유기화학 0 : 탄소로 만드는 무한한 가능성! 유기화학

  안녕하세요. 공대생 청정수입니다!
오늘은 제 최애 과목들 중 하나이자 수 많은 동기들이 재수강을 한다는... 그 학문! 유기화학(Organic Chemistry)에 대한 이야기를 해볼까 합니다. 이름만 들으면 무시무시하게 보이지만 한번 빠지면 헤어나올 수 없는 매력이 있는 학문이에요!

유기 화학? 그게 뭐에요?

 유기(Organic, 有機)라는 말은 생명을 가진 것과 관련이 깊어요. 실제로 유기 화학의 시작은 생명체에서 얻어지는 물질을 연구하는 학문으로 시작되었어요. 하지만 현대에 와서는 탄소 원자를 포함하는 화합물을 연구하는 학문이라고 할 수 있습니다!
 탄소 원자는 최대 4개의 다른 원자와 결합할 수 있고, 같은 원자들과 끝없이 연결되어 길고 복잡한 사슬, 고리 모양도 만들 수 있어요. 이러한 결합력과 다양성 덕분에 세상에는 무수하게 많은 유기 화합물이 존재할 수 있는 것이죠!

그러면 탄소가 없으면요?

 탄소가 없는 화합물은 무기 화학(Inorganic Chemistry)이라는 학문에서 주로 다루어요. 무기 화학도 다음에 기회가 되면 포스팅 해보도록 할게요!

유기 화학이 왜 그렇게 중요할까?

 탄소 화합물을 연구하는 게 왜 이렇게 중요하냐고요? 우리 주변의 거의 모든 물질이 유기 화합물이기 때문입니다!

• 생명의 근원: 우리 몸을 구성하는 단백질, 탄수화물, 지방, DNA, 비타민 등 모든 생체 분자가 바로 유기 화합물이에요. 유기화학은 생명 현상을 분자 수준에서 이해하는 데 필수적인 학문이죠.
• 의약품: 아스피린, 항생제, 항암제 등 우리가 질병을 치료하기 위해 사용하는 대부분의 약물이 유기 화합물입니다. 유기화학자들은 새로운 질병 치료제를 개발하기 위해 밤낮없이 분자를 설계하고 합성하죠.
• 플라스틱과 신소재: 우리가 매일 사용하는 플라스틱 용기, 옷감, 자동차 부품, 전자기기 등은 모두 고분자 유기 화합물로 만들어져요. 유기화학은 더 가볍고, 튼튼하며, 기능성 있는 신소재를 개발하는 데 핵심적인 역할을 합니다.
• 에너지: 석유, 천연가스 등 우리가 사용하는 대부분의 화석 연료는 유기 화합물이에요. 또한, 태양전지나 연료전지 같은 친환경 에너지 기술 개발에도 유기 화합물이 중요하게 사용됩니다.
• 일상생활: 식품의 향료, 화장품, 세제, 페인트, 접착제 등 우리 생활을 풍요롭게 하는 수많은 제품들이 유기화학의 산물이랍니다.

 유기화학의 기본 개념: 작용기와 반응 (찍먹)

 유기화학을 공부하다 보면 처음에는 복잡한 구조식에 압도될 수 있어요. 하지만 유기화학에도 나름의 규칙과 패턴이 있답니다! 그중 가장 중요한 개념 중 하나가 바로 작용기(Functional Group)예요.

 작용기는 유기 분자 내에서 특정 원자들의 배열을 이루는 부분인데, 이 작용기가 분자의 화학적 성질과 반응성을 결정하는 핵심적인 역할을 합니다. 예를 들어, -OH(수산화기)를 가지고 있으면 알코올, -COOH(카복실기)를 가지고 있으면 카복실산이라고 부르죠. 각 작용기마다 고유한 성질과 반응 양상을 가지고 있기 때문에, 이 작용기들만 잘 알아도 수많은 유기 화합물의 성질을 예측하고 이해할 수 있답니다!

 유기화학은 또한 다양한 '반응'들을 통해 새로운 분자를 만들어내는 학문이에요. 치환 반응, 첨가 반응, 제거 반응, 재배열 반응 등 수많은 반응들이 있는데, 각 반응의 메커니즘을 이해하는 것이 유기화학 공부의 핵심이죠. 마치 레고 블록을 조립하듯이, 유기화학자들은 이런 반응들을 조합하여 원하는 분자를 효율적으로 합성하는 방법을 연구합니다.

미래를 만드는 유기화학 연구의 최전선!

