안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
화학
Q. 18족 비활성 기체는 그 자체가 안정하여 결합을 형성하지 않는다고 배웠는데 가끔가다 결합을 형성하는 이유는 무엇인가요?
네, 말씀해주신 것처럼 8족 비활성 기체가 대부분 결합을 형성하지 않지만, 때때로 화합물을 이루기도 합니다. 18족 비활성 기체(He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn)는 가장 바깥 전자껍질이 가득 찬 상태, 즉 옥텟규칙을 만족하고 있습니다. 이 때문에 전자를 잃거나 얻거나 공유하지 않아도 안정하기 때문에, 대부분 화학적으로 반응하지 않는데요, 따라서 일반적인 반응에서는 에너지를 들여서 결합을 만들 필요가 없고, 반대로 결합을 깨는 에너지가 크므로 잘 반응하지 않습니다.하지만 조건이 특수한 경우에서는 반응이 일어나기도 하는데요, 높은 산화력의 상대 원소와 반응할 때입니다. 예를 들자면 Xe + F₂ → XeF₂, XeF₄, XeF₆을 이룰 수가 있는데요 이때 플루오린(F)은 전기음성도가 매우 높고, 전자를 강하게 끌어당기므로 Xe가 전자를 일부 공유하도록 유도합니다. 또한 전기 방전, 고온, 고압 등으로 비활성 기체의 전자를 들뜨게하여, 전자가 높은 에너지 상태로 올라가게 만들어 반응 가능하게 합니다.또한 질문해주신 것처럼 XeF₄와 같은 화합물을 이룰 수 있는 이유는 Xe는 바깥 전자 8개를 갖고 있지만, 이중 껍질의 d 오비탈을 활용하여 전자를 더 많이 배치할 수 있기 때문인데요, F 원자는 전자를 끌어당겨서 Xe가 전자를 일부 공유하도록 유도합니다. 결과적으로 XeF₄처럼 평면 사각형 구조의 안정한 화합물이 형성됩니다. 감사합니다.
화학
Q. 감자 삼투 현상에 대해 궁금한 점이 있습니다
우선 감자를 소금물에 넣으면 감자가 쪼그라드는데요, 감자 세포 내부에는 물과 용질(주로 전분과 소량의 무기염류)이 들어 있습니다. 이때 감자 외부의 소금물이 세포 내부보다 농도가 높으면, 물이 세포 밖으로 빠져나가면서 세포가 쪼그라듭니다. 반대로, 소금물이 세포 내부보다 농도가 낮으면, 물이 세포 안으로 들어가면서 세포가 팽창합니다. 이 과정이 바로 삼투인데요 즉, 반투과성 막을 통해 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 물이 이동하는 현상입니다.화학II에서 배우는 총괄성은 용액의 삼투 현상 크기와 직결되는데요, 삼투는 용질 종류가 아니라 총 용질 입자의 농도 차이가 핵심입니다. 예를 들어, NaCl 1M는 Na⁺와 Cl⁻로 쪼개져서 총 2 osmol/L 정도의 삼투압 효과를 내며, 따라서 감자를 소금물에 넣을 때 쪼그라드는 정도는 NaCl 농도와 세포 내부 용질 농도의 차이로 예측할 수 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 아레니우스 산염기 정의가 가진 한계는 무엇인가요?
네, 말씀해주신 것처럼 산염기 정의는 크게 3종류로 나뉘게 되는데요, 이중에서 아레니우스 산과 염기 정의의 한계는 정의가 수용액 환경과 특정 반응 유형에 제한되어 있다는 점에 의한 것입니다. 아레니우스 산과 염기 정의에 의하면 산은 수용액에서 H⁺을 방출하는 물질이고 염기는 수용액에서 OH⁻을 방출하는 물질인데요, 즉, 아레니우스 정의는 물에 녹였을 때 H⁺나 OH⁻을 생성하는 것을 산과 염기로 보는 정의입니다.하지만 아레니우스 산과 염기 정의의 한계는 수용액에 한정되는데요, 아레니우스 정의는 반드시 물 용액에서만 적용 가능합니다. 예를 들어서 NH₃(암모니아)는 물에 녹아 NH₄⁺와 OH⁻을 생성하므로 염기로 간주되지만, 비수용성 용매에서는 산과 염기 반응을 설명하기 어렵습니다. 또한 아레니우스 산과 염기 정의를 따르면 OH⁻ 없는 염기 반응을 설명하지 못한다는 한계가 존재합니다. 감사합니다.
