안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
화학
Q. SN2 반응이 일어날 때 입체화학적인 전환이 일어나는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 SN2 반응은 단일단계반응으로 진행되는 친핵성 치환 반응입니다. 친핵체(Nu⁻)와 기질(R-LG) 모두 속도 결정에 관여하며, 친핵체가 탄소 중심과 동시에 결합하고, 이탈기가 방출된 후 테트라헤드럴 중간체를 거치지 않고 바로 전환된다는 특징이 있습니다. 이때 SN2는 후면 공격만 가능한데요, 카이랄 탄소가 있다면, 이탈기와 반대편에서 친핵체가 접근하게 되는 것입니다. 이유는 탄소가 sp³ 혼성이기 때문에 테트라헤드럴 구조를 가지고 있는데, 이탈기의 전방에서 공격하면 전자 구름 간 반발로 인해 입체장애가 크기 때문에 후방에서 공격하여 이탈기와 전자쌍 이 겹치지 않게 하는 것입니다. 이로 인하여 친핵체가 들어가면 이탈기가 떠나면서 입체 배열이 반대로 뒤집히게 됩니다. 감사합니다.
화학
Q. 카이랄 중심을 갖는 분자의 광학적 활성은 어떻게 측정할 수 있나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 카이랄 중심을 가진 분자는 광학적 활성을 나타내는데, 이것은 빛의 편광 방향을 회전시키는 성질로 측정할 수 있습니다. 카이랄 분자란 거울상과 겹치지 않는 구조, 외부에서 본 대칭성이 없는데요, 이러한 분자는 편광된 빛을 통과시키면, 편광면을 회전시키는 능력 보유하고 있습니다. 일반적으로 나트륨 D선(589 nm) 사용하며 이때 빛은 단일 평면으로 편광됩니다. 이 상황에서 카이랄 화합물을 용매에 녹여 시료관에 넣으면 편광면이 회전되고, 회전각 α를 측정하게 되는 것입니다. 이렇게 하면 다른 실험 조건에서도 광학적 활성을 표준화하여 비교 가능합니다. 감사합니다.
화학
Q. 알코올과 에터는 같은 산소를 포함하지만 반응성이 크게 다른 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 알코올과 에터는 둘 다 산소를 포함하지만 화학적 반응성은 크게 다릅니다. 우선 알코올의 경우에는 산소는 비공유 전자쌍을 갖고, 수소와 결합된 형태로 O–H 결합을 가지고 있습니다. 산소가 부분 음전하(δ⁻), 수소가 부분 양전하(δ⁺)를 가지기 때문에 산성을 나타내는 수소 존재하며 O–H 결합으로 인해 친핵성, 염기성 및 수소결합 형성이 가능합니다. 이때 알코올 산소는 비공유 전자쌍을 이용해 카보닐 탄소 등 친전자성 중심을 공격 가능한데요 결과적으로 친핵성, 산성 반응에 모두 반응 가능하기 때문에 반응성이 높습니다. 다음으로 에터의 경우에는 산소는 두 개의 탄소와 결합하고 있으며 O–H 결합은 가지고 있지 않습니다. 이때 산소가 외부 H 결합이 없고, 탄소와 공유 결합만 하고 있기 때문에 산소의 전자쌍은 존재하지만, 탄소가 전자를 강하게 당기면서 전자 밀도가 감소합니다. 즉 일반적인 조건에서 카보닐 탄소나 양이온 중심에 잘 공격하지 않게 되는 것이고 따라서 알코올보다 반응성이 낮고 안정하기 때문에 용매로 적합한 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 할로겐 원소들이 산화제로 작용할 때 세기가 서로 다른 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 17족 할로겐 원소(F, Cl, Br, I)가 모두 전자를 얻기 쉬운 산화제지만, 원소별 산화력이 다릅니다. 할로겐 원소는 외곽 전자배치가 ns²np⁵이기 때문에 전자를 하나만 얻으면 안정한 8전자의 옥텟구조를 만족할 수 있습니다. 이때 전기음성도가 높을수록 전자를 강하게 끌어당기기 때문에 산화제로서의 세기가 증가하게 됩니다. 따라서 플루오린(F₂)가 가장 강한 산화제, 아이오딘(I₂)은 가장 약한 산화제라고 할 수 있습니다. 또한 이를 결합에너지로도 설명이 가능한데요, 할로겐 X₂ 분자는 X–X 단일결합으로 연결되어 있는데, 이때 X–X 결합이 강하면 분자가 깨지기 어려워 전자 흡수가 덜 일어나며 산화제 세기가 약화됩니다. 또한 원자가 클수록 전자를 얻는 에너지(EA)가 감소하기 때문에 산화력이 약화되며 F, Cl, Br, I 순서로 전자 친화도 감소 하기 때문에 산화력이 감소한다고 보셔도 됩니다. 감사합니다.
