생활 속 화학 퀴즈 12문제 - 산과 염기와 pH, 중화 반응과 제산제, 산화와 환원, 계면활성제와 비누, 용해도와 온도, 삼투압과 절임, 촉매, 발효와 부패, 연소의 세 요소, 플라스틱 재질 표기, 방부제와 산화방지제, 알코올 도수와 증류

정답과 해설

1. pH에 대한 설명으로 맞는 것은? — 정답: 7이 중성이고 값이 작을수록 산성이 강하며, 1만큼 차이 나면 수소 이온 농도가 10배 달라진다. pH는 용액 속 수소 이온 농도를 로그로 나타낸 값입니다. 25도의 순수한 물이 7로 중성이고 그보다 작으면 산성, 크면 염기성입니다. 로그 척도라는 점이 중요합니다. pH 3은 pH 5보다 두 배가 아니라 100배 더 산성입니다. 위액이 1에서 2 사이, 레몬즙이 2에서 3, 커피가 5 안팎, 혈액이 7.4 근처, 비누물이 9에서 10 정도입니다. 흔히 0에서 14로 표시하지만 이는 관례적인 범위일 뿐 강한 산이나 염기에서는 그 밖의 값도 나옵니다. 생활에서 알아 둘 점은 산성 세정제와 염소계 표백제, 이른바 락스를 함께 쓰면 안 된다는 것입니다. 두 가지가 섞이면 유독한 염소 기체가 나오므로 절대 혼합하지 말고 환기를 충분히 해야 합니다.
2. 속쓰림에 먹는 제산제가 위에서 하는 일은? — 정답: 염기성 물질이 위산과 반응해 산을 중화시켜 산도를 낮춘다. 위액의 주성분은 염산이고 평소 pH가 1에서 2 사이로 강한 산성입니다. 제산제에는 탄산수소나트륨, 수산화알루미늄, 수산화마그네슘, 탄산칼슘 같은 염기성 물질이 들어 있어 이 산과 반응해 물과 염을 만들고 산도를 낮춥니다. 이것이 중화 반응입니다. 탄산 성분이 든 제산제를 먹으면 트림이 나오는 것은 반응에서 이산화탄소가 생기기 때문입니다. 다만 제산제는 이미 나온 산을 없애는 약이라 효과가 빠른 대신 오래가지 않고, 위산 분비 자체를 줄이는 약과는 작동 방식이 다릅니다. 위산은 소화와 살균에 필요한 것이라 무작정 오래 억누르는 것도 좋지 않으며, 증상이 반복되면 원인을 확인하는 편이 낫습니다. 중화는 세제와 얼룩 처리에도 쓰여, 산성 얼룩에는 약한 염기성, 염기성 얼룩에는 약한 산성이 대응됩니다.
3. 철이 녹슬고 깎아 둔 사과가 갈색으로 변하는 현상의 공통점은? — 정답: 둘 다 공기 중의 산소와 관련된 산화가 일어난 결과다. 산화는 넓게 보면 어떤 물질이 전자를 잃는 변화이고, 그 전자를 받은 쪽에서는 환원이 일어납니다. 산소가 관여하는 경우가 많아 산화라는 이름이 붙었습니다. 철이 물과 산소가 있는 곳에서 산화철로 변하는 것이 녹이고, 깎은 사과의 갈변은 세포가 상처를 입으면서 나온 효소가 폴리페놀 성분의 산화를 촉진해 갈색 색소가 생기는 과정입니다. 녹은 도장과 기름막으로 산소와 물을 차단해 막고, 갈변은 레몬즙을 뿌리거나 소금물이나 찬물에 담가 늦출 수 있습니다. 레몬즙의 비타민C가 대신 산화되면서 사과의 산화를 늦추고 산성 환경이 효소의 활성을 떨어뜨리기 때문입니다. 조리한 감자나 고기가 갈색이 되는 것은 이와 다른 반응으로, 열에 의해 당과 아미노산이 반응하는 마이야르 반응입니다.
4. 비누와 세제가 기름때를 씻어 내는 원리로 맞는 것은? — 정답: 한쪽 끝은 물과 친하고 다른 쪽 끝은 기름과 친한 분자가 기름을 둘러싸 작은 덩어리로 만들어 물에 씻겨 나가게 한다. 물과 기름은 성질이 달라 그대로는 섞이지 않습니다. 계면활성제 분자는 물과 잘 어울리는 친수성 머리와 기름과 잘 어울리는 소수성 꼬리를 한 몸에 가지고 있어 그 경계에 자리를 잡습니다. 꼬리가 기름 쪽으로 파고들고 머리가 바깥의 물을 향하도록 여러 분자가 모여 기름 방울을 감싸면, 겉면이 물과 친한 작은 덩어리가 되어 물에 흩어지고 헹굼과 함께 빠져나갑니다. 이 구조를 미셀이라고 부릅니다. 계면활성제는 표면장력도 낮춰 물이 옷감 사이와 그릇 틈으로 스며들게 돕습니다. 세제를 많이 넣는다고 세정력이 비례해 좋아지지는 않고 헹굼만 어려워지며, 손을 씻을 때 비누를 충분히 문지르는 시간이 필요한 이유도 이 덩어리가 만들어지고 떨어져 나가는 데 시간이 걸리기 때문입니다.
