프롬프트 엔지니어링 황금키 3. 화학 분야

손에 잡히는 인공지능

[화학 분야 프롬프트]

이번에는 화학 분야의 질문을 통해서 황금키를 찾아보자.

이번 연작을 시작하면서 이야기 했지만 여기서 다루는 분야는 현재 AI 언어모델의 성능을 평가하는 벤치마크 데이터 세트 중 가장 우수한 평가를 받고 있는 MMLU-Pro(Multitask Language Understanding-Pro)에서 사용된 14개 분야에서 질문들을 만들어 차례로 다루고 있다. 그리고 이 실험의 주목적이 전문가가 아닌 일반 AI 사용자가 복잡하게 머리를 쓰지 않고도 단순한 몇 단계의 질문만 하면 최고 품질의 답을 구할 수 있는 프롬프트를 얻어서 생활이나 실무에 사용할 수 있게 하자는 것이다.

이를 위해 ChatGPT의 GPT Store에 그동안 내가 분석하고 연구한 자료들을 모두 적용하여 “프롬프트 엔지니어링 황금키”라는 GPTs를 만들어 미리 공개해 놓았다. ChatGPT 무료 사용자들도 언제든지 사용해 볼 수 있고. 보다 좋은 프롬프트 추천을 위해 수시로 업데이트를 하고 있으니 꼭 사용해 보길 권한다.

ChatGPT의 GPT Store에 있는 "프롬프트 엔지니어링 황금키"

이번 질문은 아래와 같다.

화학 분야 질문 : 산-염기 적정에서 당량점을 지나면 용액의 pH가 급격히 변하는 이유는?

GPTs에 입력할 황금키; “[산-염기 적정에서 당량점을 지나면 용액의 pH가 급격히 변하는 이유는?]”에 대한 황금키

GPTs 답;

**원칙 선택 및 적용**

**매칭 분야:** 화학

**질문 유형:** 정보 검색 

**적용할 프롬프트 원칙:**

1. 단계별 사고 유도 (12)

2. 간단한 설명 요청 (5)

3. 지시, 예시, 질문 형식화 (8)

4. 명확한 요구 사항 설정 (25)

5. 에세이/텍스트 작성 요청 (21)

6. 지식 생성 프롬프팅 (29) 

**마크다운 형식 프롬프트**

산-염기 적정에서 당량점을 지나면 용액의 pH가 급격히 변하는 이유를 상세하게 설명하세요. 다음의 내용을 포함하여 단계별로 답변을 작성하십시오:

1. **당량점의 정의**: 산과 염기의 몰 수가 정확히 일치하는 지점에서 무엇이 발생하는지 설명하세요.

2. **완충 효과**: 당량점 이전에는 완충 작용으로 pH 변화가 완만하지만, 당량점을 지나면 완충 효과가 사라지는 이유를 설명하세요.

3. **수소 이온 농도 변화**: 당량점 이후, 첨가되는 염기나 산의 종류에 따라 수소 이온 농도의 변화를 설명하세요.

4. **pH 변화의 급격성**: 왜 당량점을 지나면 pH 변화가 급격해지는지, 수학적/화학적 원리를 통해 명확하게 설명하십시오.

5. **예시**: 약산-강염기 또는 강산-강염기 적정의 그래프를 통해 이 변화를 설명하는 간단한 예시를 제시하세요.

단순한 용어를 사용하여 화학에 대한 기본 지식이 있는 사람도 이해할 수 있도록 설명해 주세요. 

**파이써닉 형식 프롬프트**

# 산-염기 적정에서 당량점을 지나면 pH가 급격히 변하는 이유를 단계별로 설명하는 함수

def explain_pH_change_equivalence_point():

# 1. 당량점의 정의

equivalence_point = """

당량점은 산과 염기의 몰 수가 완전히 일치하여 서로를 완전히 중화하는 지점입니다. 이 시점에서는 산의 모든 수소 이온(H+)이 염기의 수산화 이온(OH-)에 의해 완전히 중화되어 물과 염을 생성합니다.

"""

# 2. 완충 효과 설명

buffering_effect = """

적정 과정 중 당량점 이전에는 용액이 완충 작용을 합니다. 이는 약한 산과 그 짝염기 또는 약한 염기와 그 짝산이 함께 존재하여, pH 변화에 대해 저항하는 효과가 나타나기 때문입니다. 하지만 당량점을 지나면 완충 작용이 사라지게 됩니다.