화학
Q. 실제 기체가 이상 기체와 유사한 거동을 보이는 조건은 언제인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 실제 기체가 이상기체와 거의 유사하게 거동하는 조건은 분자 간 상호작용과 분자 부피의 영향을 최소화한 상황에서라고 할 수 있습니다. 우선 이상기체의 경우 말씀해주신 것과 같이 자체 부피를 무시하고 분자간의 인력과 반발력을 무시하는데요, 반면에 실제기체의 경우 분자 자체 부피 존재하기 때문에 고압에서 부피를 무시할 수 없으며, 분자 간 인력과 반발력이 존재하기 때문에 낮은 온도에서 응축, 응결이 가능하기 때문에 PV = nRT가 완전히 성립하지 않습니다. 단, 실제 기체가 이상 기체처럼 행동하는 조건이 있는데요, 저압 고온 조건이면 됩니다. 압력이 낮으면 분자 사이 평균 거리 증가하는데요 따라서 분자 부피와 상호작용이 무시될 정도로 작아집니다. 또한 온도가 높아질 경우에는 분자의 운동에너지가 증가하며 분자 간 인력보다 운동 에너지가 훨씬 크기 때문에 상호작용 효과를 무시할 수 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 스트레스가 인간의 생리적 반응에 어떻게 영향을 미치게 되나요
안녕하세요. 스트레스는 단순한 심리적 느낌이 아니라, 인간의 생리적 반응 전반에 깊게 관여하며, 여러 호르몬과 신경계 경로를 통해 신체 기능을 조절하는데요, 이때 스트레스란 외부 환경이나 내적 상황에 의해 신체가 요구되는 변화에 적응하는 과정이라고 볼 수 있습니다. 급성 스트레스의 경우에는 단기간, 위협적 상황에 대응하는데 도움이 될 수 있으나 만성 스트레스의 경우에는 장기간 지속, 적응 실패 시 건강에 문제를 야기할 수 있습니다. 스트레스는 크게 신경계와 내분비계를 통해 생리적 반응을 유발하는데요, 스트레스 상황으로 인해 시상하부가 자극되면CRH를 분비하여 뇌하수체 전엽을 자극합니다. 이때 뇌하수체 전엽에서는 ACTH가 분비되며, 이로 인해 부신 피질에서 코티솔이 분비됩니다. 코티졸은 혈당 증가, 단백질 분해, 면역 억제 기능을 담당하고 있으며, 만성 증가 시 면역력 저하, 대사 이상을 초래할 수 있습니다. 이와 함께 부신수질에서는 에피네프린, 노르에피네프린이 분비되어 심박수 증가, 혈압 상승, 호흡 증가가 나타나고 또한 근육 혈류가 증가하고, 소화기능이 억제됩니다. 감사합니다.
