안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
화학
Q. 농도차 전지의 전압을 발생시킬 수 있는 원리는 무엇인가요?
안녕하세요. 농도차 전지는 겉으로 보면 같은 금속과 같은 금속 이온만이 관여하기 때문에 전압이 발생할 것 같지 않지만, 사실은 용액 내 이온 농도의 차이가 가지는 열역학적 불균형 때문에 전압이 생기는 것인데요, 전위차가 생기는 이유는 금속 전극과 용액 사이에는 항상 평형 전위가 형성되는데, 이 전위는 용액 속 금속 이온의 농도에 의존하기 때문입니다. 예를 들어서 [Cu2+]가 높은 쪽은 전극이 상대적으로 더 높은 환원 성향을 보이고, 반대로 [Cu2+]가 낮은 쪽은 금속이 이온으로 용해되려는 경향이 더 커지기 때문에 따라서 두 전극 사이에 전위차인 전압이 생기는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 산화수를 부여할 때 우선순위는 어떻게 되나요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 산화수를 정하는 규칙은 전자 이동을 단순화해서 화합물 내 각 원자가 전자를 얼마나 얻거나 잃은 것처럼 보이는지를 정해주는 일종의 규칙인데요 모든 경우에 예외가 없지는 않지만, 일반적으로 산화수를 부여할 때는 우선순위 규칙이 존재합니다. 우선은 원소가 단독으로 존재할 때, 예를 들자면 H₂, O₂, Na, Cl₂의 경우에는산화수 = 0입니다. 다음으로 단원자 이온의 산화수는 이온의 전하와 같은데요, 예를 들자면 Na⁺는 +1, Cl⁻는 -1입니다. 다음으로 알칼리 금속은 항상 +1이고, 알칼리 토금속은 항상 +2이며, 플루오린은 전기음성도가 가장 크기 때문에 -1이며, 수소는 비금속과 결합했을 때에는 +1이고, 금속과 결합했을 때에는 -1입니다. 감사합니다.
화학
Q. 전이 원소들의 전기 음성도와 이온화 에너지가 주기적 성질의 일반적 경향과 어떻게 다른가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 d오비탈에 전자를 채우는 전이 원소의 주기적 성질은 s, p 블록 원소들의 일반적인 주기적 경향과는 다른 양상을 보이는데, 이는 d 오비탈 전자들의 특성과 차폐 효과 때문이라고 생각하시면 됩니다. 우선 s, p 블록을 기준으로 했을 때 일반적으로 전기음성도는 같은 주기에서 오른쪽으로 갈수록 높아지고, 같은 족에서 아래로 내려갈수록 낮아지며, 이온화에너지는 같은 주기에서 오른쪽으로 갈 수록 증가하고, 같은 족에서는 아래로 내려갈 수록 감소하는 경향을 나타냅니다. 이는 오른쪽으로 갈수록 유효핵전하(Zeff)가 증가, 아래로 갈수록 원자 반지름이 증가하기 때문입니다. 하지만 이와는 달리 전이 원소의 경우에는 d 오비탈이 채워지면서, 핵과 외곽 전자 사이 차폐 효과가 증가하기 때문에 결과적으로, 전이 원소에서는 주기 내에서 전기음성도 증가가 완만하거나 거의 일정한데요, 따라서 전이 원소의 전기음성도는 같은 주기의 s, p 블록 원소에 비해 상대적으로 낮고, 변화 폭도 작습니다. 감사합니다.
화학
Q. 왜 알칼리 금속은 반응성이 매우 크고 알칼리 토금속은 상대적으로 반응성이 낮은가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 1족과 2족 금속은 모두 외각 전자를 잃어 양이온이 되려는 성향이 반응성에 영향을 미치는데요, 우선 1족에 해당하는 알칼리 금속은 최외각 전자가 1개이기 때문에 쉽게 전자를 잃고 1가 양이온이 되며 높은 반응성을 나타냅니다. 다음으로 2족에 해당하는 알칼리 토금속은 최외각 전자가 2개이며 두 전자를 잃어야 안정화되기 때문에 1족 금속에 비해서 상대적으로 반응성이 낮은 것입니다. 즉 1족 금속은 단 한 번의 전자 손실만으로 반응 가능 하기 때문에 반응성이 높은 것이지만 2족 금속은 두 번의 전자 손실이 나타나야 하기 때문에 반응성이 상대적으로 낮은 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 단백질을 검출할 때 사용하는 뷰렛 반응은 산화환원 반응으로 어떻게 설명 가능한가요?
