Doctor of Public Health 전상훈입니다
Q. 유기물과 무기물의 차이점을 알고 싶습니다.
안녕하세요. 유기물(有機物 ; Organic Matter)과 무기물(無機物 ; Inorganic Matter)의 차이는 주로 탄소(C)의 존재 여부 및 화학적 성질에 의해 구분됩니다. 유기물은 일반적으로 탄소를 기본 골격으로 가지며, 생명체와 밀접한 관련이 있는 반면, 무기물은 탄소가 포함되지 않거나 생명체와 직접적인 연관성이 적은 화학물을 의미합니다. 유기물은 탄소-수소 결합(C-H bond)을 포함하는 화합물로 정의되며, 대부분의 생체 고분자(단백질, 탄수화물, 지질, 핵산)뿐만 아니라 다양한 천연 및 합성 유기 화합물을 포함합니다. 자연계에서 유기물은 주로 동·식물의 생물학적 활동을 통해 생성되며, 부식질(humus), 셀룰로오스(cellulose), 리그닌(lignin)과 같은 생물 잔해의 분해 산물도 이에 해당합니다. 또한, 탄화수소(hydrocarbons) 계열의 화합물, 즉 메탄(CH₄)과 같은 단순한 유기 화합물도 포함됩니다. 유기물의 중요한 특징 중 하나는 연소 시 이산화탄소(CO₂)를 방출하며, 생화학적 대사 과정에서 에너지원으로 이용된다는 점입니다. 반면, 무기물은 탄소를 포함하지 않거나, 포함하더라도 유기적 구조를 가지지 않는 화합물을 의미합니다. 예컨데, 물(H₂O), 산소(O₂), 이산화탄소(CO₂), 암모니아(NH₃), 황산(H₂SO₄) 등의 물질은 무기물에 속합니다. 또한, 다양한 광물(minerals), 금속 이온(Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺) 및 무기염(inorganic salts)도 무기물에 해당하며, 생명체가 정상적인 기능을 수행하는데 필수적인 역할을 합니다. 특히, 칼슘(Ca)과 인(P) 기반의 무기 화합물은 뼈와 치아의 주요 구성 성분이며, 철(Fe) 이온은 헤모글로빈(hemoglobin)의 중요한 구성 요소입니다. 화학적으로 유기물과 무기물의 구분이 절대적인 것은 아닙니다. 예컨데, 이산화탄소(CO₂)와 탄산염(CO₃²⁻) 화합물은 탄소를 포함하고 있음에도 불구하고 무기물로 분류됩니다. 이는 이들이 생명체의 대사 산물이거나, 생물학적 합성 없이 자연적으로 존재할 수 있기 때문입니다. 또한, 요소(尿素 ; Urea ; CO(NH₂)₂)는 생체 내에서 합성되는 화합물이지만, 화학적으로 무기적 합성이 가능하기 때문에 예외적으로 무기물로 간주되기도 합니다. 결론적으로, 유기물과 무기물의 차이는 탄소 기반 화합물의 존재 여부, 생명체와의 연관성, 화학적 결합의 특성에 의해 결정됩니다. 위와 같은 내용을 심도 있게 접근하고 싶으시다면 Organic Chemistry (Clayden et al. 2nd Edition, Oxford University Press)와 같은 문헌을 추천드립니다.