 현대 유기화학은 단순히 새로운 분자를 합성하는 것을 넘어, 인류의 난제를 해결하는 데 핵심적인 역할을 하고 있어요.

• 지속 가능한 화학: 친환경적인 방법으로 유기 화합물을 합성하는 '녹색 유기화학', 폐기물을 줄이고 에너지 효율을 높이는 연구가 활발히 진행 중입니다.
• 신약 개발: AI를 활용하여 신약 후보 물질을 빠르게 탐색하고, 복잡한 생체 내 과정을 모방하는 새로운 약물 전달 시스템을 개발하는 등 첨단 기술과 융합되고 있죠.
• 첨단 소재: 자체 회복 능력을 가진 고분자, 특정 자극에 반응하는 스마트 소재, 더욱 효율적인 유기 태양전지 등 상상 속에서만 존재하던 물질들이 유기화학의 힘으로 현실이 되고 있습니다.
• 생명공학과의 융합: 유기화학은 생명체 내의 복잡한 화학 반응을 이해하고 조작하는 데 필수적이며, 유전자 편집 기술이나 단백질 공학 등 생명공학과의 경계가 허물어지며 새로운 시너지를 창출하고 있습니다.

어렵지만 유용한 유기화학! 포스팅을 마치며...

 저도 유기화학을 처음 접했을 때는 조금 어렵게 느껴졌었어요. 특히 이론으로 반응을 유추하는 부분이 어렵더라고요. 하지만 탄소로 만들어지는 무한한 가능성을 배우고 알아가는 학문이고, 우리 주변에 있는 거의 모든 것을 배운다는 점이 매력적으로 느껴지지 않아요? 앞으로 올라올 유기화학에 대한 다른 게시물에도 많은 관심을 주세요! 긴 글 읽어주셔서 감사합니다! 

공학 기초 1: 유효숫자

 공대를 다니면 계산을 할 일이 참 많습니다. 물론 제가 손으로 직접 하진 않고, 빠르고 편하며 정확하기까지 한 공학용 계산기가 전부 처리해주니 정말 편한 세상인 것 같습니다. 하지만 이렇게 계산은 계산기가 해주지만 우리는 유효숫자라는 개념을 알아야 합니다. 실험 보고서를 쓸 때 계산한 값이 1.03712753384... 이라면 이 많은 숫자를 다 적는 건 손도 아프고, 효율도 떨어집니다. 그러면 어떻게 쓰는 게 좋을까요? 지금부터 알아보겠습니다.

 유효숫자? 그게 뭐야?

 유효숫자를 정의한다면 정밀도를 잃지 않는 선에서 주어진 값을 과학적인 표기 방법으로 기록하는데 필요한 최소한의 자릿수 입니다. 숫자 3개로 예를 들어보겠습니다.

2.025 * 10^2 (유효숫자 4자리)

2.0250 * 10^2 (유효숫자 5자리)

2.02500 * 10^2 (유효숫자 6자리)

위의 세 숫자는 놀랍게도 다른 값입니다. 유효숫자가 늘어날수록 더욱 정밀한 값을 나타내고 있습니다. 이런 유효숫자는 공학 등 다양한 분야에서 사용됩니다. 실험 데이터를 처리할 때도 많이 사용됩니다. (실험 보고서에 이 유효숫자를 고려하지 않고 계산 값을 표기한다면 감점당할 수 있습니다.) 

유효숫자의 기본 개념

유효숫자를 본격적으로 다루기 전에 0을 어떻게 해야 하는지 알려드리겠습니다. 예를 들어

0.1 (유효숫자 1자리)

0.01 * 10^1 (유효숫자 1자리)

0.001 * 10^2 (유효숫자 1자리)

위 세 숫자는 놀랍게도 전부 같은 값입니다. 하지만 처음 보았던 2.025 ... 의 경우는 전부 다른 값 이였습니다. 0은 숫자의 앞에 있는 경우에는 유효숫자로 취급하지 않습니다. 반대로 숫자 사이 (0.101 같이 1 사이에 있는 0은 유효숫자로 취급함) 또는 숫자의 끝에(0.10 에서 소수점 둘째 자리에 있는 0은 유효숫자로 취급함)있는 0의 경우에는 유효숫자로 취급합니다.

"0은 숫자의 앞에 있는 경우에만 유효숫자로 취급하지 않는다."

