제7강 태초의 에너지

수소 (H2), 메테인 (CH4), 암모니아 (NH3), 물 (H2O), 의 결합이 깨짐 라디칼 밀러의 실험 에너지 수소 (H2), 메테인 (CH4), 암모니아 (NH3), 물 (H2O), 의 결합이 깨짐 깨진 조각(라디칼)들이 다른 방식으로 재조합 생명에 필수적인 아미노산을 생성

수소(H2)분자에서 두개의 원자가 공유하고 있던 전자를 하나씩 되찾아 가지고 원자로 되돌아 간다면 두개의 수소(2H)가 된다 우주에서 가장 풍부한 원자인 수소 원자는 라디칼 (radical )이다.

예) 물이 되기 전 중간 단계 O-H는 수소원자와 마찬가지로 산소 원자가 홀전자를 가진 라디칼이다. 우주공간에서 원자들이 결합해서 안정된 분자들을 만드는 과정에서 처음 두개의 입자가 충돌해서 만들어진 화학종은 라디칼인 경우가 많은데 예) 물이 되기 전 중간 단계 O-H는 수소원자와 마찬가지로 산소 원자가 홀전자를 가진 라디칼이다. 녹차에 들어 있는 카테킨류(catechins), 커피에 포함되어 있는 클로로겐산, 딸기나 가지, 포도, 검은콩, 팥 따위 붉은색이나 자색의 안토시아닌계 색소 야채나 과일, 카카오, 적포도주 등 여러 가지에 포함되어 있다. 라디칼은 노화과정에 관여한다고 하는데 이는 라디칼 반응을 억제하는 폴리페놀 등의 항산화 물질이 들어 있다고 한다.

라디칼: 화학변화가 일어날 때 분해되지 않고 다른 분자로 이동하는 원자의 무리 무기화합물의 라디칼을 형성한 원자 무리는 독자적인 이온으로 될 수는 있으나, 독립된 물질이 될 수는 없다. 라디칼: 화학변화가 일어날 때 분해되지 않고 다른 분자로 이동하는 원자의 무리

밀러는 아미노산을 만들기 위해 라디칼을 만들었는데 이때 자외선과 전기 방전에 의해 형성 라디칼을 이해를 돕기 위한 아미노산인 글라이신의 구조 수소, 메테인, 암모니아, 물의 구조를 관련시킨다. 모든 아미노산의 중심은 탄소인데 탄소는 메테인으로 부터 생성 됐다고 주장-> 밀러의 네가지 반응물(수소,메테인, 암모니아, 물)-> 탄소 생성물은 메테인-> 아민기(-NH2)와 결합한 탄소는 질소를 포함한 아미노산에서 온 것을 추정한다.

메테인에서 수소 원자와 탄소원자 사이의 결합은 각각의 원자가 전자를 1개씩 내놓고 이 2개의 전자를 공유한 결합이다. 메테인에서 수소 원자와 탄소원자 사이의 결합은 각각의 원자가 전자를 1개씩 내놓고 이 2개의 전자를 공유한 결합이다. 메틸라디갈+아민라디칼= 탄소©와 질소(N)사이의 공유결합이 생겨 메틸아민이 만들어진다 메테인에서 수소원자1개가 자기가 내놓았던 전자를 되찾아 가지고 떨어져나가면, 메테인은 두번째 전자 껍질에 쌍을 이루지 못한 전자가 1개 남게 된다. 수소 원자도 마찬가지로 쌍을 이루지 못한 전자가 1개 남게 되고 즉 라디칼끼리 홀전자 둘이 즉시 공유 결합을 만드는데 메틸라디칼(.ch3)+수소라디칼(.H)=메테인 아민라디칼(.NH2)+ 수소라디칼(.H)=암모니아

결합에너지, 빛에너지, 전기에너지 H-O 결합에너지가 467kj/mol 이라면 적절한 방식으로 외부에서 467kj/mol에 해당 에너지를 받으면 물의 H-O 결합이 끊어져서 H.라디칼과 함께 .O-H라디칼이 만들어 진다. 메테인으로 부터 H.라디칼과 함께 .CH3라디칼이 암모니아로 부터 H.라디칼과 함께 .NH2라디칼이 만들어진다.

밀러는 이러한 라디칼을 만들기 위해서 어느 정도의 에너지가 필요로 했는지 알아보자 결합 에너지 수소(H2) H-H 432kj/mol 메테인(CH4) H-C 412kj/mol 암모니아(NH3) H-N 391kj/mol 물(H2O) H-O 467kj/mol

산소는 다른 원소들을 산화시켜서 안정된 화합물을 만드는데 앞의 네가지 중에서 H-O결합 에너지가 상대적으로 크다.

