로는 실리카겔이나 제올라이트가 있습니다. 이와 같은 제습제는 기체 상태의 수분을 흡수한 후 포화되면 열이나 햇빛으로 건조했다가 다시 사용 가능합니다. 반면에 염화칼슘 제습제는 소금처럼 수분과 반응하여 액체로 변하는 성질이 있어, 일단 흡습하면 다시 말려도 완전히 재사용하기 어려우며 즉 소모형이라고 볼 수 있습니다. 따라서 반영구적 재사용이 가능하려면 실리카겔이나 제올라이트 제품을 선택하는 것이 좋습니다. 감사합니다.
화학
Q. 실제 기체에 대해서는 반데르발스 방정식을 어떤 식으로 보정할 수 있나요?
네, 말씀해주신 것처럼 실제 기체는 이상 기체와 달리 분자의 부피와 분자 간 상호작용을 무시할 수 없기 때문에, 이상 기체 방정식 PV=nRT를 그대로 적용하면 오차가 발생합니다. 이를 보정하기 위해 반데르발스 방정식이 사용되는데요, 이 식은 첨부한 사진과 같이 보정을 하게 됩니다. 즉, 실제 기체 분자 사이에는 약한 인력이 작용하는데요, 분자들이 서로 끌어당기므로 이상기체보다 실제 압력이 낮게 측정됩니다. 이를 보정하기 위해 특정 갑을 원래 압력에 더해 이상기체 방정식에 적용합니다.다음으로 실제 분자는 크기가 있어 완전히 점과 같은 존재가 아닙니다. 이상기체 가정에서는 분자 부피를 무시하지만, 고압에서는 분자 자체가 차지하는 공간이 커지는데요, 따라서 전체 부피에서 분자 부피에 해당하는 nb를 빼서 유효 부피로 사용하게 됩니다. 감사합니다.