Q. 금은 왜 시간이 지나도 변색되지 않나요?
안녕하세요. 금(Au ; Aurum)이 시간이 지나도 변색되지 않는 이유는 화학적으로 매우 안정한 성질을 가지며, 일반적인 환경에서 산화나 부식이 거의 발생하지 않기 때문입니다. 이는 금의 전자 구조, 높은 이온화 에너지, 낮은 반응성 및 귀금속으로서의 특성과 밀접한 관련이 있습니다. 먼저, 금은 주기율표에서 11족(구리족) 원소에 속하는 전이금속으로, 원자번호 79번을 가지며, 전자 배치는 [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s¹입니다. 일반적은 금속들이 산화되거나 반응성을 띠는 이유는 최외각 전자가 쉽게 다른 원자와 반응하기 때문인데, 금은 상대론적 효과(Relativistic Effect)로 인해 5d 전자껍질이 수축하면서 6s 전자도 더 안정적으로 유지됩니다. 이러한 효과로 인해 금의 최외각 전자는 쉽게 다른 원소와 반응하지 않으며, 산소(O₂)나 황(S)과 같은 원소와 결합하여 산화물이 형성되는 경우가 거의 없습니다. 또한, 금의 이온화 에너지(Ionization Energy)는 매우 높은 편에 속합니다. 금이 산화되려면 전자를 잃어야 하는데, 금의 첫 번째 이온화 에너지는 약 9.23 eV로, 이는 대부분의 전이금속보다 높은 값입니다. 일반적으로 금속이 공기 중에서 부식되는 과정은 금속 원자가 산소나 수분과 반응하여 전자를 잃고 산화 상태로 변하는 과정인데, 금은 이러한 과정이 일어나기 어려울 정도로 전자를 쉽게 잃지 않습니다. 따라서 공기 중에서 안정적으로 존재할 수 있으며, 시간이 지나도 변색되지 않는 것입니다. 더불어, 금은 귀금속(Noble Metal)으로 분류되는데, 이는 반응성이 매우 낮고 자연 상태에서 순수한 형태로 존재할 수 있는 금속을 의미합니다. 일반적으로 철(Fe)이나 구리(Cu)와 같은 금속은 시간이 지나면서 산화되어 ㄴ고이 슬거나 변색되지만, 금은 이러한 화학 반응을 거의 겪지 않습니다. 예컨데, 철은 공기 중의 산소 및 수분과 반응하여 Fe₂O₃·xH₂O(수산 산화철 ; 녹)을 형성하지만, 금은 산소와 직접적인 반응이 거의 일어나지 않습니다. 금이 화학적으로 반응하지 않는 또 다른 이유는 산화 환원 전위(Reduction Potential)가 높기 때문입니다. 금의 표준 환원전위는 +1.50 V로, 이는 대부분의 산화제로부터 전자를 빼앗기지 않는다는 것을 의미합니다. 따라서, 공기 중의 산소뿐만 아니라 물, 산성 용액 및 알칼리성 환경에서도 금은 안정적으로 존재할 수 있습니다. 이와 반대로 은(Ag)과 같은 금속은 황(S)과 반응하여 Ag₂S(황화은)로 변색되지만, 금은 황과도 쉽게 반응하지 않으므로 변색이 거의 없습니다. 그러나 금이 완전히 불활성한 것은 아니며 왕수(Aqua Regia ; HNO₃ + HCl 혼합물)와 같은 강한 산화 환경에서는 용해될 수 있습니다. 왕수는 금을 산화시켜 AuCl₄⁻(테트라클로로금 이온)을 형성하는데, 이는 금이 반응하는 몇 안 되는 화학적 조건 중 하나입니다. 또한, 사이안화 금 칠출법(Cyanidation)에서는 NaCN(시안화나트륨) 용액을 사용하여 금을 용해시킬 수 있습니다. 하지만 이러한 반응들은 자연적인 환경에서는 거의 발생하지 않으며, 일반적인 대기 조건에서는 금이 변색되지 않는다는 특징을 유지합니다. 결론적으로, 금이 변색되지 않는 이유는 높은 이온화 에너지, 상대론적 효과로 인한 전자 안정성, 낮은 반응성, 높은 산화 환원 전위 및 공기 중에서의 낮은 화학전 반응성에 기인합니다. 이러한 특성으로 인해 고대 문명에서 제작된 금 화폐나 유물들이 수천 년이 지나도 원래의 광택을 유지하는 것이 가능하며, 이는 금이 귀금속으로서의 가치를 가지는 중요한 이유 중 하나입니다. 위와 같은 내용을 심도 있게 접하고 싶으시다면 Principles of Inorganic Chemisty (Cotton & Wilinson, 6th Edition)과 같은 문헌을 추천드립니다.
