독서, 일상적이지만 절대적인 화학지식 50

# 일상적이지만 절대적인 화학지식 50

독서일: 2016/06/15 오후 1:46
비고: 2016년 6월 15일 오후 1:46
작가: 헤일리 버치
출판사: 반니

책 내용

1. 원자
    1. 원자: 전자(-) + (양성자(+)+중성자)
    2. 원자는 모든 것들의 구성요소. DNA나 단백질 등 생명체를 구성
    3. 탄소를 공유하지 않는 존재는 없다.
2. 원소
    1. 1669년 화학적 방법을 통해 인(p) 발견
    2. 주기율표의 세로는 체급
    3. 왼쪽으로 갈수록 금속의 경향. 아래쪽으로 갈수록 무겁다.
    4. 자연에서 발견할 수 있는 마지막 원소는 92번 우라늄
3. 동위원소
    1. 중성자는 원자 전체의 전하에는 아무런 영향을 미치지 않지만, 그 무게에는 큰 영향을 미친다.
    2. 수소 원자에 중성자를 하나 추가하면 '무거운 수소' 중수소(D 또는 2H)가 된다. 중수소로 만든 물은 중수(Heavy Water로 D₂O)가 된다.
    3. 수소 원자에 중성자를 두개 추가하면 삼중수소. 안정적이지 못해 방사성 붕괴를 한다.
    4. 방사선은 세포를 찢어발기고 통증을 유발하며 구토를 일으키고 면역계를 마비시킨다. 방사성 동위원소는 인체에 치명적일 수 있다.
    5. 탄소-14(반감기 5,700년)는 화석의 연대를 측정하는 데 도움을 준다.
    6. 1896년 암 치료에 방사선 이용.(감마선. 매우 위험하며. 높은 준위의 감마선은 암세포를 파괴하는데 사용)
    7. 1932년 채드윅, 중성자 발견.
4. 화합물
    1. 둘 이상의 원소로 이루어진 물질을 '화합물'이라고 한다.
    2. 산소분자(O₂)는 분자이지만 화합물은 아니다.
    3. 물(H₂O)은 화합물이다. 두 가지 원소를 포함하고 있기 때문이다. 또한 분자이다. 대부분의 현대적인 제품에 사용되는 물질은 화합물이자 분자이다.
    4. 화합물의 기본 단위가 반복되어 구슬을 꿰어 만든 목걸이와 같은 구조를 이루는 화합물을 폴리머(Polymer) 또는 중합체라고 한다.
    5. 폴리머 안에서 반복되는 각 단위를 모노머 또는 단량체라고 한다.
    6. 전하를 띤 원자를 이온이라고 한다.(전자를 잃거나 얻음)
    7. 이온 결합은 화합물을 만드는 중요한 결합이다.
5. 결합력
    1. 분자나 화합물 안의 원자들은 어떤 식으로든 전자를 이용해서 서로 결합한다.
    2. 전자는 원자핵을 둘러산 가각의 층 또는 껍질에 질서정연하게 채워진다.
    3. 공유결합은 단독 주택에 사는 것과 같다. 이산화탄소, 물, 암모니아
    4. 이온결합은 '반대 극끼리 끌어당긴다'는 원리에 따른 결합이다. 아파트와 같다. 염화나트륨
    5. 금속결합은 반대 전하를 띤 원자끼리 끌어당기지만 아파트가 아닌 히피 공동체와 비슷하다.
6. 상변화
    1. 어떤 물질이 고체에서 액체로 변하는 것을 화학자들은 열융합(Thermal fusion)이라고 부른다.
    2. 플라스마 상태는 전자가 느슨하게 들뜨고 물질의 입자가 전하를 띤다.
    3. 고체에서 기체가 되는 상변화를 승화라고 한다
    4. 액정은 액체와 고체결정의 중간 상태이다.
    5. 1888년 라이니처 액정 발견.
    6. 1928년 랭뮤어, '플라즈마'라는 요어 만듦.
    7. 1964년 액정 화면 개발
7. 에너지
    1. 에너지는 명확한 물질이 아니다. 에너지는 볼 수도 없고 손으로 만질 수도 없다.
    2. 에너지를 규정하기는 쉽지 않지만 대략 열을 생성하거나 '일을 하는' 능력이라고 말할 수 있다.
    3. 1850년 클라우지우스와 윌링머 톰슨, 열역학 제1법칙과 제2법칙을 명시
    4. 1905년 아인슈타인, E=mc²을 통해 에너지와 질량과 빛의 속도의 관계를 파헤침
8. 화학 반응
    1. 1789년 라부아지에 <화학의 기초적 논문>에 화학 반응이라는 개념 등장.