5. 온도와 용해도의 관계로 맞는 것은? — 정답: 대부분의 고체는 물의 온도가 높을수록 더 많이 녹지만, 기체는 반대로 온도가 높을수록 덜 녹는다. 설탕이나 소금 같은 고체는 대체로 물이 뜨거울수록 더 많이 녹습니다. 온도가 오르면 물 분자의 운동이 활발해져 고체 입자를 떼어 내 둘러싸기 쉬워지기 때문입니다. 반면 기체는 정반대입니다. 온도가 오르면 녹아 있던 기체 분자가 운동 에너지를 얻어 물 밖으로 빠져나가므로 용해도가 떨어집니다. 탄산음료를 차갑게 보관하고 차가운 상태에서 마셔야 톡 쏘는 느낌이 남는 이유, 미지근한 콜라의 김이 금방 빠지는 이유가 여기에 있습니다. 여름철 수온이 오르면 물속 용존 산소가 줄어 물고기가 힘들어지는 것도 같은 성질입니다. 기체의 용해도는 압력에도 크게 영향을 받아, 탄산음료 병을 열면 압력이 낮아지면서 이산화탄소가 거품으로 빠져나옵니다.
6. 배추에 소금을 뿌리면 물이 빠져나오는 현상을 설명하는 개념은? — 정답: 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 물이 이동하는 삼투 현상 때문이다. 세포막은 물은 비교적 잘 통과시키지만 용질은 선택적으로 걸러 냅니다. 배추 겉에 소금이 닿으면 바깥쪽 용액의 농도가 세포 안보다 훨씬 높아지고, 그러면 농도를 맞추려는 방향으로 세포 안의 물이 밖으로 빠져나옵니다. 이것이 삼투이고 그때 작용하는 압력이 삼투압입니다. 배추가 숨이 죽고 부피가 줄어드는 것이 그 결과입니다. 설탕에 절인 과일에서 즙이 나오는 것, 소금이나 설탕에 절인 식품이 잘 상하지 않는 것도 같은 원리로, 미생물의 세포에서도 물이 빠져나가 증식이 어려워지기 때문입니다. 반대로 시든 채소를 찬물에 담그면 물이 세포 안으로 들어가 아삭해집니다. 수액이나 식염수의 농도를 혈액과 맞추는 것도, 농도가 어긋나면 적혈구에서 물이 빠지거나 반대로 물이 들어가 터질 수 있기 때문입니다.
7. 촉매에 대한 설명으로 맞는 것은? — 정답: 반응이 일어나는 데 필요한 활성화 에너지를 낮춰 속도를 높이지만, 자신은 반응 전후로 소모되지 않는다. 촉매는 반응이 넘어야 하는 에너지 언덕을 낮춰 주는 물질입니다. 다른 경로를 열어 주어 같은 온도에서도 훨씬 빠르게 반응이 진행되게 하고, 반응이 끝난 뒤에는 원래 모습으로 남아 다시 쓰입니다. 다만 없던 반응을 만들어 내지는 못하고 평형에 이르렀을 때의 생성물 비율을 바꾸지도 않습니다. 바꾸는 것은 도달하는 속도입니다. 자동차 배기가스 정화 장치는 백금과 팔라듐 같은 금속을 촉매로 써서 유해 물질을 덜 해로운 형태로 바꾸고, 암모니아 합성과 정유 공정도 촉매 위에서 이루어집니다. 우리 몸의 효소도 생체 촉매이고, 상처에 과산화수소를 부었을 때 거품이 나는 것은 조직의 카탈레이스가 과산화수소를 물과 산소로 빠르게 분해하기 때문입니다.
8. 발효와 부패의 차이로 가장 정확한 것은? — 정답: 둘 다 미생물이 유기물을 분해하는 과정이며, 그 결과가 사람에게 유용하면 발효, 해롭거나 먹을 수 없게 되면 부패라고 부른다. 두 현상은 화학적으로 뚜렷이 구분되는 별개의 과정이 아닙니다. 어느 쪽이든 미생물이 유기물을 분해하며 대사 산물을 남기는 일이고, 그 결과를 사람이 어떻게 받아들이는지에 따라 이름이 갈립니다. 젖산균이 당을 분해해 신맛과 보존성을 만들면 김치와 요구르트가 되고, 원치 않는 균이 단백질을 분해해 악취와 유해 물질을 만들면 부패입니다. 그래서 발효 식품을 만들 때는 원하는 균이 먼저 자리를 잡도록 조건을 맞춥니다. 소금 농도, 온도, 산소 유무, 산도를 조절해 잡균이 자라기 어려운 환경을 만드는 것이 그 방법입니다. 발효 식품에도 미생물은 살아 있고, 조건이 무너지면 발효되던 것이 상하기도 합니다. 냄새와 색, 점액, 곰팡이 같은 변화가 보이면 아깝더라도 먹지 않는 편이 안전합니다.