화학
Q. 알렌은 카이랄 중심이 없는데도 광학활성인 이유는?
네, 말씀해주신 것처럼 광학활성은 분자 안에 카이랄 중심, 즉 네 가지 다른 치환기를 가진 탄소가 존재할 때 나타나는데요그러나 알렌은 특수한 구조 때문에 카이랄 중심이 없어도 광학활성이 나타날 수 있습니다.알렌은 구조적으로 C=C=C 형태를 가지며, 중앙 탄소는 두 개의 이중결합을 동시에 가지고 있는데요, 이때 중앙 탄소는 sp 혼성화되어 직선형 배치를 하고, 양쪽 말단 탄소는 각각 sp² 혼성화되어 두 개의 이중결합 평면을 형성합니다. 즉, 알렌에서는 두 개의 π결합이 서로 수직한 평면에 놓이게 되는데요, 앞쪽 말단의 두 치환기들은 하나의 평면에 위치하고 있으며 뒤쪽 말단의 두 치환기들은 그 평면에 직교하는 다른 평면에 위치합니다. 이때 만약 알렌의 양 끝에 붙어 있는 두 쌍의 치환기가 각각 서로 다른 종류라면 두 평면에 위치한 치환기들의 배치는 서로 겹칠 수 없는 거울상 이성질체를 만들게 되는데요, 이 경우 분자가 광학활성을 보이는 이유는 중심 원자에 네 치환기가 다르기 때문이 아니라, 전체 분자의 3차원적 배열이 비대칭이기 때문입니다. 이를 축 카이랄성이라고 부릅니다. 감사합니다.
화학
Q. 일반적으로 가정에서 사용하는 제습제는 재활용 가능한가요?
말씀해주신 것처럼 시중에서 흔히 쓰이는 가정용 제습제의 주요 성분은 염화칼슘(CaCl₂)인데요 이 물질은 강한 흡습성을 가지고 있어서 공기 중의 수분을 흡수하여 염화칼슘 수용액 형태로 변합니다. 여기서 중요한 점은, 이 과정이 단순히 물을 빨아들이는 것이 아니라 화학적으로 용해되는 과정이라는 점입니다.즉, 염화칼슘 고체가 공기 중 수분을 흡수하면, 점점 물에 녹아 액체 용액이 되는데요, 따라서 햇빛에 말리거나 드라이어를 사용해도 원래의 고체 염화칼슘으로 되돌아가지 않습니다. 또한 염화칼슘을 고체로 되돌리려면 수분을 증발시켜야 하는데, 이 과정에서 고온이 필요하며 가정용 드라이어나 햇볕 정도로는 불가능하고, 설령 고온에서 수분을 제거해도 순수한 염화칼슘 결정으로 회수하는 것은 실험실 장비가 필요합니다. 따라서 이미 수분을 흡수한 염화칼슘 용액은 제습 용도로 재사용하기 어렵습니다. 감사합니다.
화학
Q. 이산화탄소와 물 분자 구조의 차이에서 비롯되는 극성 여부는 어떤 점이 다른가요?
말씀해주신 것처럼 이산화탄소(CO₂)와 물(H₂O)은 모두 원자들 사이의 공유결합으로 이루어진 분자이며, 각각 산소의 전기음성도가 높아 결합 자체는 모두 극성 결합을 형성하는데요, 하지만 전체 분자가 극성을 가지는지는 분자의 기하학적 구조에 따라 달라지게 됩니다.우선 이산화탄소는 직선형 구조의 분자이며, O=C=O의 구조식을 가지고 있고산소 원자 두 개가 탄소를 중심으로 180°로 배치됩니다. 즉 이때 각 C=O 결합은 극성을 띠지만, 두 벡터가 정반대 방향으로 대칭적으로 존재하기 때문에 서로 상쇄되며 따라서 분자 전체는 비극성 분자에 해당합니다.반면에 물 분자의 경우에는 굽은 형태를 이루고 있으며 이때 결합각이 약 104.5°입니다. 물 분자의 경우에는 산소가 중심에 있고, 수소 두 개가 산소의 비공유 전자쌍 때문에 벌어진 V자 형태를 이루고 있으며 각 O–H 결합이 극성을 띠며, 이 벡터들이 대칭적으로 상쇄되지 않습니다. 그 결과 분자 전체는 극성을 나타내게 되는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 일반적으로 디엔에이가 단백질로 발현되기까지의 흐름을 분자 생물학적 중심 원리라고 하는데 이에 반하는 예시가 있을까요?
네, 말씀해주신 것과 같이 분자생물학적 중심 원리는 DNA → RNA → 단백질이라는 유전 정보 흐름을 설명하는 개념인데요, 그러나 분자생물학이 발전하면서 이 원리에 예외 또는 확장된 경우들이 발견되었고, 특히 역전사는 대표적인 반례로 여겨지고 있습니다. 이와 같은 역전사를 활용하는 대표적인 생명체로는 레트로바이러스가 있는데요, 흔히 HIV(인간 면역결핍 바이러스)라고 알려져 있으며 이들은 RNA를 유전 물질로 가지고 있습니다. 이후 숙주 세포에 들어온 뒤 역전사 효소를 이용해 RNA를 DNA로 변환하는데요, 변환된 DNA는 숙주 세포의 유전체에 통합되어 새로운 바이러스 RNA와 단백질을 합성하는 데 사용되며 즉, 흐름이 RNA → DNA → RNA → 단백질이 됩니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 전사과정에서 왜 RNA에는 티민 대신에 우라실이 들어가나요?
