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  핵화학 | 원자력의 미래 원자력은 지구의 온난화와 산성비를 줄이는 방법으로 장려되어 왔다. 우라늄의 분열로부터 발생되는 열은 전기를 발전하는 증기를 만들기 때문에 원자력 발전소는 온실 기체인 이산화탄소를 방출하지 않는다. 또한 원자력 발전소는 공해의 주원인이 되는 물질인 황과 질소의 산성 산화물도 방출하지 않는다. 미국의 Seabrook 발전소를 예를 들어 설명하면 이 발전소는 1,160 메가와트(초당 1,160×106주울), 혹은 매일 1×1014주울의 속도로 전기를 발전한다. 그런데 이 발전소에서 핵연료 대신 석탄을 태운다면 하루에 약 만 톤의 양이 필요하다. 이 만톤의 석탄이 연소되면 여기서 300톤의 SO2와 100톤의 NOx을 방출할 것이다. 최근에 온실 효과와 산성비등 석탄의 환경적 파괴에 대한 인식이 확산되면서 일반.. Chemistry/생활 속 화학 2021. 4. 9.

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  핵화학 | 방사선이 인체에 미치는 영향 방사성 원소가 방출하는 방사선에는 α선, β선, γ선의 3종류가 있다. α선은 He의 원자핵이므로 energy는 크지만 물질의 투과력은 다른 방사선에 비해 가장 약하다. 즉 3cm의 공기를 투과할 수 있으나 한 장의 얇은 종이 두께를 투과하지 못한다. 따라서 α선을 방사하는 방사성 동위원소가 있다 하더라도 피부를 투과할 수 없으며 옷을 입고 있으면 α선을 충분히 막을 수 있다. 다만 입자를 내는 방사성 물질, 예를 들면 원자핵 연료의 plutonium이 핵폭발을 할 경우 여기서 생긴 미세한 입자가 대기중에 분산된다. 이것을 호흡기를 통하여 폐, 간 등에 흡입시킨다면 체내에서 α선을 배출시켜 암을 발생시킬 수 있다. β선은 전자의 흐름이기 때문에 투과력은 α선보다 크지만 γ선만큼 강하지 않다. 2～3매의 .. Chemistry/생활 속 화학 2021. 4. 9.

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  핵화학 | 방사능 관리와 폐기물 처리 모든 나라에서는 원자력 발전소라든지 그 밖의 원자력 시설에 대하여 안전공학 및 안전관리의 면에서 엄중한 사고 방지를 위한 노력이 이루어지고 있다. 원자력 발전소에서 핵연료로 사용한 후 생기는 핵분열 생성물인 재는 재처리된다. 그 중에서 uranium과 이의 생성물인 plutonium은 분리되어 재 이용할 수 있지만, 그 외 다른 방사성 동위원소들은 방사성 폐기물로 남게 된다. 반감기라고 하는 것은 방사성 동위원소가 붕괴하여 처음 양의 절반으로 줄어드는데 걸리는 기간을 말하는데, [표 1]에서와 같이 수명이 짧은 물질도 있지만 대단히 긴 것도 있다. 반감기가 긴 방사성 폐기물이 대량으로 축적되면 그 처리의 문제가 어렵게 된다. 현재는 저준위 폐기물 및 고준위 폐기물은 드럼통이나 특별 용기에 넣어 밀폐시킨 .. Chemistry/생활 속 화학 2021. 4. 4.

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  핵화학 | 핵무기의 폭발과 방사능 오염 원자력 발전소의 건설은 환경 파괴라든지 환경보호와 관련하여 방사능 오염의 위험성이라는 새로운 문제를 발생하고 있다. 그러나 방사능 오염에 의한 환경 파괴의 문제는 대부분 핵무기의 사용에서 발생하고 있다. 미국과 러시아는 오래 전부터 상당량의 핵무기를 보유하고 있으며 신종 핵무기를 개발하는데 서로 경쟁적인 입장에 있다. 1994년도 이후 탈냉전 시대를 맞아 양국은 새로운 핵무기 생산 금지 및 기존 핵무기의 감축을 선언하였지만 이의 실행 여부는 아직도 불투명하다. 그리고 영국, 프랑스, 중국 등이 핵무기를 개발하고 있으며 특히 중국의 핵무기 개발과 핵실험은 심각할 정도이다. 핵무기가 전쟁에 사용되어 환경에 피해를 주는 경우는 너무 엄청나기 때문에 여기서 논하지 않겠다. 그러나 평화의 시기에 있어서도 핵무기의.. Chemistry/생활 속 화학 2021. 4. 1.