"""

# 3. 수소 이온 농도 변화

hydrogen_ion_concentration = """

당량점을 지나면 첨가되는 염기나 산에 의해 수소 이온(H+) 또는 수산화 이온(OH-)의 농도가 급격히 변화하게 됩니다. 이는 기존의 완충제가 모두 소모되었기 때문에 작은 양의 산이나 염기 첨가에도 용액의 수소 이온 농도가 크게 변하게 됩니다.

"""

# 4. pH 변화의 급격성

rapid_pH_change = """

pH는 수소 이온 농도의 로그 값으로 나타내기 때문에, 수소 이온 농도가 10배 증가하거나 감소할 때마다 pH는 1씩 변하게 됩니다. 당량점 이후에는 수소 이온 농도가 빠르게 변화하므로, pH 역시 급격하게 변합니다.

"""

# 5. 예시와 그래프 설명

example_with_graph = """

예를 들어, 약산을 강염기로 적정하는 경우 당량점 이후에는 염기성 화합물만 남게 되어 pH가 급격히 상승합니다. 이는 pH 변화 그래프에서 당량점을 지나면서 곡선이 가파르게 변하는 것으로 확인할 수 있습니다.

"""

# 모든 내용을 결합하여 완성된 설명을 반환

full_explanation = f"{equivalence_point}\n\n{buffering_effect}\n\n{hydrogen_ion_concentration}\n\n{rapid_pH_change}\n\n{example_with_graph}"

return full_explanation

print(explain_pH_change_equivalence_point())

위의 프롬프트를 사용하면 산-염기 적정에서 당량점을 지나면 pH가 급격히 변하는 이유를 단계적으로, 그리고 명확하게 이해할 수 있습니다. 

지난 주와는 달리 프롬프트를 “마크다운”과 “파이써닉” 두가지 형식으로 선택하도록 수정하였다. 사용자는 두가지 형식 중 마음에 드는 프롬프트를 사용하거나 두가지 모두를 적용해보고 마음에 드는 것을 선택하면 된다. 참고로 “파이써닉 프롬프트”는 프롬프트에 파이썬 코드를 사용하는 것인데 LLM은 코드 형식의 프롬프트를 보다 잘 이해한다는 데서 착안한 방법이다. 

실험 분석 결과는 아래와 같다. 표와 그래프만 보더라도 원칙 적용 후 전분야에서 개선이 되었다는 것을 쉽게 알수 있다. [원칙 미적용 결과]와 [원칙 적용 결과]를 그 아래에 첨부하니 직접 비교해 보고 결과의 차이를 체험해 보길 권한다.

[표와 바차트]

[원칙 미적용 결과]

산-염기 적정에서 당량점을 지나면 용액의 pH가 급격히 변하는 이유는 산과 염기가 완전히 중화되기 때문이야. 당량점에서는 적정하는 산 또는 염기가 적정액과 정확히 반응해서 남은 산이나 염기가 거의 없게 돼. 이때까지는 용액에 완충작용이 일어나서 pH 변화가 비교적 완만하지만, 당량점을 넘어서면 적정액이 과잉으로 들어가게 돼.

예를 들어, 강산과 강염기의 적정에서는 강산이 모두 중화된 후에 소량의 염기를 더 추가하면, 용액의 pH는 매우 빠르게 염기의 pH로 바뀌어버려. 이는 적정 후 남은 산이나 염기가 없고, 추가된 적정액이 용액의 성질을 지배하기 때문이야. 결과적으로 pH는 빠르게 상승하거나 하락하게 되지.

이러한 현상은 강산-강염기 적정에서 가장 두드러지며, 약산-약염기 적정에서도 비슷한 패턴을 볼 수 있어.

[원칙 적용 결과-마크다운 프롬프트 적용]

산-염기 적정에서 당량점을 지나면 용액의 pH가 급격하게 변하는 이유를 단계별로 상세히 설명하겠다.

### 1. **당량점의 정의**

당량점은 산과 염기의 적정에서 반응하는 산과 염기의 몰 수가 정확히 일치하는 지점을 말해. 이 지점에서는 산이 가지고 있던 수소 이온(\(H^+\))과 염기가 가지고 있던 수산화 이온(\(OH^-\))이 모두 중화 반응을 완료하여 남아있지 않은 상태야. 예를 들어, 강산과 강염기가 1:1 비율로 반응한다면, 당량점에서 \(H^+\)와 \(OH^-\)가 완전히 중화되어 물(\(H_2O\))만 남게 되지.

### 2. **완충 효과**

당량점 이전에는 완충 작용이 작동하고 있어. 완충 용액이란 약산과 그 짝염기, 또는 약염기와 그 짝산이 함께 존재하여 외부로부터의 \(H^+\) 또는 \(OH^-\) 첨가에 대해 pH 변화에 저항하는 성질을 가진 용액을 말해.

