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화학적 다양성의 깊이: 이성질체와 에너지 변환의 세계

by 대기업오너 2024. 1. 17.

탄소 원자 2개가 결합하고, 각 탄소 원자에 수소 원자 3개가 결합하면 에탄 분자가 얻어집니다. 탄소 원자 4개가 결합하면 n-부탄이라고 하는 선형 구조와 이소-부탄이라고 하는 분지형 구조의 두 가지 다른 구조가 가능합니다. 이 두 구조는 분자식이 C4H10은 같지만 구성 원자의 부착 순서가 다릅니다. 이 두 분자를 구조적 이성질체라고 합니다. 이들은 각각 독특한 화학적, 물리적 성질을 가지고 있고, 서로 다른 화합물입니다. 가능한 이성질체의 수는 탄소 원자의 수가 증가함에 따라 급격히 증가합니다. C6H14는 5개, C10H22는 75개, C40H82는 6.2×1013개의 이성질체가 있습니다. 탄소가 산소, 질소, 황 등 수소 이외의 원자와 결합하면 그 구조적 가능성은 더욱 커집니다. 탄소 화합물을 생물체에 필수적으로 만드는 것은 바로 이러한 구조적 다양성의 큰 가능성입니다. 탄소화합물의 결합 순서가 고정되어 있어도 그 이상의 구조적 변이는 가능합니다. 탄소원자 2개가 전자의 결합쌍에 의해 결합하면 이중결합이 생깁니다. 이중결합은 두 탄소원자와 붙은 그룹을 단단한 평면 구조로 강제합니다. 그 결과 CHCl=CHCl 같은 분자는 기하이성질체라고 하는 비동등한 두 가지 형태로 존재할 수 있습니다. 고리 구조에서도 구조적인 강성이 나타나는데, 고리의 같은 면에 붙어 있는 그룹도 있고 다른 면에 있을 수도 있습니다. 탄소 원자가 네 개의 다른 그룹에 결합되어 있을 때 또 다른 이성질화의 기회가 생깁니다. 이것들은 두 가지 다른 방법으로 부착될 수 있는데, 그 중 하나는 거울상입니다. 이런 종류의 이성질화를 광학적 이성질화라고 하는데, 두 이성질체가 평면과 polarized의 빛에 미치는 영향이 다르기 때문입니다. 네 개의 다른 그룹에 결합된 탄소 원자마다 두 개의 광학적 이성질체가 가능합니다. 그런 탄소 원자가 10개인 분자라면 가능한 이성질체의 총 개수는 210개=1,024개가 될 것입니다. 큰 생체분자는 그런 광학적 이성질체가 가능한 탄소 원자를 10개 이상 가지고 있는 경우가 많습니다. 가능한 이성질체 중에서 오직 한 개만이 천연 분자와 같을 것입니다. 이런 이유로 큰 유기 분자의 실험실 합성은 대단히 어렵습니다. 화학자들은 20세기의 마지막 몇 십 년 동안에만 특정한 광학적 이성질체를 생산하는 시약과 공정을 개발하는 데 성공했습니다. 그들은 새로운 합성 방법이 훨씬 더 복잡한 천연물의 합성을 가능하게 할 것이라고 기대합니다. 화학적 변환에 대한 조사와 기본요소: 이온성 물질과 공유결합 분자의 구조에 따라 그들의 기능이 크게 결정됩니다. 앞에서 언급한 바와 같이, 물질의 성질은 그 물질이 함유하고 있는 원자의 수와 종류, 그리고 존재하는 결합 양상에 따라 달라집니다. 그러나 물질의 벌크 성질은 개별 원자, 이온 또는 분자 간의 상호작용에도 따라 달라집니다. 물질의 기본 단위 사이의 인력력은 주어진 온도와 압력에서 그 물질이 고체상, 액체상 또는 기체상에 존재할 것인지를 결정합니다. 예를 들어 상온과 압력에서 나트륨의 양이온과 염소의 음이온 사이의 강한 인력력은 그들을 조밀한 고체 구조로 끌어들입니다. 이웃한 물 분자 사이의 인력력이 약하기 때문에 액체가 더 느슨하게 채워지는 특성이 있습니다. 마지막으로, 인접한 산소 분자 사이에서 작용하는 매우 약한 인력은 열의 분산력에 의해 초과되고, 결과적으로 산소는 기체입니다. 따라서 입자 간의 힘은 물질의 화학적, 물리적 거동에 영향을 미치지만, 입자가 다른 입자의 접근에 어떻게 반응할지도 크게 결정합니다. 만약 두 입자가 서로 반응하여 새로운 입자를 형성하면, 화학 반응이 일어납니다. 분자 결합에 의해 허용되는 무한한 구조적 다양성에도 불구하고, 만약 물질이 변화할 수 없다면, 세상은 생명이 없을 것입니다. 분자 구조 연구를 보완하는 화학적 변환 연구는 에너지와 엔트로피의 개념 위에 세워졌습니다. 에너지와 열역학 제1법칙: 에너지라는 개념은 모든 과학에서 기본적이고 친숙한 개념입니다. 간단히 말해서 몸의 에너지는 일을 할 수 있는 능력을 나타내는 것이고, 일 자체는 먼 곳에서 작용하는 힘입니다. 화학계는 운동에너지(운동에너지)와 퍼텐셜에너지(저장에너지)를 모두 가질 수 있습니다. 고체, 액체, 기체에 있는 분자들의 집합체가 가지고 있는 운동에너지는 열에너지로 알려져 있습니다. 예를 들어 액체는 열에너지가 더 많을 때 팽창하기 때문에 수은 액체기둥은 더 따뜻해질 때 진공관 안에서 더 높이 올라갈 것입니다. 이런 식으로 온도계를 사용하여 계의 열에너지, 즉 온도를 측정할 수 있습니다. 모든 분자운동이 정지하는 온도를 절대영도라고 합니다. 또한 에너지는 원자나 분자에 위치 에너지로 저장될 수도 있습니다. 양성자와 중성자가 결합하여 어떤 원소의 핵이 만들어질 때 위치 에너지의 감소는 엄청난 양의 운동 에너지의 생성과 일치합니다. 예를 들어 양성자 하나와 중성자 하나에서 중수소 핵이 만들어지는 경우를 생각해 보세요. 화학자의 기본 질량 단위는 몰로, 원자든 분자든 6.02×1023개의 개별 입자의 질량을 그램 단위로 나타냅니다. 양성자 1몰의 질량은 1.007825그램이고 중성자 1몰의 질량은 1.008665그램입니다. 중수소 원자 1몰의 질량은 단순하게 더하면 2.016490그램이 되어야 합니다. 측정된 질량은 이보다 0.00239그램 적습니다. 누락된 질량은 핵의 결합 에너지로 알려져 있으며, 핵 생성에서 방출되는 에너지의 질량 등가물을 나타냅니다. 질량을 에너지로 변환하는 아인슈타인의 공식(E = mc2)을 사용하면 0.00239그램의 에너지 등가물을 2.15×108킬로줄로 계산할 수 있습니다. 메탄 1몰이 연소할 때 방출되는 에너지의 약 24만 배입니다. 원자의 생성과 상호 변환의 에너지에 대한 이러한 연구는 핵화학이라고 알려진 전문 분야의 일부입니다.