안녕하세요. 질문해주신 뷰렛 반응은 알칼리성 용액에서 펩타이드 결합(-CO-NH-)과 Cu²⁺ 이온이 만나 보라색 착화합물을 형성하는 반응인데요 일반적으로 단백질 내 최소 2개 이상의 펩타이드 결합이 필요하며, 착화합물 형성을 통해 시각적 검출이 가능합니다. 이때 Cu²⁺는 d⁹ 전자 배치를 가지며, 펩타이드 결합의 질소 원자의 비공유 전자쌍과 배위 결합을 형성하는데요, 배위 결합을 형성하게 되면서 Cu²⁺의 d 오비탈 에너지 준위가 분리되며 d 오비탈로의 전자 전위가 발생 하고 특정 파장대역을 흡수하면서 보라색 착색이 나타나는 것입니다. 즉, 이 단계 자체는 착화합물 형성에 의한 전자 이동이지, Cu²⁺의 실제 산화 상태 변화가 반드시 일어나는 산화환원 반응은 아니라고 할 수 있겠습니다. 감사합니다.
화학
Q. 뷰렛 반응 시에 전자 구조적으로 어떤 변화가 착색을 유발하나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 단백질 검출 시 사용하는 뷰렛 반응은 펩타이드 결합(-CO-NH-)과 Cu²⁺ 이온이 만나 보라색 착화합물을 형성하는 반응인데요, 알칼리성 용액(NaOH 존재)에서 반응이 잘 일어납니다. 이때 색 변화는 전자 전이, 즉 전자 구조 변화에 의해 발생합니다. 구리 이가 이온은 d⁹ 전자 배치를 가진 이온인데요, 알칼리성 조건에서 [Cu(OH)₄]²⁻ 또는 Cu²⁺ 수산화 착물 형태로 존재합니다. 이때 펩타이드 결합의 질소와 산소는 비공유 전자쌍을 가지고 있는데요 이때 질소 원자는 전자쌍을 구리 이온과 공유하여 배위 결합을 형성합니다. 즉 Cu²⁺가 질소 원자의 비공유 전자쌍과 배위 결합을 형성하는데, 이때 펩타이드 결합의 전자가 Cu²⁺의 d 오비탈과 상호작용하는 것입니다. 착색은 d 오비탈의 전자 전이로 인한 것인데요, Cu²⁺의 d 오비탈이 펩타이드 결합과 배위 결합을 형성하면서 에너지 준위가 분리되는데, 광자가 Cu²⁺ 착화합물에 흡수되면서 하위 d 오비탈 전자가 상위 d 오비탈로 전이되고 특정 파장의 빛이 흡수되고, 흡수되지 않은 빛의 보색이 나타기 때문에 뷰렛 반응에서는 보라색 착색이 나타나는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 산소 분자가 무극성 분자인데 이런 성질을 이용한 일상생활에서 이용하는 경우가 있나요?
안녕하세요. 네, 우선 말씀해주신 것과 같이 산소(O₂)는 두 개의 산소 원자가 동일하게 결합하여 전자를 공유하고 있는데요, 따라서 분자 전체의 전기적 쌍극자가 없으므로 물과 같은 극성 용매에는 용해도가 낮고, 비극성 용매에는 상대적으로 잘 녹습니다. 또한 무극성 분자는 반데르발스 힘으로만 서로 상호작용하기 때문에 기체 상태에서는 분자 간 상호작용이 약합니다. 산소는 무극성이라 비극성 용매에 비교적 잘 녹는다는 성질을 이용해 산소 분리 및 저장이 가능한데요 예를 들자면 액체 질소 또는 액체 산소 저장 시, 산소를 극성 용매 대신 비극성 용매와 접촉시켜 용해도를 조절하기도 합니다. 또한 무극성 성질 때문에 물 속에서의 산소 용해도가 낮기 때문에 물고기 양식이나 산업용 수처리에서 산소 공급이 필요하며 이를 위해 공기 압력이나 기포 발생 장치를 이용하는데요, 산소가 물에 제한적으로 용해되므로 적절한 농도 유지가 가능합니다. 감사합니다.