Q. 헬리코박터균은 우리 몸에 어떻게 감염되나요?
안녕하세요. 헬리코박터 파일로리(Helicobacter pylori ; H. Pylori)는 위 점막에 감염되어 만성 위염, 위궤양 및 위암과 같은 다양한 소화기 질환을 유발하는 병원성 세균입니다. 헬리코박터 파일로리는 위산이 강한 환경에서도 생존할 수 있는 독특한 기작을 보유하고 있으며, 주로 구강-구강(oral-oral), 분변-구강(fecal-oral), 위-구강(gastro-oral) 경로를 통해 감염됩니다. 먼저, 구강-구강 경로는 가장 흔한 감염 경로로 알려져 있으며, 감염된 사람과의 직접적인 접촉을 통해 전파됩니다. 특히, 부모가 자녀에게 음식을 씹어 먹여주는 행동이나 식기, 컵을 공유하는 과정에서 균이 전달될 가능성이 큽니다. 가족 구성원 간의 감염률이 높은 것도 이러한 이유 때문입니다. 또한, 분변-구강 경로를 통한 감염도 중요한 원인 중 하나로 간주됩니다. 감염된 사람의 분변 내에서 배출된 헬리코박터 파일로리가 오염된 물이나 음식을 통해 체내로 유입될 수 있습니다. 위생 상태가 열악한 환경에서는 감염 위험이 더욱 증가하며, 실제로 개발도상국에서 헬리코박터 파일로리 감염률이 높은 이유 중 하나로 꼽힙니다. 이 외에도 위-구강 경로를 통해 감염될 가능성이 제기되고 있습니다. 구토물이나 위산의 역류를 통해 균이 구강 내로 이동할 수 있으며, 이로 인해 다른 사람에게 전파될 가능성이 존재합니다. 특히, 감염자가 구토한 후 적절한 위생 조치가 이루어지지 않으면, 가족이나 주변 사람에게 감염될 위험이 높아집니다. 헬리코박터 파일로리는 위 점막에서 생존하기 위해 요소분해효소(urease)를 분비하는데, 이는 요소(urea)를 암모니아(NH₃)로 분해하여 주변 환경을 알칼리화함으로써 위산으로부터 자신을 보호하는 역할을 합니다. 또한, 헬리코박터 파일로리는 강한 운동성을 가지며, 편모(flagella)를 이용하여 점액층을 뚫고 위 점막 깊숙이 침투함으로써 숙주의 면역 반응으로부터 자신을 방어합니다. 이는 균이 장기간 위 내에 생존할 수 있도록 하는 중요한 이유 중 하나입니다.
Q. 비행기는 어떻게 하늘을 날 수 있나요?
안녕하세요. 비행기가 하늘을 나는 원리는 공기역학(Aerodynamics)의 주요 개념인 양력(Lift), 항력(Drag), 추력(Thust), 중력(Gravity)의 상호 작용을 통해 설명될 수 있습니다. 일반적으로 물체는 중력에 의해 아래로 끌려가기 때문에, 이를 극복하고 공중을 유지하려면 충분한 양력이 필요합니다. 이 양력은 주로 비행기의 날개에서 발생하며, 이는 베르누이의 원리(Bernoulls Principle)와 뉴턴의 운동 법칙(Newtons Laws of Motion)에 의해 설명됩니다. 비행기가 상승하기 위해서는 양력이 중력보다 커야 하며, 이를 위해 날개는 공기 흐름을 효과적으로 조절하는 구조를 가지고 있습니다. 비행기의 날개는 에어포일(Airfoil) 형상으로 설계되는데, 이는 날개의 상부 곡률이 하부보다 크도록 형성되어 있습니다. 이에 따라 날개를 지나는 공기의 흐름 속도가 상부에서 더 빨라지고, 베르누이의 원리에 의해 압력이 낮아지게 됩니다. 반면, 날개 하부를 지나는 공기의 속도는 상대적으로 느리므로 압력이 상대적으로 높아집니다. 이러한 차이로 인해 날개에는 위쪽 방향의 힘, 즉 양력이 발생하게 됩니다. 양력은 뉴턴의 제3법칙(작용-반작용의 법칙 ; Newton`s Third Law)과도 관련이 있습니다. 날개가 공기를 아래 방향으로 밀어내면, 이에 대한 반작용으로 위쪽 방향의 힘이 발생하여 비행기를 띄우는데 기여하게 됩니다. 