전사 과정에서 RNA에는 DNA와 달리 티민 대신에 우라실이 들어가는 이유는 화학적 안정성과 에너지 효율, 그리고 유전자 보존과 발현의 역할 차이와 관련이 있는데요, 우선 티민(T)은 우라실(U)에 메틸기(-CH₃)가 하나 더 붙어 있는 구조이기 때문에 따라서 우라실은 티민보다 구조가 단순하고 합성 비용, 즉 에너지 소모량이 적습니다.이때 RNA는 DNA처럼 세포에서 오래 보존되는 분자가 아니라, 전사 후 단기간 사용되고 분해되며, 따라서 합성 비용이 더 낮은 우라실을 사용하는 것이 세포 입장에서 효율적입니다. 게다가 DNA는 세포의 유전정보를 장기간 안전하게 저장해야 하므로 더 안정적인 염기가 필요한데요, 티민은 메틸기 덕분에 화학적으로 조금 더 안정적이며, DNA가 긴 세월 동안 변성되거나 분해되는 것을 줄여줍니다.또한 DNA 속 시토신은 시간이 지나면 자발적으로 탈아미노화되어 우라실(U)로 변할 수 있는데요, 만약 DNA에서 원래부터 우라실을 사용했다면, 시토신이 변해서 생긴 우라실과 정상적인 우라실을 구별할 수 없게 됩니다. 따라서 DNA에서는 티민을 사용하여, 만약 U가 나타나면 이는 반드시 돌연변이로 인식하고 DNA 수선 효소가 제거할 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 나비의 수명은 보통 얼마나될까요??
네, 질문해주신 사항에 대해 답변 드리자면 우선 산이나 들에서 흔히 보는 나비는 화려한 성충의 모습이지만, 사실 나비의 생애 대부분은 알, 애벌레(유충), 번데기 시기로 보내고, 우리가 보는 성충 단계는 비교적 짧은 편입니다. 먼저 암컷이 식물 잎에 낳은 알은 보통 수일에서 수주 만에 부화하는데요, 이때 종류와 계절에 따라 길이가 다르지만 대체로 1~3주 정도 지속됩니다. 다음으로 유충 단계는 가장 긴 발달 시기인데요, 먹이식물의 잎을 집중적으로 먹으며 성장하는 시기인데, 보통 수 주~수 개월 지속됩니다. 예를 들어 배추흰나비 애벌레는 약 2~3주, 호랑나비류는 더 길어질 수 있으며 일부 종은 겨울철을 애벌레 상태로 지내며, 이 경우 수개월이 될 수 있습니다.그 다음 과정인 번데기 단계는 애벌레가 번데기로 변해 내부에서 성충 조직을 형성하는 시기인데요 보통 1~3주 정도지만, 월동(겨울잠)을 번데기로 지내는 종은 수개월까지 번데기 상태로 머물 수 있습니다. 마지막 성충 단계가 우리가 보는 날개 달린 나비의 모습인데요, 성충이 된 후에는 더 이상 성장하지 않고, 주된 임무는 짝짓기와 산란입니다. 이때 성충의 수명은 종에 따라 며칠에서 수주, 길게는 수개월 정도입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 천연두에 대해서 자세히 알려주세요!
천연두는 인류 역사상 가장 치명적인 전염병 중 하나였으며, 1980년에 WHO가 공식적으로 박멸을 선언하기 전까지 인류 사회에 큰 영향을 주었던 질병입니다. 천연두의 원인 병원체는 바이러스인데요, 구체적으로는 바리올라 바이러스에 의해 발생하는 것이며 인류와 오랫동안 공진화해온 병원체로, 고대 이집트 미라에서도 천연두 흔적이 발견될 정도로 오래된 바이러스입니다.주로 환자의 침방울(비말), 피부 병변에서 나온 분비물, 또는 오염된 물건을 통해 전염되며 약 12일 정도의 잠복기를 갖습니다. 주요 증상의 진행 양상으로는 갑작스러운 고열, 두통, 근육통, 구토 등 독감과 유사한 증상을 호소하다가 얼굴 → 팔·다리 → 몸통 순으로 발진 발생하며, 변종에 따라 다르지만, 보통형 천연두는 30% 전후의 사망률을 보였습니다.과거 중세시대에는 실질적인 치료법이 없었는데요 즉 환자는 격리되었지만, 치료보다는 열 내리기나 진통 가라앉히기, 수분 공급과 같은 대증요법에 그쳤습니다. 즉 사망률이 높아 "걸리면 운에 맡겨야 하는 병"으로 인식되었습니다. 또한 질문해주신 아프리카 원주민들이 걸리지 않았던 이유는 병원체와 접촉할 기회가 없었기 때문인데요, 천연두는 인류 집단 내에서만 전파되는 바이러스이므로, 일정 규모 이상의 인구가 계속 순환 감염되어야 유지됩니다. 이때 유라시아 대륙은 고대부터 인구 밀도가 높은 도시와 농경 사회가 발달해 있었고, 가축화된 동물과의 밀접한 접촉으로 다양한 병원체가 출현하고 유지되었습니다. 반면, 아메리카와 아프리카 원주민 사회는 상대적으로 인구 규모가 적고, 도시화·가축화가 덜 진행되어 이런 바이러스가 자리 잡고 유지될 조건이 부족했습니다. 감사합니다.