화학
Q. 전지 반응에서 전지의 흐름과 이온의 이동은 어떠한 방향으로 일어나나요?
안녕하세요. 네, 전지는 양극과 음극이라고 하는 두 개의 전극과 전해질로 구성되는데요, 음극은 우선 전자를 방출하는 전극을 의미하며, 여기에서는 전자를 방출하기 때문에 산화가 일어납니다. 반대로 양극은 전자를 받는 전극을 의미하며 이곳에서는 환원이 일어납니다. 전자는 외부 회로를 통해 이동하는데요, 산화가 일어나는 쪽에서 환원이 일어나는 쪽으로, 즉 음극에서 양극 방향으로 진행되며 이때 외부 회로에서 전자가 흐르면서 전류가 발생합니다. 또한 이와 같은 산화환원 반응과 함께 전해질에서는 전기적 중성 유지를 위해 이온이 이동하는데요, 양이온은 음극쪽으로 이동하고, 음이온은 양극쪽으로 이동하게 됩니다. 이렇게 전자와 이온의 흐름이 동시에 이루어져야 전류가 흐르고 전지가 정상적으로 작동할 수 있는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 전자 친화도와 전기 음성도의 정확한 차이는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 전자 친화도와 전기 음성도는 유사해보이지만 차이가 있는 개념입니다. 우선 전자 친화도란 중성 원자가 전자를 하나 얻어 음이온이 될 때 방출되거나 흡수되는 에너지를 말하는 것인데요, 일반적으로 에너지가 방출되면 값은 양수로 표현되며, 방출 에너지가 클수록 전자를 얻기 쉬운 원소입니다. 또한 전자 친화도의 물리적인 의미에 대해 말씀드리자면 이는 원자가 실제로 전자를 받아 음이온이 될 때 에너지 변화를 나타내는 것으로 전자 친화도가 크다는 것은 전자를 받고 싶어하는 성향이 강함을 의미합니다. 반면에 전기음성도란 공유 결합 내에서 원자가 전자를 끌어당기는 상대적 능력을 말하는 것인데요 즉, 화합물 속에서 전자 밀도를 끌어당기는 힘을 나타내는 상대적인 척도라고 할 수 있습니다. 이와 같은 전기음성도의 물리적인 의미는 화학 결합에서 원자가 전자쌍을 끌어당기는 성질을 말하는 것으로 EN이 클수록 극성 결합 형성 가능성이 증가하며, 음전하를 끌어당기는 성향 역시 증가합니다. 감사합니다.
화학
Q. 산화와 환원은 반드시 동시에 일어날 수 밖에 없나요?
안녕하세요. 네, 산화-환원 반응은 '동시성'을 특징으로 합니다. 우선 산화란 전자를 잃어서 산화수가 증가하는 반응을 의미하며, 환원이란 전자를 얻어서 산화수가 감소하는 반응을 말하는 것입니다. 이때 전자는 원자 사이에서 이동하지만, 전자의 총 수는 보존되어야 하는데요 즉 어떤 원자가 전자를 잃으면, 반드시 다른 원자가 그 전자를 받아야만 전체 전하가 보존됩니다. 따라서 산화와 환원은 동시에 일어나는 쌍을 이루는 반응이라고 할 수 있는 것입니다. 예를 들자면 Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu라는 반응에서 Zn은 2개의 전자를 잃고 산화되며, 반면에 Cu²⁺는 2개의 전자를 얻고 환원됩니다. 즉, 두 과정이 동시에 일어나야 반응이 가능하며, 전자의 수가 맞지 않으면 반응이 진행되지 않습니다. 감사합니다.