이는 양력 공식으로 표현이 가능합니다 : L = ½ ρ v² S C 여기서, L은 양력(N), ρ는 공기의 밀도(kg/m³), v는 공기의 상대 속도(m/s), s는 날개의 면적(m²), Cₗ은 양력 계수(Coefficient of Lift)입니다. 이 식에서 알 수 있듯이, 양력은 공기의 속도가 빠를수록, 공기의 밀도가 높을수록, 날개 면적이 클수록 증가합니다. 따라서 비행기는 일정한 속도를 유지하고, 날개의 기울기(받음각 ; Angle of Attack)를 조절하여 양력을 생성합니다. 비행기는 엔진에서 발생하는 추력(Thrust)을 이용하여 앞으로 나아가며, 이에 따라 공기의 흐름이 날개를 지나면서 양력을 발생시킵니다. 그러나 비행기에는 공기 저항으로 인한 항력(Drag)이 작용하며, 이 항력을 극복하기 위해 엔진의 추력이 충분해야 합니다. 또한, 중력(Gravity)은 비행기를 지면으로 끌어당기므로, 이를 극복할 수 있을 만큼의 양력이 필요합니다. 결론적으로, 비행기가 하늘을 나는 것은 양력과 중력의 균형, 추력과 항력의 균형이 적절하게 조절되었을 때 가능합니다. 이와 같은 내용을 심도 있게 접근하고 싶으시다면 Fundametals of Aerodynamics (John D. Anderson, 6th Edition, MCGraw-Hill)과 같은 문헌을 추천드립니다.
Q. 부력이라는것은 물속 깊이 들어갈수록 힘이 쎄지나요?
안녕하세요. 물리법칙과 수식을 기반으로 설명드리겠습니다. 부력(浮力 ; buoyant force)은 유체 속에 잠긴 물체가 받는 떠오르는 힘으로, 아르키메데스의 원리(Archimedes` Principle)에 의해 정의됩니다 : Fₐ = ρVg 여기서, Fₐ는 부력, ρ는 유체의 밀도(kg/m³), V는 잠긴 물체의 부피(m³), g는 중력 가속도(9.81 m/s²)입니다. 이 식을 보면 부력의 크기는 물체가 잠긴 부피(V)에 비례하며, 유체의 밀도(ρ)와 중력 가속도(g)에도 영향을 받습니다. 중요한 점은 물속 깊이에 따라 부력이 증가하는지 여부인데, 이를 정확히 분석하기 위해 물속에서의 압력과 부력의 관계를 고려해야 합니다. 일반적으로 물속으로 깊이 들어갈수록 물의 압력(hydrostatic pressure)은 증가합니다. 정수압은 다음과 같이 표현됩니다. P = P₀ + ρgh 여기서, P는 특정 깊이에서의 압력, P₀는 대기압ㅡ수면에서의 압력ㅡ, ρ는 물의 밀도, g는 중력 가속도, h는 물속에서의 깊이입니다. 이는 깊이가 증가할수록 압력은 선형적으로 증가하는 것을 뜻합니다. 하지만 부력은 물체가 잠긴 부피(V)에만 의존하며, 깊이에 따라 직접적으로 변하지 않습니다. 부력이 작용하는 원리는 물체의 상부와 하부에서 작용하는 압력 차이에서 원인을 찾을 수 있는데, 깊이 h에서의 압력은 ρgh의 형태로 증가하기 때문에, 물체의 상부와 하부가 받는 압력의 차이는 일정하게 유지됩니다. 따라서 물속에서 깊이 들어가더라도 부력의 크기는 변하지 않습니다. 다만, 물의 밀도(ρ)가 변할 경우에는 부력도 영향을 받을 수 있습니다. 예컨데, 깊은 심해에서는 물의 압축성이 작용하여 물의 밀도가 미세하게 증가할 수 있으나, 일반적인 수심에서는 이 영향이 무시할 수 있는 수준입니다. 결론적으로, 물속 깊이로 들어갈수록 압력은 증가하지만, 부력의 크기는 변하지 않습니다. 부력은 물체가 잠긴 부피(V)와 유체의 밀도(ρ)에 의해 결정되며, 수심(h)과는 직접적인 관련이 없습니다. 위와 같은 내용에 심도 있는 접근을 원하신다면 Fluid Mechanics (Frank M. White, 8th Edition, McGraw-Hill)과 같은 문헌을 추천드립니다.