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  핵화학 | 핵무기의 전망 반응로에 사용되는 연료로부터 고도로 정제된 U-235를 추출하는데는 많은 과정이 필요하기 때문에 단순한 핵 발전시설에서 군사적 목적으로의 전환은 어렵고 비용도 많이 든다. 비밀 무기의 제조를 위하여 더 쉽게 분리가 가능한 물질은 플루토늄-239(Pu-239)이다. 풍부한 우라늄 동위원소의 핵이 중성자를 흡수하여 베타 입자로서 두 전자를 방출할 때 플루토늄-239가 재래식 반응로에서 생성된다. 이 변환은 1940년 초기에 발견되었다. 반응로는 위의 식에 주어진 반응에서와 같이 근본적으로 우라늄-238(U-238)을 분열시켜 플루토늄-239(Pu -239)로 전환되도록 설계하였기 때문에 증식로(breeder reactor)라고 부른다. 플루토늄은 우라늄으로부터 분리되어 1945년 7월 16일 첫 번째 핵분열.. Chemistry/생활 속 화학 2021. 3. 28.

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  핵화학 | 원자력 발전소와 핵폭발 히로시마나 나가사키에 투여된 원자 폭탄의 참상과 파괴는 사람의 기억 속에서 매우 고통스럽게 남아 있는 역사의 흔적이다. 명백하게도 원자력 발전소와 핵무기의 목적은 다르다. 원자력 발전소는 반응 속도가 느리며 통제된 에너지 방출을 요구한다. 핵무기에서는 에너지 방출이 빠르고 이를 통제하지 못한다. 원자력 발전소와 핵무기의 경우 이들의 연료는 모두 U-235이다. 원자력 발전소는 전형적으로 3～5%의 분열할 수 있는 U-235와 95～97%인 U-238이 포함되어 있는 우라늄으로 작동된다. U-235 핵이 분열하면서 방출하는 대부분의 중성자는 U-238과 카드뮴(Cd)및 붕소(B)같은 원소들에 의해 흡수된다. 그 결과 중성자의 흐름은 폭탄에서처럼 자발적으로 일어나는 폭발적인 연쇄반응을 일으킬 만큼 충분하지 .. Chemistry/생활 속 화학 2021. 3. 24.

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  핵화학 | 원자로의 안전도 구 소련의 체르노빌 원자력 발전소에서 일하던 기술자들과 그 인근에 살던 수많은 사람들은 이 발전소의 사고로 인하여 불행한 일을 당하였다. 당시의 상황은 다음과 같이 설명할 수 있다. 냉각수의 흐름이 중단되었고 반응로의 온도는 급격히 올라갔다. 불행하게도 기술자들은 빠르게 진행되는 원자로의 반응속도를 조절할 수 없었다. 흑연은 중성자의 속도를 늦추는 감속제로 사용되었는데 불이 붙었고 화학 폭발이 잇달아 일어났다. 폭발은 반응로를 덮고 있던 1,000톤의 강철판을 날려보냈고 방사성 물질은 넓은 지역으로 퍼져나갔다. 원자 폭발은 아니었지만 이 사고의 영향으로 주위의 온도가 아주 높아졌고, 화학물질의 화재와 폭발이 일어났으며, 발전소의 중요 부분이 파괴되었고, 방대한 양의 방사능이 누출되었다. 그 사고의 직접적.. Chemistry/생활 속 화학 2021. 3. 21.