유효숫자의 계산과 표기 방법

 덧셈과 뺄셈

소수점 이하 자리수가 가장 적은 유효숫자로 결과를 제한합니다. 예를 들어

10.345 + 27.21 = 37.555 (37.56)

 위의 계산에서 두 숫자 중 소수점 이하 자릿수는 각 세 자리, 두 자리로 두 자리가 제일 적습니다. 따라서 유효숫자를 고려하여 계산 및 표기를 한다면 소수점 셋째 자리에서 반올림한 괄호 내의 값이 옳다고 볼 수 있습니다. 뺄셈도 같은 방식으로 계산하고 작성하면 됩니다.

또한 숫자가 정확하게 절반이 될 때에는 짝수로 반올림 합니다. 예를 들면

10.335 + 27.21 = 37.545 (37.54)

10.3351 + 27.21 = 37.5451 (37.55) 

상단의 식처럼 5로 정확하게 절반이 되었다면 짝수가 될 수 있게 반올림을 해주면 됩니다. 하단의 식의 경우 정확하게 절반이 아니기 때문에 그냥 반올림하여 상단보다 0.01 높습니다.

 곱셈과 나눗셈

가장 적은 유효숫자를 가진 유효숫자로 결과를 제한합니다. 덧셈 뺄셈과는 다릅니다.

0.00111 * 1.0 = 1.11 * 10^-3 (1.1 * 10^-3)

첫 번째 수는 앞의 0은 전부 유효숫자가 아니고, 유효숫자는 111 즉 3자리 입니다. 그리고 뒤의 숫자는 1.0 으로 유효숫자는 2자리 입니다. 따라서 계산 결과는 유효숫자가 2자리가 되도록 표기하면 됩니다.

과학적 표기 방법

 만약 숫자가 0.00000000100 일 경우 유효숫자가 아닌 0이 너무나 많습니다. 이럴 때 쓰이는 것이 과학적 표기 방법입니다. 이 0.00000000100의 경우 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

1.00 * 10^-9

매우 작은 값에서도 쓰이고, 매우 큰 값에서도 쓰입니다. 예를 든다면

100000000 * 0.22 = 22000000

이 되는데 유효숫자는 2자리 입니다. 이를 충족하기 위해서 라도 과학적 표기 방법을 따라야합니다. 이것을 표기한다면

2.2 * 10^7

이 됩니다. 참고로 이 방법에서 뒤에 붙는 *10^n 은 유효숫자로 취급하지 않습니다. 소수점의 위치가 어디인지 알려주는 용도입니다.

 오늘은 유효숫자에 대해서 알아봤습니다. 유효숫자는 오차, 정밀도와 같은 개념과 관련이 있는 내용이기에 특히 실험을 하고, 보고서를 작성할 때 중요합니다. 제 포스팅으로 헷갈리는 일 없게 앞으로 유효숫자를 표기할 때 틀리는 일이 없기를 바랍니다. 감사합니다. 

분석화학 1: 화학분석의 과정

 화학분석은 물질의 종류를 특정해내는 정성분석과 물질의 함량을 특정하는 정량분석으로 나뉘어집니다. 이러한 화학분석은 어떻게 이루어 지는지 음료에 포함된 카페인을 분석 및 비교하는 방법을 예시로 들며 알아보겠습니다. 해당 포스팅에서는 전혀 모르는 물질을 특정해내는 정성분석 보다 간단한 내용의 정량분석에 초점을 두고 작성되었습니다.

화학 분석의 과정

1. 시료 채취

 분석할 물질(시료)를 채취하는 과정입니다. 시료는 균일 혼합물과 불균일 혼합물로 나뉘게 되는데 예를 들자면 콜라와 버블티를 생각하시면 됩니다. 균일 혼합물은 어느 부분에서 채취를 하던 동일한 조성을 가지게 됩니다.예를 들어 콜라처럼 대부분의 성분이 용해되어 있는 경우가 이에 해당합니다.(시간에 따라 빠져나간 탄산가스에 의해 농도가 변할 수 있으므로, 기포가 올라오는 상태가 아닌 김 빠진 콜라를 채취하는 것으로 설명하겠습니다.) 불균일 혼합물로 예시를 든 버블티의 경우 음료의 하단에는 타피오카 펄이 들어있고, 내부에 얼음이 존재하는 등 조성이 동일하지 않습니다. 이러한 불균일 혼합물은 분석물질이 소규모인 경우에는 시료를 분쇄, 교반 등의 과정으로 시료를 최대한 균일하게 만들어서 채취합니다. 대규모(예를 들면 토양같이)조성이 비슷한 영역을 나누어, 영역의 비율에 맞게 랜덤하게 채취하여 분쇄 및 혼합하는 등의 방법을 이용합니다. 현실에서는 다양한 이유로 완벽한 균일 혼합물이 존재하기에 어려운 환경이기 때문에 안정성이 입증된 시료의 경우 잘 흔들어서(혼합하여) 채취하는 것이 적합합니다.