예를 들어, 약산인 아세트산(\(CH_3COOH\))과 그 짝염기인 아세트산 이온(\(CH_3COO^-\))이 함께 존재하는 경우, 외부에서 염기를 첨가하면 아세트산이 이를 중화시키고, 반대로 산을 첨가하면 아세트산 이온이 이를 중화시켜 pH 변화를 완만하게 하는 거야.

그러나 당량점에 가까워질수록 이러한 산이나 염기가 모두 소모되어 완충 작용을 하는 물질의 농도가 줄어들어. 당량점에 도달하면 완충 효과가 사라지고, 이후에는 더 이상 이러한 완충 물질이 남아 있지 않기 때문에 pH 변화에 대한 저항력이 없어지게 돼.

### 3. **수소 이온 농도 변화**

당량점을 지나면 첨가되는 산이나 염기의 농도에 의해 수소 이온 농도(\(H^+\)) 또는 수산화 이온 농도(\(OH^-\))가 직접적으로 영향을 받게 돼. 예를 들어, 강산-강염기 적정에서 당량점을 넘어서 염기를 계속 첨가한다면, 첨가된 \(OH^-\) 이온은 더 이상 중화될 산이 없기 때문에 용액에 축적돼. 이때, \(OH^-\) 농도가 빠르게 증가하고, 동시에 \(H^+\) 농도가 감소하여 pH가 급격히 상승하게 돼.

### 4. **pH 변화의 급격성**

당량점을 지나면 pH 변화가 급격한 이유는 수소 이온 농도와 수산화 이온 농도가 로그 관계에 따라 pH에 큰 영향을 미치기 때문이야. pH는 \( pH = -\log [H^+] \)로 정의되는데, 수소 이온 농도 \([H^+]\)가 10배씩 변화할 때마다 pH는 1씩 변해.

당량점 이전에는 완충 작용으로 인해 \([H^+]\)나 \([OH^-]\)의 변화가 억제되어 pH 변화가 완만하지만, 당량점을 지나면 완충 효과가 사라져 첨가되는 산이나 염기에 의해 \([H^+]\)나 \([OH^-]\)의 농도가 직접적으로 변화한다. 따라서, 작은 양의 산이나 염기를 추가해도 농도 변화가 크게 발생하여 pH가 급격하게 변하는 거야.

### 5. **예시: 약산-강염기 적정 그래프 예시**

약산(예: 아세트산)과 강염기(예: 수산화 나트륨)를 적정하는 경우를 생각해 보자. 처음에는 약산이 존재하기 때문에 완충 작용이 발생하고, pH 변화는 완만해. 적정 과정에서 수산화 나트륨을 첨가하면 점차 산이 중화되어 당량점에 도달한다. 당량점에서는 모든 아세트산이 아세트산 이온으로 변환되고, 그 이후에 더 이상 완충 효과가 없으므로 pH가 급격히 상승하게 돼.

이 그래프를 그리면 당량점 부근에서 pH 변화가 거의 수직에 가깝게 급격히 변하는 것을 볼 수 있어. 이것이 바로 당량점을 지나면 pH가 급격히 변하는 이유야.

이렇게 단계별로 살펴보면, 산-염기 적정에서 당량점을 지날 때 pH가 급격히 변하는 이유는 완충 효과의 상실과 수소 이온 농도의 직접적인 변화가 결합되어 발생한다는 것을 알 수 있어.   

| 작가 프로필

이용호 작가는 스마트공장에서 주로 사용되는 ‘AI 머신비전’ 전문회사인 ‘호연지재’를 경영하고 있으면서 다양한 분야에 관심이 많아 SKT ifland와 SBA 크리에이티브 포스 인플루언서로 활동하고 있다. 특히 ‘머신비전’에서 인공지능 딥러닝에 의한 영상처리기술을 자주 적용하다보니 10년 이상 연구한 AI 분야에 대해서도 해박한 지식을 가지고 있다.

칼럼니스트는 메타버스 이프랜드에서 정기적으로 “인공지능관련 새로운 소식과 기술”을 상세히 전하는 ‘호몽캠프’를 110회 이상 꾸준히 진행하였다.

주요 강의 분야는 “챗GPT 시대 생산성을 300% 높여주는 인공지능”, “머신비전에서의 인공지능 활용”, “손에 잡히는 인공지능”, “스마트폰 AI 활용하기”, “시니어와 MZ세대간의 소통”등이 있으며, 저서로는 『손에 잡히는 인공지능』, 『나는 시니어 인플루언서다』가 있다.