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  핵화학 | 원자로 석탄 또는 석유와 같은 연료가 타서 열을 생산하는 재래식 발전소에서는 열로 물을 끓여 터빈을 회전시킨다. 그리고 회전하는 터빈의 축은 큰 코일로 된 전선에 연결되어 있는데 이 전선이 자기장 내에서 회전하여 전기 에너지를 생산한다. 원자력 발전소는 U-235와 같은 핵연료의 분열로부터 방출되는 에너지에 의해 물이 가열되는 것만을 제외하고는 재래식 발전소와 똑같은 방식으로 가동되고 있다. 일반 발전소와 같이 원자력 발전소도 열역학 제 2법칙이 적용된 효율의 제약을 받는다. 열이 일로 전환되는 이론적 효율성은 발전소가 가동되는 최고온도와 최저온도에 의존한다. 이 열역학적 효율은 보통 55～65%이며 이 효율은 다른 기계적, 열적, 그리고 전기적 비효율성에 의해 상당히 줄어든다. 원자력 발전소는 반응로와 비핵 .. Chemistry/생활 속 화학 2021. 3. 16.

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  핵화학 | 동위원소의 이용 핵 반응기에서 생성된 동위원소들을 이용하는 방법이 많이 개발되고 있다. 물건의 두께를 재는 계기(thickness gauge)가 개발되었는데, 이것은 측정될 재료에서 계수기에 도달하는 방사선량으로 그 물질의 두께를 측정하는 것이다. 윤활유의 효능은 방사성 동위원소가 섞인 금속으로 만든 엔진을 이용하여 측정한다. 엔진을 어느 일정시간 움직인 후 기름을 회수하여 그동안 축적된 방사성 입자들의 양을 시험한다. 식물체의 연대를 조사하기 위하여 방사성 탄소를 사용하고 있다. 또 136C를 포함하고 있는 CO2의 흡수를 추적함으로써 식물의 광합성에 관한 여러 가지 연구를 할 수 있으며, 이러한 방법으로 CO6가 설탕이나 전분 또는 셀룰로오스로 전환되는 과정을 밝힐 수 있다. 방사성 동위원소는 의학적 연구, 치료, .. Chemistry/생활 속 화학 2021. 3. 12.

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  핵화학 | 핵융합 핵반응에서 생기는 에너지의 원천은 반응과 동시에 일어나는 질량의 변화이다. 이 질량과 에너지의 관계는 Einstein의 상대성 이론인 ΔE=Δmc2으로 표시된다. 이 식에 의하면 어떤 핵반응에서 1g의 물질이 에너지로 변환된다면 무려 21조 칼로리의 에너지가 방출된다는 것이다. 이것은 보통의 화학반응에서 방출되는 에너지와는 비교도 안될 만큼 막대한 양이다. 과학자들은 태양이 수백만 년 동안 계속해서 에너지를 방출하는데 대하여 오랫동안 의문을 가져 왔었다. 그러나 분광기를 통한 연구로 태양에는 수소와 헬륨이 많이 존재하고 있음을 알게 되었다. 그리고 핵반응에서 수소 원자가 모여 헬륨을 형성할 때 많은 에너지가 방출된다는 결론을 얻었다. 이 반응은 여러 단계를 거쳐 일어나는 것으로 다음과 같다. (4)식에서.. Chemistry/생활 속 화학 2021. 3. 8.

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  핵화학 | 핵분열 1938년 독일의 Otto Hahn과 Fritz Strassman은 우라늄에다 느린 중성자를 충돌시킨 결과 원자들은 핵분열 반응에서 방사되는 α와 β입자보다도 더 무거운 조각들로 쪼개어진다는 사실을 발견하였다. 우라늄 또는 다른 무거운 원자핵이 중성자의 충격을 받은 뒤 작은 조각으로 갈라지는 과정을 핵분열(nuclei fission)이라고 한다. 전형적인 핵분열 과정의 예를 들면 다음과 같다. 백금, 금, 수은, 납 등의 무거운 몇몇 동위원소들은 충분히 큰 에너지를 띤 중성자의 충격을 받으면 핵분열을 할 수 있다. 그러나 실제적으로는 낮은 에너지를 가진 중성자 충격에도 핵분열을 할 수 있는 23592U과 23994Pu 동위원소에 관심이 집중되었으며 이 두 가지 원소는 원자폭탄을 만드는데 사용되었다. 23.. Chemistry/생활 속 화학 2021. 2. 27.