9. 불이 붙고 계속 타기 위해 필요한 세 가지로 맞는 것은? — 정답: 탈 물질, 산소 같은 산소 공급원, 발화점 이상의 온도. 연소가 성립하려면 탈 물질인 가연물, 산소 같은 산소 공급원, 그리고 발화점 이상의 온도가 동시에 있어야 합니다. 불을 끈다는 것은 이 셋 중 하나를 없애는 일입니다. 물을 뿌리는 것은 온도를 낮추는 냉각이고, 담요나 뚜껑을 덮는 것은 산소를 차단하는 질식이며, 가스 밸브를 잠그는 것은 가연물을 제거하는 방법입니다. 여기서 중요한 예외가 기름과 전기입니다. 튀김 기름에 불이 붙었을 때 물을 부으면 물이 순간적으로 끓어 기름을 사방으로 튀기며 불길을 키우므로, 뚜껑을 덮거나 젖은 수건을 덮어 산소를 막고 소화기를 써야 합니다. 전기 화재도 물이 위험합니다. 소화기에 A, B, C 같은 표시가 붙어 있는 것은 일반 화재와 유류 화재, 전기 화재에 각각 맞는 방식이 다르기 때문입니다.
10. 플라스틱 용기 바닥의 삼각형 안 숫자에 대한 설명으로 맞는 것은? — 정답: 어떤 종류의 수지로 만들어졌는지 알려 주는 식별 표시이며, 그 숫자만으로 재활용이 잘된다는 뜻은 아니다. 삼각형 안의 숫자와 그 아래 알파벳은 재질을 구분하기 위한 표시입니다. 1은 페트, 2는 고밀도 폴리에틸렌, 3은 폴리염화비닐, 4는 저밀도 폴리에틸렌, 5는 폴리프로필렌, 6은 폴리스티렌, 7은 그 밖의 재질을 뜻합니다. 서로 다른 수지는 녹는 온도와 성질이 달라 섞이면 재생 원료의 품질이 떨어지므로 구분이 필요합니다. 다만 이 표시는 종류를 알려 줄 뿐 재활용이 실제로 이루어지는지를 보장하지 않습니다. 수거 체계와 시장 상황, 오염 정도에 따라 결과가 달라집니다. 실제로 도움이 되는 것은 배출하는 방법입니다. 내용물을 비우고 헹구고, 라벨과 뚜껑처럼 다른 재질은 분리하고, 기름과 음식물이 밴 용기는 일반쓰레기로 버리는 편이 낫습니다. 무색 페트병을 따로 모으는 것도 재생 원료의 가치를 지키기 위한 조치입니다.
11. 식품에 들어가는 방부제와 산화방지제의 차이로 맞는 것은? — 정답: 방부제는 미생물이 자라는 것을 억제하고, 산화방지제는 산소에 의한 변색이나 산패를 늦춘다. 식품이 못 쓰게 되는 경로는 크게 두 가지입니다. 하나는 미생물이 자라 부패하거나 식중독을 일으키는 것이고, 다른 하나는 산소와 만나 기름이 산패하고 색과 향이 변하는 것입니다. 방부제 또는 보존료는 앞의 문제를, 산화방지제는 뒤의 문제를 겨냥합니다. 소브산과 안식향산 계열이 보존료로, 비타민C와 비타민E, 부틸하이드록시아니솔 같은 성분이 산화방지제로 쓰입니다. 둘 다 이미 상한 것을 되돌리지는 못하고 변화를 늦출 뿐입니다. 첨가물은 종류별로 사용 기준과 최대 허용량이 정해져 있고 표시가 의무입니다. 포장을 질소로 채우거나 진공 포장하는 것, 냉장과 냉동, 살균과 건조도 같은 목적을 물리적인 방법으로 달성하는 수단이며, 무첨가 제품일수록 보관 조건과 기한을 더 신경 써야 합니다.
12. 술의 도수와 증류에 대한 설명으로 맞는 것은? — 정답: 도수는 전체 부피 가운데 알코올이 차지하는 비율이고, 증류는 물과 알코올의 끓는점 차이를 이용해 알코올 비율을 높이는 방법이다. 술의 도수는 보통 부피 기준으로 표시합니다. 도수가 20이라면 전체 부피의 20퍼센트가 에탄올이라는 뜻입니다. 발효만으로는 알코올 농도를 계속 올릴 수 없습니다. 효모가 자신이 만든 알코올에 견디지 못해 대체로 십몇 퍼센트 언저리에서 발효가 멈추기 때문입니다. 더 높은 도수를 얻으려면 증류가 필요합니다. 에탄올의 끓는점은 약 78도로 물의 100도보다 낮아, 혼합물을 가열하면 알코올이 더 많이 포함된 증기가 먼저 나오고 이를 식혀 모으면 농도가 높아집니다. 위스키, 브랜디, 소주 같은 증류주가 이렇게 만들어지고 맥주와 와인, 막걸리는 발효주입니다. 알코올 섭취량은 도수만이 아니라 마신 양과 함께 봐야 하고, 잔의 크기가 다르므로 도수가 낮다고 총량이 적은 것은 아닙니다.

