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화학
물리학이나 화학쪽 강의를 듣고 생각을 해보면, 대칭성과 엔트로피의 개념이 무언가 연결되는 느낌이 듭니다. 몇개의 입자들을 기준으로 볼때, 뜨거운 빅뱅초기에는 대칭성도 크고 엔트로피도 큽니다. 시간이 지나 우주가 식어가며, 그 입자들의 대칭성도 작아지며, 엔트로피도 작아집니다. 대칭성과 엔트로피를 거의 유사한 개념으로 이해해도 될까요? 이 둘이 어떠한 관계를 가지고 있는지 궁금합니다. 너무 어려운 질문 드려 죄송합니다.
안녕하세요, 빅뱅초기에 엔트로피가 크다는 전제도 위와 같은 이유로 에너지가 크다고 수정해야 할 것입니다. 엔트로피는 오히려 초기 우주의 적은 부피 때문에 작은 상태였습니다. (대칭성이 크다는 얘기는 어떤 종류의 대칭성을 얘기하는지 모르겠지만 이와는 무관하게) 대칭성과 엔트로피는 서로 관계가 없으며 만약 대칭성이 기하학적인 규칙성을 의미하는 개념이라면 오히려 대칭성과 엔트로피는 반대되는 경향성을 가질 것입니다. 도움이 되셨기를 바랍니다.
- 김성근 드림(서울대 화학부 교수)
우주는 계속 팽창하며 식고 있습니다. 하나의 입자가 있다고 할때, 먼 훗날, 계속 식으며
이 입자는 엔트로피가 0 에 가깝게 될 텐데요. '우주의 엔트로피는 계속 증가한다' 고 했는데 모순이 발생합니다. 어느 강의에서 들었는데 '우주가 팽창하지 않아도 우주의 전체 엔트로피는 계속 커진다' 고 했습니다. 이 모순을 어떻게 이해해야 하나요?
안녕하세요, 먼저 하나의 입자에 대해 얘기할 때는 엔트로피나 온도의 개념은 적용되지 않습니다. 또한 "식는" 것과 "엔트로피가 0에 가깝게 되는" 것은 별개의 얘기입니다. 굳이 얘기하자면 식는 것은 (엔트로피가 아니라) 에너지가 0에 가깝게 되는 과정이지만 그 마저도 앞서 얘기했듯이 한 개의 입자에 대해서는 성립하지 않는 개념입니다. 질문의도를 감안할 때 우주 내의 일부에서 엔트로피가 줄어드는 것이 우주 전체의 엔트로피 증가와 배치되지 않느냐는 질문인 것 같은데 그것은 그 계에서의 엔트로피 감소를 상쇄하고도 남는 우주의 나머지 계에서의 엔트로피 증가로 인해 전혀 모순이 되지 않습니다. 도움이 되셨기를 바랍니다.
- - 김성근 드림(서울대 화학부 교수)
안녕하세요. 무식한 질문일지 몰라도 활성화에너지에 관한 질문입니다.

예를 들어, 반응물질에서 생성물질로 변화하는 과정에서 활성화에너지가 100이 필요하다고 한다면 이 활성화에너지가 100보다 적거나 많으면 생성물질은 활성화에너지가 100일때 하고 무엇이 달라질까요. 저는 메일라드반응에서 열분해 과정에서 만들어지는 물질들이 필요로 하는 열보다 과하거나 부족할 때에도 같은 결과가 나오느냐에 관심이 있습니다.
지식이 짧아 질문도 횡설수설하군요.
안녕하세요,
반응물에 제공되는 에너지가 활성화에너지보다 적다면 반응은 일어나지 않습니다. (물론 이것은 고전계에서의 얘기이고 실제 분자계는 양자역학을 따르기 때문에 활성화에너지보다 적은 에너지를 가지는 계에서도 터널링에 의해 반응이 아주 약간 일어나긴 합니다.) 반대로 활성화에너지보다 더 큰 에너지를 갖는 경우에는 당연히 반응이 일어나서 생성물이 생길텐데 그 생성물이 원래 반응물이 가졌던 에너지를 나눠갖게 됩니다. )여기서 나눠 갖는 양태는 반응물들 간의 운동에너지 뿐만 아니라 반응물의 회전 및 진동 에너지로 분배되게 됩니다.) 즉, 만약 "반응열"(= 반응 전후의 에너지 차이)이 -50이어서 반응물이 생성물로 바뀔 때 50만큼의 에너지를 내어 놓는 반응이 있고 그 반응의 활성화에너지가 100일 때 반응물이 50이라는 에너지를 갖게 된다면 반응이 안 일어나지만 150이라는 에너지를 갖게 된다면 그 150에 50을 더한 200의 에너지가 생성물 사이에서 분배되게 됩니다. (물론 그 150 중 100이 활성화 언덕을 넘는데 쓰이지만 그건 언덕을 넘어가면 다시 "회수"되게 되어 결국 반응 전의 150에 반응을 통한 50의 에너지를 생성물은 갖게 됩니다.) 도움이 되셨기를 바랍니다. 도움이 되셨기를 바랍니다.