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  핵화학 | 방사능 방사능(radioactivity)은 아주 우연히 1896년에 프랑스의 물리학자 Henri Becquerel에 의하여 발견되었다. 그는 우라늄염(K2SO4, UO2SO4, 2H2O)을 연구하고 있었는데 그것은 인광성(phosphorescent)으로 빛에 노출되면 재발광하였고 빛을 제거해도 계속 발광하였다. Becquerel은 눈에 보이는 인광성의 섬광이 사진건판에 도달하는 것을 막기 위하여 우라늄염을 검은 종이로 싸두었는데도 사진건판에 그 상을 남긴다는 것을 발견하였다. Becquerel이 관찰한 것은 γ선의 방출효과였다. 방사능은 입자의 불안정한 핵에 의해 저절로 방사선이 방출되는 성질이고 저절로 붕괴하는 동위원소를 방사성 동위원소(radioactive isotope 또는 radioisotope)라고 부.. Chemistry/생활 속 화학 2021. 1. 24.

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  핵화학 | 핵결합 에너지 핵결합 에너지(nuclear binding energy)는 핵자가 결합하여 핵을 생성할 때 방출되는 에너지라고 정의할 수 있다. 원자의 질량은 항상 원자를 이루는 전자, 양성자, 중성자 등의 전체 질량보다는 더 작다. 예를 들면 42He은 2개의 양성자와 2개의 중성자로 구성되어 있다. 그러나 42He의 실제 질량은 이 네 핵자들의 질량의 합보다 적다. 즉, 2 × 양성자의 질량 = 2 (1.00728 amu) = 2.01456amu 2 × 중성자의 질량 = 2 (1.00867 amu) = 2.01734amu 합계 = 4.03190amu 42He의 질량 = 4.0015amu 부족한 질량 = 0.0304amu 따라서 핵 내에 있는 입자들의 결합 에너지는 바로 이 결손된 질량에 해당하는 에너지이며, Eins.. Chemistry/생활 속 화학 2021. 1. 18.

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  핵화학 | 원자핵 원자핵(nuclei)은 원소의 원자번호와 같은 수의 양성자와 질량수에서 원자번호를 뺀 값과 같은 수의 중성자를 포함하고 있다. 핵종(nuclide)은 편의상 어떤 특정한 원자번호와 질량수를 가진 핵의 종류를 말한다. 예를 들면 는 하나의 핵종이다. 그리고 핵자(nucleon)는 양성자와 중성자를 합쳐서 부르는 말이다. 원자핵은 원형 또는 계란과 비슷한 모양이고, 핵 반지름은 보통 10-12cm보다 약간 작으므로 원자의 반지름보다 약 10,000배 정도 작다. 핵력(nuclear force)이란 핵자 사이의 인력으로 양성자들 사이, 중성자들 사이 혹은 양성자와 중성자 사이에 작용한다. 양 전하를 띤 양성자와 전하를 띠지 않은 중성자를 강하게 결합시킬 수 있는 핵력은 전자와 양성자 사이의 Coulomb 힘보.. Chemistry/생활 속 화학 2021. 1. 9.