    2. 1898년 처음으로 광합성이라는 용어 사용
9. 평형
    1. 어떤 화학 반응은 한 방향으로만 진행되고, 또 어떤 반응은 끊임없이 양쪽 방향으로 왔다갔다 한다. 이런 '유연한'반응에서 특정 상태를 유지하도록 하는 것이 평형이다.
    2. 1884년 르 샤틀리에의 법칙 등장
10. 열역학
    1. 에너지는 결코 새로 생성되지도 않고 사라지지도 않는다는 것이 열역학 제1법칙이다.
    2. 열역학 제2법칙에 따르면 엔트로피는 언제나 증가하며 절대 감소하지 않는다. 다시 말해 모든 것이 점점 더 무질서해진다는 의미다.
    3. 1877년 볼츠만. 무질서도의 척도로 엔트로피 개념 소개.
11. 산(Acid)
    1. 오늘날 산은 양성자를 내놓는 물질, 염기는 양성자를 받는 물질이라고 생각한다.
    2. 산의 흥미로운 점은 산성이 강할수록 모든 것을 녹일 수 있다는 점이다.
    3. pH는 농도에 로그를 취한 값이므로 pH가 1만큼 커진다는 것은 물질이 열배 더 염기성이 강해진다는 의미이고 반대쪽으로도 마찬가지다.
12. 촉매
    1. 촉매는 반응을 시작하는 데 필요한 에너지의 양을 줄인다.
    2. 니켈은 마가린과 같은 지방을 굳게 하는 반응에 촉매로 사용된다.
13. 산화 환원(Redox)
    1. 어던 원자나 분자가 전자를 잃으면 '산화'되었다고 하고, 반대로 전자를 얻으면 '환원'되었다고 한다.
    2. 1880년 배터리 발명.
    3. 1897 톰슨, 전자 발견.
14. 발효
    1. 당은 효모의 먹이이다. 효모의 효소가 천연 촉매 역할을 해서 과일이나 곡물 속의 당을 에탄올과 이산화탄소로 분해한다.
15. 크래킹
    1. 크래킹은 긴 탄화수소 사슬을 좀 더 짧은 사슬로 쪼개는 공정이기 때문이다.
    2. 크래킹 공정은 원유를 증류해서 얻은 제품을 좀 더 정유업자의 요구에 맞는 형태로 가공할 수 있게 해준다.
    3. 원유: 용광로를 거쳐 석유기체/휘발유/등유/경유/산업용연료유/윤활유, 파라핀왁스, 아스팔트로 분별증류된다.
16. 화학적 합성
    1. 피셔-트롭시 합성법은 수소와 일산화탄소의 다양한 반응을 통해 합성 연료를 만드는 공정이다.
17. 하버 공정
    1. 암모니아로 질소를 만들어내는 공정
    2. 1918년 하버, 노벨 화학상 수상.
18. 분자비대칭성
    1. 2개의 분자가 겉보기에는 똑같이 생겼느데 완전히 다르게 행동하는 경우가 있다. 이런 특이한 화학적 현상이 일어나는 것은 분자비대칭성이라는 성질때문이다.
    2. 오늘날 생성되는 약품의 절반 이상이 분자대칭성 화합물이다.
    3. '나쁜' 거울상이성질체의 가장 충격적인 사례가 바로 태아 발달에 결함을 일으킨 악명 높은 약물, 타리도마이드이다.
    4. 분자비대칭성 화합물, 같은 말로 카이랄 분자는 분자 자체에 대칭면이 없다.
19. 녹색 화학
    1. 1991 아나스타스, '녹색화학'이라는 용어 만듦.
20. 분리
    1. 분리는 화학에서 가장 유용한 기술 중 하나이다.
    2. 크로마토그래피 기술은 추출하려는 성분을 특정 물질에 달라붙게 하는 것이다.
    3. 정지상은 종이이고 이동상은 색소이다. 색소가 종이를 따라 이동하기 때문이다.
    4. 전기이동 방법은 전기를 이용해서 단백질이나 DNA같은 분자를 분리하는 데 사용하는 방법이다.
21. 스펙트럼
    1. MRI는 특정 원자의 자연적인 성질에 기초해서 작동한다. 이 원자들의 핵은 작은 자석처럼 작동한다. 강한 자기장을 걸어주면 핵의 행동에 영향을 주는데, 라디오파로 그 행동을 조절하면 환자의 뇌에 관한 정보를 얻을 수 있다.
