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화학
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.
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.
물에 관한 질문입니다.
물은 고체, 액체, 기체의 상태로 변할 수 있는데,
각각의 상태에 따른 질량의 변화가 궁금합니다.

아니면 모양만 바뀔뿐 질량은 변하지 않을까요?


또, 만약 차가운 물과 뜨거운 물을 한 컵에 담는다고 가정하면,
차가운 물은 무거우므로 밑으로 내려가고, 뜨거운 물은 가벼우므로 위로 올라가게될 것입니다.
무겁고 가벼운 것은 밀도의 개념이고, 질량 = 밀도/부피 이므로,
차가운 물은 뜨거운 물보다 질량이 더 크다는 말인가요??

ps. 카오스에서 빛에 관한 강연 다음에 물에 관한 강연도 해주셨으면 좋겠습니다 !!
고체, 액체, 기체의 차이는 먼저 밀도의 차이가 있습니다. 고체>액체>기체 순으로 밀도가 높아집니다. 각 상황에 따라 증발하는 특수조건을 제외했을 때 물질의 성질은 다르더라도 질량의 차이는 없답니다.
인광과 야광의 차이점은 뭔가요?
야광(Nightglow)은 인광(phosphorescence)의 효과를 지닌 물질을 사용하여 빛을 방출하는 현상을 말합니다. 인광은 물체에 빛을 쬔 다음, 그 빛을 제거한 이후에도 물체가 계속 빛을 내는 현상입니다.

이렇게 인광이 가능한 물질을 인광체라고 하며 천연물로는 보석과 황화광물이 있고, 인공적인 물질에는 알칼리토금속의 황화물이나 황화아연에 중금속을 함유시킨 것들, 발광도료 등이 있습니다.
우리의 몸에서 에너지가 어떤 식으로 변환되어서 사용되는지 알고 싶습니다. 책에서는 우리가 음식물을 섭취하면 그것의 화학에너지가 ATP라는 형태로 저장되었다가 ADP로 바뀌면서 에너지가 발생한다고 하는데요. 구체적으로 에너지가 분자 속에 어떤 형태로 저장되는 것인지 또 에너지가 방출될 때는 어떤 식으로 방출되는 것인지 궁금합니다. 특히 ATP 속에 내장된 에너지가 운동에너지와 열에너지 등으로 바뀐다는 것이 미시적 관점에서는 구체적으로 어떤 변화가 일어나는 것인지 알고 싶습니다.
상당히 좋은 질문이고 제가 학교에서 학생들에게 강의할 때 가장 애를 먹는 부분이기도 합니다. 설명이 쉽지 않아서 예를 들어 보기로 하겠습니다. 화학에너지는 주로 화학 결합 방식에 의해 결정된다고 할 수 있는데 용수철을 생각하면 쉽습니다. 즉 압축된 용수철은 ATP처럼 에너지가 비축된 형태이고 그것이 튕겨 나가면서 그 에너지가 운동에너지로 바뀌는데 이렇게 느슨해진 분자 형태가 ADP 혹은 AMP라고 할 수 있습니다. 단 ATP에서는 그것이 운동에너지 뿐 아니라 체온을 유지해 주는 열에너지 로 바뀌기도 하고 또는 생체발광이나 전기에너지로 바뀌기도 하는데 이 과정은 워낙 복잡하서 다음 기회에 설명해 드리기로 하겠습니다.
제 2종 영구기관은 열역학 제1법칙을 만족한다고 하는데, 1법칙 Q = W + U 에서 열효율(W/Q)이 100%인 제2종 영구기관이 되려면 U=0 이어야하나요? 그런데, U(내부에너지)의 값이 0이면 어떻게 외부에 일(W)을 할 수 있나요?
내부에너지가 0인 것이 아니라 내부에너지의 변화량이 0이라는 얘기입니다. 제2종 영구기관은 사용한 일을 새로운 에너지의 형태로 모두 회수해서 다시 동일한 일을 한다는 얘기인데요. 이는 에너지 보존법칙인 열역학 제1법칙은 만족하지만 가해진 에너지의 일부가 반드시 열에너지로 소실된다는 열역학 제2법칙에 위배됩니다. 열에너지란 회수해서 재사용할 수 없는 에너지입니다. 다시 말해 자연계에서 일을 하면 그 중 일부는 반드시 열에너지라는 형태로 낭비될 수밖에 없다는 것이죠. 열효율이 100%라는 것은 가해진 열이 모두 일로 바뀐다는 건데 이는 불가능합니다. 그 중 일부는 내부에너지 U로 갈 수 밖에 없습니다. 따라서 마지막 질문이 조금 잘못된 것 같습니다. “열기관에 열(Q)을 가했을 때 그 중 일부는 일(W)을 하고 나머지는 내부에너지(U)의 증가에 쓰인다.” 이렇게 이해하는 게 맞는 거죠.
제1종 영구기관이 불가능함을 보통 열역학 제1법칙으로 설명하잖아요. 그럼, 제1종 영구기관은 열역학 제2법칙을 만족시키나요? 만족시키지 못한다면 그 이유가 궁금합니다.
제1종 영구기관은 외부로부터 에너지를 새로 공급받지 않고도 계속 일을 할 수 있는 영구기관을 말합니다. 생명체로 말하자면 광합성(빛에너지)이나 음식 섭취(화학에너지) 없이도 움직이고 살아갈 수 있다는 얘기인 거죠. 만일 이것이 가능하다고 하면 이는 열역학 제2법칙에도 위배됩니다. 왜냐하면 이는 외부와의 물질이나 에너지 교환 없이도 질서를 유지할 수 있는 고립계가 존재한다는 얘기가 되기 때문입니다. 이를테면 내가 외부로부터 에너지의 공급 없이 외부 온도보다 높은 체온을 유지한다면 이것이 바로 열역학 제2법칙의 위배인 겁니다. 왜냐하면 외부로부터의 에너지 유입이 없다면 열은 높은 곳에서 낮은 곳으로 흘러 열평형이 이루어져야 하고 그러면 겨울에 외부와 온도가 같아져서 얼어 죽을 수밖에 없으니까요. 열역학 제2법칙에 따르면 생명체가 질서를 유지하는 것은 그 대가로 전체 우주의 엔트로피(무질서도)를 상승시키기 때문에 가능해지는 겁니다.
세상에서 가장 강력한 산성/염기성 용액은 무엇이 있나요?
초염기(Superbase), 초강산(Superacid)이라 부르는 물질들로 그 강도를 일반적인 pH 체계로는 제대로 구할 수 없어서 Hammett 산도함수라는 방식을 이용하여 비교합니다. 초염기에는 유기 리튬, 그리나르 시약 등이 있고 초강산에는 육플루오린화안티몬산이라고 불리우는 물질이 가장 강한 산입니다. 유리도 녹일 수 있어서 테플론 소재로 만든 특수용기에 보관합니다. 녹지 않는 물질이 여러 개 있겠지만 일단 테플론도 그 중 하나겠네요.
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