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  전기 화학 | 전지 산화-환원 반응의 가장 유용한 응용 중의 하나가 전기 에너지의 생산이다. 화학반응에 의하여 전자흐름(전류)을 내는 것을 설계하여 전지를 만들었는데 이를 전기화학전지라고 부른다. 예를 들면 아연 원자와 구리 이온 사이의 반응에서 아연이 Cu2+ 이온을 포함한 용액 속에 놓여질 때 전자이동은 아연 금속과 구리이온 사이에서 일어난다. 그래서 단순히 발생된 에너지는 용액과 아연 막대를 가볍게 가열시킨다. 만약 아연이 구리 용액으로부터 분리되고 전류의 흐름으로 연결이 이루어진다면 이 반응은 진행될 수 있는 반면에 이때 전자는 연결선을 통하여 이동한다. [그림 1]는 Zn과 Cu2+의 반응을 포함하는 산화-환원을 이용할 수 있도록 고안된 전지를 보여준 것이다. 양극(-)반응은 아연을 Zn2+ 이온으로 산화시킨다. .. Chemistry/생활 속 화학 2021. 1. 2.

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  전기 화학 | Faraday 법칙 전기량과 화학 변화 사이의 정량적 관계는 처음으로 Michael Faraday에 의하여 기술되었다. 1832년에 그는 전극에서 유리되는 화학 물질의 무게는 전기를 통하여 통과된 전류의 양에 정비례함을 보였다. 1833년에 그는 주어진 전류량에 의하여 생성된 여러 가지 물질의 무게는 그 물질의 당량에 비례한다고 기술하였다. Faraday 법칙은 용융 염화나트륨의 전기 분해를 참고하면 쉽게 설명된다. 음극에서의 변화는 환원되는 각 나트륨 이온마다 한 개씩의 전자가 필요하다. 이 전극에서 아보가드로수(1몰)의 전자가 소비되면 22.9898g의 금속 나트륨(1몰)이 생성된다. 이에 해당하는 전기량을 1페러데이(1F)라 부르고, 96,487쿨롱으로 알려져 있다. 만약 2F의 전기량(2몰의 전자)이 사용되면 2몰의.. Chemistry/생활 속 화학 2020. 12. 18.

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  전기 화학 | 전기 분해 물의 전기분해 용융된 염화나트륨의 전기분해는 금속 나트륨과 염소가스의 상업적 제조원이다. 매우 활성이 큰 다른 금속, 예를 들면 칼슘 등을 생산하기 위하여 이와 비슷한 방법을 사용한다. 그러나 어떤 수용액을 전기 분해하면 전극 반응의 용질에서 나온 이온이 아닌 물이 관여한다. 따라서 전류를 운반하는 이온만이 꼭 전극에서 방전되지는 않는다. 황산나트륨 수용액의 전기 분해에서 나트륨 이온은 음극 쪽으로 이동하고 황산 이온은 양극을 향하여 이동한다(그림 1 참조). 이 두 가지 이온은 모두 방전되기가 어렵다. 이 전기 분해가 두 불활성 전극(전극 반응에 참여하지 않는 전극) 사이에서 이루어질 때 음극에서는 수소 기체가 발생하고 전극 주위의 용액은 알칼리성이 된다. 즉 음극에서는 환원이 일어나지만 나트륨 이온의.. Chemistry/생활 속 화학 2020. 12. 13.

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  전기 화학 | 전해질 전도 전하가 이온에 의하여 운반되는 전해질 전도(electrolytic conduction)는 전해질의 이온이 자유로이 움직일 수 없으면 일어나지 않는다. 따라서 전해질 전도는 주로 용융된 염과 전해질의 수용액에서 나타난다. 더욱이 전해질 전도체를 통하여 전류가 계속 흐르기 위해서는 이온의 이동에 따르는 화학 변화가 필요하다. 이 전해질 전도의 원리는 두 불활성 전극 사이에서 용융 NaCl의 전기분해를 나타내는 [그림 1]의 전해전지로 설명할 수 있다. 전원이 왼쪽 전극에 전자를 공급하여 주므로 이 전극은 -로 하전되었다고 간주하면 전자는 오른쪽 +극에서 빠져나간다. 이렇게 이루어진 전장에서 나트륨 이온(양이온)은 -극 쪽으로 끌리고 염소 이온(음이온)은 +극 쪽으로 끌린다. 전해질 전도에서 전하는 음극 쪽으.. Chemistry/생활 속 화학 2020. 12. 5.