22. 결정학
    1. X선이 검출기에 부딪혀서 만든 점들의 분포로 산란 패턴을 해석한다.
    2. X선 결정학은 원자 수준의 구조를 알고 싶을 때 반드시 찾게 되는 분야가 되었다.
    3. X선 -> 결정 -> 회절 패턴
23. 전기 분해
    1. 바닷물에 전기를 흘려주면 염소를 얻을 수 있다.
    2. 도금은 전기 분해를 이요해서 저렴한 금속 위에 값비싼 금속의 얇은 막을 입히는 방법이다.
    3. 1908년 처음로 수돗물을 염소로 처리하기 시작.
24. 반도체의 미세 가공
    1. 잭 킬비는 집적 회로를 발명한 업적을 인정받아 노벨 물리학상을 받았다.
    2. 실리콘(규소) 웨이퍼, 도핑공정, 광식각공정
25. 자기 조립
    1. 액정은 어느 정도의 규칙적인 배열을 이루면서 동시에 액체와 같이 흐른 성질을 갖고 있다. 액정에 전기장을 걸어주면 그 배열이 미세하게 바뀐다. 그 성질을 이용해서 화면에 나타나는 영상을 조절하는 것이다.
    2. 1991년 시먼 연구팀, 자기조립을 통해 DNA 큐브를 만듦.
    3. 2013년 영구, 자기 조립하는 단문자층을 이용해 박테리아의 DNA를 검출하는 MRSA 테스트 개발
26. 랩온어칩
    1. 랩온어칩 기술의 가장 중요한 분야 중 하나가 미세유체공학이다. 대부분의 진단용 칩은 매우 적은 양의 액체를 사용하기 때문에 미세유체공학에 기초해서 설계되었다.
    2. 랩온어칩 장치에서 가장 흔히 검사하는 분자는 단백질, DNA 같은 핵산 그리고 대사에 관여하는 분자들이다. 당뇨병 환자는 끊임없이 혈당 농도를 감시해야 하는데, 이 경우에 분명히 칩 기술을 이용할 수 있다.
27. 계산화학
    1. 분자 시뮬레이션을 이용해서 약물 분자가 목표물인 체내의 분자와 어떻게 상호작용할지 미리 알아보는 것이다. 이렇게 함으로써 특정 질병과 싸우는 데 가장 적합한 약물을 식별할 수 있다.
    2. 2013년 카플러스, 레빗, 워셜. 계산화학으로 노벨 화학상 수상
28. 탄소
    1. 탄소는 지구에서 살아가는모든 생물의 근본이다. DNA에서 단백질, 지방, 탄수화물, 우리 뇌의 신경 세포의 시냅스를 건너다니는 신경전달물질까지 모든 생물 분자의 화학적 골격을 형성하는 원소가 바로 탄소이다.
    2. 모든 탄소화합물은 대부분 화학자들이 '유기화학'이라고 부르는 영역에 속한다.
    3. 우리가 에너지를 얻으려고 태우는 화석연료는 탄화수소 물질이다.
    4. 1754년 블랙, 이산화탄소 발견
    5. 1789년 라부아지에, 탄소라는 이름 제안
29. 물
    1. 물은 어디에나 있다. 미국의 화학자이자 물 전문가인 리처드 세이캘리는 우주에서 세 번째로 풍부한 분자가 물이라는 사실을 사람들에게 상기시키곤 한다.
    2. 액체 상태의 물이 특히 중요하다. 생명체가 살아가고 생명을 유지하는 데 필요한 화학 반응이 일어나기에 적절한 환경을 제공해줄 수 있는 독특한 화학적, 물리적 특징을 갖고 있기 때문이다. 첫째 액체 상태의 물은 탁월한 용매이다. 물은 거의 모든 것을 녹일 수 있다. 둘째 고체일 때보다 액체일 때 더 밀도가 높다는 특징이다.
    3. 상대적으로 드물게 일어나는 증발 작용은 물 표면에서 물 분자 하나하나가 수소 결합을 끊고 탈출해야 하는데, 이 현상을 아직 충분히 이해하지 못하고 있다.
30. 생명의 기원
    1. 밀러의 '수프'는 메테인, 암모니아, 수소, 물의 혼합물이다. 밀러의 수프 실험은 무기물질이 적절한 환경에서 약간의 자극을 받으면 한데 모여 유기물질을 생성할 수 있다는 사실을 모여준 최초의 증거였다. 밀러와 그의 지도교수인 해롤드 유리가 며칠 후 수프의 성분을 분석해본 결과 단백질의 구성단위인 아미노산 몇 종류가 들어 있다는 것을 확인했다.
    2. 열수분출공에서 나온 수소와 바닷물에 녹아 있던 이산화탄소가 만나서 반응을 일으켜 유기화합물을 만들어내기에 적당하다.