- 김성근 드림(서울대 화학부 교수)
1. HPLC로 아데닌과 카페인을 분리하는 실험을 했습니다. 이 실험에서는 HPLC 스펙트럼 상에서 피크의 넓이를 통해 가페인 농도에 대한 표준 곡선을 얻을 수 있었고, 이에 따라 미지 샘플(커피)에서 카페인 농도를 얻을 수 있었습니다. 이는 피크의 넓이를 컴퓨터 상의 소프트웨어가 대신 계산해주기 때문에 용이했다고 할 수 있었습니다. 만약 소프트웨어의 기능이 지금처럼 피크의 넓이를 제공하지 않고 HPLC 스펙트럼만 제공할 경우, 우리는 어떻게 미지 시료의 농도를 알 수 있을까요? 그 방법과 원리를 설명해주세요...!
2. HPLC 실험을 할 때는 시간에 따라 전개액의 비율을 변화시켜주면서 HPLC 스펙트럼 자료를 얻는다고 들었습니다. 이 경우 시간에 따라 전개액의 극성이 점차 높아지는 쪽으로 비율을 바꿔야 하는지 혹은 극성이 점차 낮아지는 쪽으로 비율을 바꿔야 하나요? 그리고 비율을 변화시켜주며 자료를 얻으면 뭐가 좋나요?
안녕하세요. 1. 제가 학생 때 써본 방법은, 스펙트럼 원본을 복사해서, 가위로 각각을 오린다음 무게를 재서 비교하는 방법이 있고요 (베이스 라인이 없으면 자로 잘 그은 다음에 자르면 됩니다), 다른 방법은 모눈종이 위에 먹지를 대고 스펙트럼을 그린다음, 모눈종이의 칸수를 세서 비교하는 방법이 있습니다. 고전적인 방법 입니다.
2. 전개액을 변화시키면서 하는 방법은 gradient 방법이라고 하는데, 말 그대로 극성이 큰 용매와 작은 용매를 섞어서 크로마토그래피 하는 방법입니다. 이 방법을 사용하는 이유는 분리하고자 하는 화합물들이 극성의 차이가 작아서 단일 용매 조건에서 분리가 잘 안될때 분리를 극대화 시키기 위해 사용합니다. 일률적인 규칙은 없고, 해봐야 알긴 합니다만, 경험이 쌓이면 분리가 어려운 화합물들을 분리할 수 있는 sweet spot 을 찾을 수 있습니다.
답이 되었는지는 모르겠습니다. 두 경우 모두 말보다 한번 보는게 더 쉽기는 합니다.
- 김경택 드림(서울대 화학부 교수)
안녕하세요 분자생물학에 흥미가 있는 한 고등학생입니다. 다름이 아니라 제임스 왓슨의 저서 '이중나선'을 읽다가 궁금한 부분이 생겼습니다. 그것은 DNA의 염기 G,T에서 호변이성 구조인 케토와 엔올에 대한 안정성에 대한 것입니다. 제임스가 이중나선 모형을 만들고 있을 때 염기(G,T)를 케토구조로 할지, 엔올구조로 할지에 대하여 고민하고 있을때, 화학자인 도나휴가 그에게 '디케토피페라진'의 결정구조와 안정성 때문에 무조건 케토형이 될 수 밖에 없다고 조언을 해줍니다. 하지만 본문에서도 케토형 염기의 안정성에 대한 구체적이유를 제시하고 있지 않고 단지 '양자역학적으로 설명하다' 라고만 되어 있습니다. 혹시 가능하시다면 구체적인 이유에 대해 설명해 주실 수 있으신가요? 가능하면 유기화학과 양자역학을 위주로 부탁드립니다! 긴글 읽어주셔서 감사합니다^^
안녕하세요, 제가 이해하는 수준에서 간략히 답을 드리겠습니다.