화학
Q. 알코올과 카보닐 탄소가 반응을 할 때 알코올에 있는 산소가 공격을 하는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 알코올과 카보닐 화합물이 반응할 때, 알코올의 산소가 카보닐의 탄소를 공격하는데요, 우선 카보닐기(C=O)의 탄소는 산소와 이중결합을 하고 있습니다. 이때 산소가 전기음성도가 높아 전자쌍을 끌어당기게 되는데요 따라서 카보닐 탄소는 부분 양전하(δ⁺)를 나타냅니다. 즉, 카보닐 탄소는 전자 부족, 친전자성인 것입니다. 이때 알코올의 –OH 그룹에서 산소는 비공유 전자쌍을 가지고 있는데요, 따라서 산소는 전자쌍을 제공할 수 있어 친핵성작용기에 해당하는 것이며, 전자쌍을 이용해 전자 부족한 카보닐 탄소를 공격 가능한 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 제습기에서 나오는 물은 왜 냉각되서 나오게 되는건지요?
안녕하세요. 제습기에서 나오는 물이 차갑게 나오는 이유는 제습기의 작동 원리와 열역학적 과정에 의한 것인데요, 우선 제습기는 공기 중의 수증기를 제거하여 습도를 낮추는 장치로 일반적으로 냉각식 제습기가 많이 사용됩니다. 작동 방식에 대해 설명드리자면 실내 습한 공기를 팬으로 제습기 내부로 흡입하게 되면 공기가 냉각 코일을 통과하면서 온도가 낮아지고 공기 중의 수증기가 냉각 코일 표면에 응결되어 물방울이 형성되는데요, 이떄 응결된 물은 물통으로 배출되고 건조해진 공기는 코일을 지나면서 다시 실내로 배출되는 것입니다. 이 과정에서 공기 중 수증기는 온도에 따라 포화 수증기압이 달라지는데요, 공기를 냉각하면 포화 수증기압이 낮아지고, 현재 수증기압이 포화 수증기압을 초과하면서 응결이 발생하는 것입니다. 응결 과정에서 물방울은 코일 표면의 온도를 그대로 유지되고 냉각된 상태로 모이는데요 즉, 제습기에서 나오는 물은 냉각 코일의 온도와 거의 동일하며, 그래서 차갑게 느껴지는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 양자역학에서 전자의 파동성은 원자 오비탈 모형과 어떻게 연결되나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 사항에 대해 답변 드리자면 우선 드브로이는 전자는 입자이면서 동시에 파동성을 가진다고 제안했는데요, 즉, 전자도 빛처럼 파동으로 설명 가능하며, 특정 조건에서는 간섭과 회절 현상을 나타낸다는 것입니다. 물론 보어 원자 모형에서는 전자를 원형 궤도로 설명했지만, 현대 양자역학에서는 전자 자체가 파동임을 고려하고 있는데요, 전자가 원자핵 주위를 돌면서 스스로 파동을 형성하며 전자파가 자신과 겹쳐서 상쇄되지 않는 조건에서 전자파가 원자 주위에서 고정된 파수를 가지도록 제한한다는 것입니다. 즉 이를 보어모형과 연관지어 보자면, 전자가 특정 궤도에 있을 때 전자파가 원형 궤도를 한 바퀴 돌면서 파동 위상이 맞으면 안정적이라는 것입니다. 또한 전자의 파동성 때문에 전자는 연속적인 에너지 상태가 아니라 특정 에너지 준위만 가지는데요, 이것이 양자화의 근본 원리이며 오비탈 모형에서 n, l, m 등의 양자수는 전자파의 진동 모드를 나타내게 됩니다. 감사합니다.
화학
Q. 엔트로피가 자발성 판단의 중요한 기준이 되는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 자발적 과정이란 외부에서 일이나 에너지를 추가하지 않아도 자연스럽게 일어나는 과정을 말하는 것인데요 초기에는 무질서도가 증가하는 방향이라는 경험적 정의가 있었지만, 정확하게는 열역학적 상태함수로 설명 가능합니다. 화학 반응의 자발성은 깁스 자유에너지 변화(ΔG)로 판단하는데요, 말씀해주신 것과 같이 깁스자유에너지 변화는 엔탈피 변화와 온도, 엔트로피 변화가 모두 관여합니다. 이때 엔트로피가 중요한 이유는 엔트로피 변화가 충분하면 열역학적으로 자연스럽게 진행되기 때문입니다. 즉 단순히 에너지 만으로는 반응의 자발성을 예측할 수는 없습니다. 감사합니다.