전기에너지 번개: 전기의 방전을 의미 한다. 번개는 구름속에서 양전기와 음전기가 분리되었다가 만나서 방전하는 것인데 이때의 온도는 3만도에 도달한다. 결합에너지는 화학에너지이다. 화학에너지는 양전하를 가진 원자핵과 음전하를 가진 전자 사이 또 전자들 사이의 거리에 따라 주어지는 전기적 페턴셜 에너지(electric potential energy)라고 볼수 있다.

갈바니(1737~1798) 180년경에 이탈리아 갈바니는 해부한 개구리의 다리가 전기의 작용으로 움직이는 것을 보고 동물전지(animal electricity)라는 생각을 했고 나중에 갈바니 전지(Galvanic cell)를 발견했다.

엔탈피, 엔트로피 엔탈피(enthalpy): H . 엔탈피 자체는 열이 아니지만 엔탈피의 차이는 열로 나오는 것이다.

전기음성도가 비교적 낮은 수소나 탄소가 전기음성도가 높은 산소와 반응해서 열이 나오는 것 같은 자발적 과정에서는 생성물인 물과 이산화 탄소의 엔탈피가 수소, 탄소, 산소의 엔탈피보다 낮은 것이므로 이러한 발열 반응의 엔탈피는 마이너스 값을 가진다. 2H2+O2->2H2O 발열반응 엔탈피감소 H<O C+O2-> CO2 발열반응 엔탈피감소 H<O CH4+ 2O2-> 2H2O+CO2 발열반응 엔탈피감소 H<O 엔탈피의 역반응을 흡열반응 이라한다 흡열반응으로 엔탈피의 변화는 발열반응의 역반응이다. 2H2O-> 2H2+O2 흡열반응 엔탈피 증가 H>O CO2-> C+O2 흡열반응 엔탈피증가 H>O 2H2O+ CO2-> CH4+2O2 흡열반응 엔탈피 증가 H>O P:146참조

엔탈피, 엔트로피 엔트로피: S 물질계의 열적 상태를 나타내는 물리량의 하나이다. 자연현상은 언제나 물질계의 엔트로피가 증가하는 방향으로 일어나는데, 이를 엔트로피 증가의 법칙이라고 한다. 우주의 전체 에너지 양은 일정하고 전체 엔트로피는 증가한다. 1865년 R.E.클라우지우스가 변화를 뜻하는 그리스어 τροπη에서 이 물리량을 엔트로피라 이름하였다.

물을 끓일때 엔트로피는 크게 증가하는데 왜냐하면 기체상태에서 물분자들은 넓은 공간에서 자유롭게 운동 하기 때문이다. 물이 분해해서 기체인 수소와 산소로 바뀌면 분자의 개수가 증가해서 엔트로피가 증가하고 또 액체가 기체로 바뀌어서 엔트로피가 증가한다. P:146참조

안정과 자유의 조화 인간세상에서와 마찬가지로 자연에서도 어떤일이 일어날 때는 안정과 자유의 조화가 이루어 지는데 안정화는 엔탈피(H)의 감소로 자유화는 엔트로피(S)가 증가하는 방향이다.

고체가 액체로 바뀔 때보다 액체가 기체로 바뀔때 엔트로피(S)증가가 훨씬크다 기체상태에서는 물 분자들이 넓은 공간에서 자유롭게 무질서하게 운동하므로 엔탈피(H)가 증가해서 안정도 면에서 불리하지만 엔트로피가 증가 효과가 우세하기 때문에 물이 끓는다. P:149 참조 물이 끓고 수증기가 응축하는 경우를 통해서 모든 과정에는 엔탈피 변화와 엔트로피 변화라는 두 가지 요인이 복합적으로 작용한다는 것과 엔트로피변화의 효과는 온도와 관계가 있다.

깁스 자유에너지: G 라고 표기한다. 어떤 계(系)의 엔탈피, 엔트로피 및 온도를 이용하여 정의하는 열역학적 함수이다. 이 값을 이용하면 일정한 온도와 압력이 유지된 상태에서의 화학반응의 평형조건을 알 수 있다. 또, 정반응과 역반응 중 어느 것이 더 자발적인지도 계산할 수 있다. 기브스의 자유에너지(G)는 G=H-TS로 표시한다. 여기서 H는 엔탈피(enthalpy), T는 열역학적 온도, S는 엔트로피(entropy)이다. P:150참조 .