31. 우주화학
    1. 지구의 대기는 화학으로 가득하다. 지구 대기는 끊임 없이 서로 충돌하고 반응하는 분자들로 가득 차 있다. 해수면 높이의 대기 1cm³에 약 1019개의 분자가 들어 있다. 한편 우주의 진공상태는 그와는 극적으로 다르다. 성간 물질 1cm³에는 평균 1개의 입자가 들어 있다. 단 하나다. 그것은 모스크바 크기의 도시에 벌 한 마리가 윙윙대며 날아다닌 것과 마찬가지이다.
    2. 성간 물질의 대부분(99%)은 기체로 이루어져 있다. 질량 기준으로 수소가 2/3이상을 차지하고 있고, 나머지 원소의 대부분은 헬륨이 채우고 있다.
32. 단백질
    1. 놀라운 강도와 탄성을 지닌 거미줄에서, 질병으로부터 우리 몸을 보호해주는 항체에 이르기까지 단백질 구조는 어마어마하게 다양하다.
    2. 몸에서 합성하지 못해 음식으로 섭취해야 하는 아미노산을 필수아미노산이라고 한다.
    3. 리보솜은 DNA 암호에 들어 있는 지침에 따라 매초 약 20개의 새로운 아미노산을 연결할 수 있다.
33. 효소의 작용
    1. 에밀피셔는 1894년 젖당을 2개의 단당류(갈락토오스와 포도당)으로 쪼개는 가수분해 반응에서 효소가 촉매작용을 할 수 있음을 입증했다.
    2. 효소는 모두 아미노산으로 이루어진 단백질이다.
34. 당
    1. 우리는 당을 음식으로부터 섭취해야 하지만 식물은 광합성 반응을 통해 스스로 합성한다. 우리가 음식으로 얻는 당의 대부분은 식물에서 온 것이다.
    2. 당은 에너지를 내는 것 말고도 다른 용도와 역할을 가진다. 리보오스의 경우 유전 암호를 전달하는 DNA와 RNA분자를 구성하는 핵심적인 부분이다.
35. DNA
    1. 당시 뉴클레인 또는 DNA의 구성성분은 이미 밝혀진 상태였다. 인산(DNA 사슬의 뼈대를 이루며 미셔의 실험에서 다량의 인이 나온 원인), 당 그리고 오늘날 유전암호를 구성하는 성분이라고 밝혀진 다섯 종류의 염기이다.
    2. 1950년대부터 DNA의 비밀이 밝혀지기 시작했다. 바이러스가 박테리아를 감염시켰을 때 주입하는 유전물질이 DNA라는 사실이 확인되고, 그 이듬해에 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭이 DNA의 이중나선구조를 제안했다.
    3. 데옥시리보핵산(DNA)은 두 가닥의 핵산 사슬이 밧줄처럼 꼬인 구조를 이루고 있다. 핵산은 구슬 목걸이처럼 구성단위가 반복되어 연결된 사슬인데, 각 구성단위는 염기, 당, 인산기로 이루어져 있다. 두 가닥의 사슬은 양쪽 염기 사이의 수소결합으로 서로 결합하고 있다.
36. 생합성(Biosynthesis)
    1. 흙은 풍부한 항생물질의 원천이다. 아마도 토양 미생물이 다른 박테리아와 싸우기 위해 이런 물질을 만들어내는 것으로 보인다. 미생물들이 공간과 영양분을 놓고서 서로 경쟁을 벌이기 때문이다. 어쩌면 서로 의사소통을 하는데, 이런 물질을 이용할 수도 있다.
    2. 재미있는 것은 자연에서 푸른색이나 보라색 염료를 만들어내는 생합성 과정은 우리가 아직도 이해하지 못한다. 천연염료 자체는 수천 년 동안 이용해오고 있지만 말이다.
    3. 1928 플레밍, 페니실린 발견.
37. 광합성(Photosynthesis)
    1. 사실 식물이 산소를 만들어내려고 남조류를 포획해 노예로 삼은 것은 아니었다. 식물 입장에서 광합성의 중요한 산물은 당이다. 당은 빛의 에너지를 화학적 형태로 저장한 것으로 식물이 연료로 사용할 수 있는 분자이다. 광합성 과정에서 산소 분자가 6개 만들어질 때마다 포도당 분자 1개가 생산된다.
    2. 이산화탄소 + 물(+빛) → 포도당 + 산소
38. 화학적 메신저
39. 석유
40. 플라스틱
41. CFC
42. 복합물질
43. 태양 전지
44. 약물
45. 나노 기술
46. 그래핀
47. 3D 프린팅
48. 인공 근육
49. 합성생물학
50. 미래의 연료