2. 시료의 전처리

 분석할 물질을 분석에 더욱 적합한 형태로 가공하는 과정을 의미합니다. 콜라에서 카페인의 추출 및 분석시에 방해 될 가능성이 있는 탄산가스를 제거하거나, 분쇄하여 얻어진 버블티 시료에서 분석에 사용할 수 없는 침전물(갈려버린 타피오카 펄)을 제거하는 등의 과정을 총칭합니다. 또한 분석 시 결과에 혼선을 줄 수 있는 화합물을 반응시켜 제거하거나 마스킹, 농축, 추 하는 등의 과정 또한 시료의 전처리 입니다. 해당 과정은 분석의 목적과 사용할 기기에 맞게 진행합니다. 

3. 화학분석

 방금의 과정에서 전처리가 완료된 샘플을 칼럼, 셀 등 분석용기에 주입하고, 기기를 작동하여 분석값을 도출하는 과정입니다. 카페인의 정량분석을 위해서 액체 크로마토그래피를 이용할 경우 이동상을 흘려주게 됩니다. (크로마토그래피란 물질간의 친화도를 이용하여 분석 물질을 분리하는 방법으로, 이동상(흘리는 용액)과의 친화도가 더 높은 경우 빨리 검출되고, 고정상과의 친화도가 더 높은 경우 더 느리게 검출되는 원리를 이용한 분석화학적 기법입니다.) 분석에 사용된 기기에 따라서 다르겠지만 모든 기기가 분석 물질이 어떤 종류이고, 어느 정도의 양을 가진다고 친절하게 알려주지 않습니다. 분석기기에서 피크가 3개 발생했을 경우 어떤 물질이 카페인인지 우리는 알  방법이 없게 됩니다. 이를 알아내기 위해서 표준물첨가 라는 과정을 거치게 됩니다. 우리가 분석할 물질(카페인)을 소량 시료에 첨가하여 다시 분석한다면 3개의 피크 중 높아진 피크가 카페인의 값에 해당한다고 판단할 수 있습니다. 이렇게 분석할 물질의 피크를 확인했다면 해당 피크의 높이 또는 넓이로 분석 물질의 양을 정량합니다.

 

4. 교정곡선

 결과를 더욱 신뢰성 있게 만들고, 미지시료 속 분석물질의 정량을 위한 필수 과정입니다. 카페인의 피크 하나만 가지고는 정확한 함량을 알 수 없습니다. 따라서 우리는 우리가 농도를 아는 카페인 표준 용액을 제조 및 분석하여 피크 값을 얻어내고, 그래프에 옮겨 그린 뒤, 분석 물질의 피크 높이를 해당 교정 곡선에 대입하여 어느 정도의 농도로 카페인이 있었는지 알아낼 수 있습니다. 분석 물질을 희석하였을 경우 희석 계수를 곱해줘서 원액의 농도를 구합니다.

5. 결과의 분석

 4번까지의 과정으로 얻어진 실험의 값을 분석하는 과정입니다. 해당 게시글의 경우 음료 속 카페인의 비교를 목적으로 설정하였습니다. 실험으로 얻은 값으로 콜라에 카페인이 더 많이 함유되었는지, 버블티에 더 많이 함유되었는지 실험을 설계한 목적에 맞게 값을 해석합니다. 하지만 여기에서 주의해야 할 점이 있습니다. 일반적으로 분석의 경우 신뢰성을 위해서 실험을 여러번 진행합니다. 여기에서 필연적으로 표준편차가 발생하게 되는데, 표준편차가 작을 경우 실험의 정밀도가 높다고 판단할 수 있으며, 실험 값은 신뢰성을 얻습니다. 하지만 표준편차가 클 경우 실험의 정밀도가 낮으며, 신뢰할 수 없다고 판단할 수 있습니다. 재현도가 낮은 경우 추가적인 분석을 통하여 실험값을 다시 측정해야합니다.

6. 품질보증

 분석한 방법이 얼마나 신뢰성이 있는지 공인하는 과정이라고 할 수 있습니다. 시료 채취 조건, 정확더, 정밀도 등등 다양한 항목이 포함됩니다. 해당 부분은 화학분석의 과정을 살펴보는 지금 언급하는건 분량상 적절하지 않을 것이라 판단. 추후 자세하게 작성하도록 하겠습니다.