이 문제는 유기화학에서 주로 다루는 “토토머 현상(tautomerism)”과 관련되어 있습니다. 아주 간단하게(!) 설명하자면, 탄소를 중심으로 하는 파이-컨쥬게이션 구조의 양쪽 끝에 헤테로 원자(산소나 질소)가 있을 경우, 수소 원자가 어느 헤테로 원자에 결합하는 것을 더 선호하느냐에 따라 두 개의 서로 다른 화학구조가 얻어질 수 있습니다. 일종의 이성질체(isomer)인데, 양성자의 위치에 따라서 결정되는 이성질체는 좀 더 특정해서 토토머(tautomer)라고 부릅니다. DNA의 상보성을 결정하는 염기의 구조에서 케토-(엔)아민 또는 (엔)올-이민 조합의 두가지 토토머 가운데 어떤 구조가 더 선호되는가는 결국 N과 O의 두 헤테로 원자 가운데 어느 것이 H와 결합하는 화학구조가 더 안정한가 하는 문제로 귀결됩니다. 이 문제를 산-염기 화학의 관점에서 재해석하자면, N과 O 가운데 어느 원소가 더 “염기성”이 강한가 하는 문제로 볼 수도 있습니다. 만일 N이 더 강한 염기로 작용한다면 N-H 결합이 선호될 것이고, 그 결과 C=O/N-H 조합을 갖는 케토-(엔)아민 토토머가 에너지 면에서 더 안정합니다. 만일 O가 더 강한 염기로 작용한다면 O-H 결합이 선호되고, 그 결과 O-H/C=N 조합의 (엔)올-이민 토토머가 얻어집니다. DNA를 이루는 구아닌(guanine) 이나 티민(thymine) 염기에서는 C=O/N-H 조합의 토토머가 에너지 면에서 더 안정합니다. “양자역학적” 면에서 더 안정하다는 주장은 다소 동의하기 힘든 표현입니다. 아마도, 두 개의 토토머에 해당하는 파동함수의 에너지를 계산해 보면, C=O/N-H 조합이 O-H/C=N 조합보다 에너지 면에서 더 안정하다(따라서, 더 선호된다)는 뜻일 것입니다. 하지만, 1950년대 초반에 이런 계산은 현실적으로 불가능했습니다. 선호하는 토토머 구조가 이미 알려진 다른 화합물의 구조로부터 유추했다는 것이 보다 정확할 것입니다.
- 이동환 드림(서울대 화학부 교수)
감사합니다! 저는 염기의 엔올형구조에서 튀어나온 수소와 분자간의 스트레인으로 접근하려했는데 교수님께서 가르쳐주신 산-염기 화학적 해석이 더 이해하기 쉬운것 같습니다. jgd2**
다른 거울상 형태의 분자는 왜 서로 다른 생물학적 특성을 갖나요?
그 3차원적 구조 때문입니다. 구조가 다르면 결합방식이 달라지겠죠. 저는 개인적으로 왼손잡이인데 사실 외관상 왼손과 오른손은 구별되지 않습니다. 하지만 군대에서 오른손잡이들의(?) 총을 쏠 때 뭔가 어색해서 고생을 많이 했습니다. 왼손잡이용 총과 오른손잡이용 총은 총알이 나간다는 기능 면에서는 동일합니다. 하지만 왼손잡이용 총은 왼손잡이인 사람이 사용할 수 있고 반대의 경우도 마찬가지입니다. 거울상 형태의 분자들도 마찬가지로 3차원 구조에 의한 결합방식의 차이 때문에 서로 다른 생물학적 특성을 갖게 되는 겁니다.
산업폐기물, 공장의 오수와 같은 물질들을 재활용할시 재활용하는것이 더 이득인 방법이 아니어서 재활용하지는 않는 것인가요 아니면 재활용되지가 않아 재활용 안하는 것인가요??
현재 산업폐기물이나 공장에서 나오는 오수를 재활용하는 많은 연구가 이루어지고 있고 실제로 재활용되는 사례도(아직까지 많지는 않지만) 있습니다. 재활용하는 방법을 찾는 것은 큰 문제가 아닌데 늘상 그렇듯 비용이 문제입니다. 재활용하는 데 드는 비용이 크면 국가 등의 지원 없이는 적용하기가 쉽지 않겠죠. 구글에서 ‘산업폐기물 재활용’을 검색해 보세요.