산과 염기, 그리고 안전

pH는 로그 척도라 1 차이가 수소 이온 농도 10배 차이이고, 3과 5는 100배 차이입니다. 제산제는 염기성 물질로 위산을 중화해 산도를 낮추는 약이라 효과가 빠른 대신 오래가지 않습니다. 안전과 직결된 원칙이 하나 있습니다. 염소계 표백제인 락스에 산성 세정제를 섞으면 유독한 염소 기체가, 암모니아가 든 세정제와 섞으면 자극성 기체가 발생하므로 절대 함께 쓰지 말고 연달아 쓸 때도 충분히 헹구고 환기해야 합니다. 불은 가연물과 산소 공급원과 발화점 이상의 온도 셋이 갖춰져야 유지되므로 하나를 없애면 꺼지는데, 기름과 전기 화재에 물을 붓는 것은 위험합니다.

섞이고 녹고 옮겨 가는 일

계면활성제는 물과 친한 머리와 기름과 친한 꼬리를 함께 가져 기름을 둘러싼 작은 덩어리로 만들고, 그 덩어리가 물에 씻겨 나갑니다. 대부분의 고체는 온도가 높을수록 잘 녹지만 기체는 반대라 미지근한 탄산음료의 김이 빨리 빠집니다. 삼투는 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 물이 이동하는 현상이라 소금을 뿌린 배추에서 물이 빠지고, 절인 식품이 잘 상하지 않는 것도 미생물의 세포에서 물이 빠지기 때문입니다. 촉매는 활성화 에너지를 낮춰 속도를 높이지만 소모되지 않고, 평형에서의 생성물 비율을 바꾸지도 않습니다.

변하는 것을 늦추는 방법

철의 녹과 사과의 갈변은 모두 산소가 관여하는 산화이고, 레몬즙과 소금물이 갈변을 늦추는 것은 비타민C가 대신 산화되고 산성 환경이 효소 활성을 낮추기 때문입니다. 발효와 부패는 화학적으로 뚜렷이 나뉘는 별개 과정이 아니라 결과를 사람이 어떻게 받아들이는지로 갈리며, 원하는 균이 자리 잡도록 소금 농도와 온도와 산도를 맞추는 것이 발효의 관리입니다. 방부제는 미생물 증식을, 산화방지제는 산소에 의한 산패와 변색을 막는 서로 다른 역할입니다. 플라스틱 삼각형 안의 숫자는 재질 식별 표시일 뿐 재활용 가능 여부를 보장하지 않으므로, 비우고 헹구고 다른 재질을 분리해 배출하는 편이 실제로 도움이 됩니다. 술의 도수는 부피 기준 비율이고 증류는 끓는점 차이로 알코올을 농축하는 방법입니다.

자주 묻는 질문