오래 전부터 비료를 만들 때 나오는 폐기물로 석고보드를 만들어 실내단열재로 사용하더군요. 최근에는 음식물 쓰레기를 처리한 부산물로 지렁이을 대량으로 키우는 경우, 억대의 고소득을 올리고 있답니다. 133n**
금속ㅇ이나 금속결합 물질에서 극성분자 비극성분자와 같은 성질이 나타나나요??
만약 그러면 극성분자와 금속결합이 서로 용해성을 가질수 있을까요???

예를 들면 물과 녹인 금속, 가루 금속이 섞일수 있을까요??
저희 루디선생님 중 한 분인 서울대 화학부 이동환 교수님이 직접 답변 적어주신 걸 첨부합니다.

문: 금속이나 금속결합 물질에서도 극성분자 비극성분자와 같은 성질이 나타나나요??
답: 금속은 “분자”라고 부르지 않습니다. 서로 가까이에 있는 원자끼리 “결합”을 만들기는 하나, 결합을 구성하는 전자가 원자와 원자 사이에 편재화(localize)하지 않고, 벌크 물질 전체에 걸쳐 퍼져 있는 구조를 갖습니다 (즉 전자의 “바다”라고 생각하면 됩니다). 금속의 전자구조는 그래서 “밴드”(band)라고 부릅니다. 특정 원자에 “소속”되어 있지 않기 때문에 금속을 이루는 전자는 쉽게 이동할 수 있고, 그 결과 전기전도성이 생깁니다. “금속결합 물질”은 아마도 금속 원자를 포함하고 있는 유기 분자, 혹은 금속 이온과 유기 분자 리간드가 결합한 금속 착화합물을 말씀하시는 것으로 이해하는데, 이 경우는 유기 분자와 같이 극성, 비극성과 같은 성질로 당연히 나눌 수 있습니다.

문: 만약 그러면 극성분자와 금속결합이 서로 용해성을 가질 수 있을까요???
답: 고체 상태의 벌크 물질은 분자와 분자 사이의 끌어당기는 힘 때문에 부서지지 않고 그 형태를 온전히 유지합니다. 염(salt)의 경우, 양이온과 음이온 사이의 정전기적 힘 때문에 역시 형태를 갖추고 있는 것이구요. 이런 물질을 용매에 넣었을 때, 개별 분자(혹은 이온)과 용매 분자 사이의 새로운 상호작용을 통해 에너지가 더 낮은 상태로 갈 수 있다면 (엔탈피와 엔트로피 면에서), “용해”가 일어납니다. 즉 개별 구성 요소로 조각조각 떨어지면서 우리 눈에는 보이지 않게 되는 것이지요.

문: 예를 들면 물과 녹인 금속, 가루 금속이 섞일 수 있을까요??"
답: “녹인 금속”이라는 것이 무엇을 의미하는지 잘 모르겠는데, 예를 들어, 소금을 녹였을 때 녹아나오는 나트륨 이온(Na+)과 같은 것을 생각하신다면, 당연히 물과 잘 섞이게 되겠지요. 양전하를 갖는 금속 이온 주변을 물분자의 산소가 둘러싸면서 정전기적 상호작용을 통해 에너지 면에서 안정하게 만들어 줍니다. “가루 금속”은 벌크 상태의 물질을 말씀하시는 것 같은데, 이 경우는 금속 원자와 금속 원자 사이의 결합이 강하고, 벌크 물질이 개별 원자로 떨어져 나왔을 때 원자-용매 상호작용을 통해 안정화될 수 없기 때문에, 자발적으로 “녹아 나오는”(즉 물과 섞이는) 일은 일어나지 않습니다. 다만, 금속 표면에서 산화 반응을 통해서 금속 이온이 만들어진다면 물과 반응해서 다른 형태의 화합물로 변할 수 있습니다. 철이 녹(rust)으로 변하는 것이 좋은 예가 되겠습니다. Fe 원자가 산소와 반응하는 복잡한 과정을 거쳐서 Fe3+ 이온이 되면 물 분자와 반응해서 “Fe2O3”라는 실험식으로 표현할 수 있는 산화물로 변합니다. 이 산화물은 분자량이 작을 경우에는 물에 녹아 있지만, Fe-O 결합의 반복을 통해 분자량이 커지면 침전물로 떨어집니다. 우리 눈에 보이는 빨간색 녹이 되는 것이죠.
감사합니다 9336pu**
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