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비누에서 쓸개즙, 커피믹스까지
물과 기름은 섞이지 않는다. 모두가 다 아는 사실이지만 “왜?”라고 물으면 바로 대답하기란 쉽지 않다. 화학적으로 답하면 극성 분자와 비극성(‘무극성’이라고도 한다)분자는 섞이지 않기 때문이다.
기름은 주로 탄소(C)와 수소(H)로 구성된 분자가 기본인 물질로 탄소와 수소는 서로 전자를 끌어당기는 힘이 비슷한 원소다. 따라서 기름 분자는 분자 전체에 전자가 고르게 퍼져 있어서 양전하를 띠는 부분(+극)과 음전하를 띠는 부분(-극)이 나뉘지 않는 비극성 분자이다.
물을 구성하는 산소(O)와 수소(H) 원자는 전자를 당기는 힘의 크기가 다른 원자이기 때문에 전자를 더 세게 당기는 산소쪽이 (-)극이 되고 전자를 당기는 힘이 약한 수소쪽이 (+)극이 되어 분자 하나에 두 개의 극이 존재하는 극성 분자(dipole, ‘쌍극자’라고도 한다)가 된다.
물은 극성 분자, 기름은 비극성 분자이므로 서로를 잡아당기는 전기적인 힘이 크게 차이 나서 두 물질을 섞어도 물은 물끼리 기름은 기름끼리 붙어서 서로 섞이지 않게 된다. 이런 현상을 화학에서는 ‘Like disolves like(비슷한 것끼리 녹인다.)’라고 하며, 극성 분자는 극성 분자끼리 비극성 분자는 비극성 분자끼리만 서로 섞인다.
이렇게 섞이지 않는 두 물질의 경계를 활성화시켜서(허물어뜨려서) 섞이게 하는 물질을 ‘계면활성제’라고 부른다. 다른 이름으로는 유화제라고도 하며, 그중 대표적인 예가 비누다. 우리가 비누를 사용하는 이유는 물로만 제거되지 않는 기름성분의 오염 물질을 제거하기 위해서다. 이 과정에서 물과 기름성분 때 사이의 경계를 허물어주는 역할을 하는 계면활성제가 비누인 것이다.
역사적으로 비누에 대해 처음 기록한 사람은 고대 로마의 플리니우스(Plinius)로 페니키아 사람들이 염소 기름과 재를 이용해 비누를 만들어 사용하는 것을 글로 남겼다. 동물성 혹은 식물성 기름과 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화칼륨(KOH)을 섞어서 가열하면 비누가 만들어지는데, 이를 ‘비누화 반응’이라고 한다. 예전에는 수산화나트륨이나 수산화칼륨을 재를 녹인 양잿물에서 얻었다. 두 물질 모두 강한 염기성이어서 단백질을 녹이는 성질을 갖고 있으므로, 만약 섭취하게 된다면 생명의 위협이 될 수 있다.
비누를 만들 때는 강한 염기인 수산화나트륨과 수산화칼륨의 함량을 정확하게 지켜야 안전하게 사용할 수 있다. 값싼 세탁비누는 세척력을 우선으로 하고 사람의 피부에 장시간 닿지 않을 것을 예상해 강염기의 함량이 화장비누보다 높다. 단백질을 녹이는 염기의 성질이 좀 더 강하게 나타나므로 헹군 후에도 좀 더 미끈거리는 느낌이 든다. 일반적으로 화장비누는 제조 과정에서 산성 물질을 첨가하거나 염기를 좀 더 약한 종류로 사용하여 피부에 대한 자극을 줄이는 방법으로 만들고 있다.
비누는 물에 들어가서 기름때와 만나면 동그란 모양의 마이셀(미셀, micelle)을 형성한다. 가운데 기름때를 비누의 막대기처럼 생긴 친유성기(탄소와 수소로 이루어진 비극성 부분)가 둘러싸면 (-)전하를 띤 친수성의 동그란 머리 부분이 물과 잘 섞여서 안정한 상태가 된다. 세탁기의 ‘세탁’ 다음 단계가 ‘헹굼’인 것도 이렇게 생성된 기름때 마이셀을 다량의 물로 배출시키기 위해서이다.
오염물질이 없는 깨끗한 물에 무색의 액체세제를 넣었더니 뿌연 비눗물이 되는 걸 본 적이 있을 것이다. 비누의 막대기 친유성 부분은 물과 섞이지 않으므로 그들끼리 동그랗게 모여서 마이셀을 형성하게 된다. 일단 형성되면 사람의 눈은 정확한 구조까지는 볼 수 없지만, 마이셀은 크기가 커서 존재한다는 것까지는 볼 수 있기 때문에 물이 뿌옇게 보이게 된다.
계면활성제로서 비누의 또 다른 특징은 비눗방울 놀이에서 찾을 수 있다. 물은 극성 분자로 분자끼리 서로의 (+)극과 (-)극을 잡아당기는 힘이 커서 물을 떨어뜨리면 동그랗게 모여 물방울을 이루는 모습을 볼 수 있다. 하지만 비눗물에서는 상황이 달라진다. 비누는 물 분자 사이에 들어가서 표면 장력1)을 줄이는 역할을 하게 되므로, 그냥 물과는 다르게, 비눗물은 ‘후~’하고 불면 분자 간의 거리가 쭉쭉 늘어나서 커다랗게 비눗방울이 생기게 된다.
인지질은 말 그대로 원소 인(P)이 들어간 지질(지방)이다. 인지질은 음전하를 띠는 인산기를 가진 극성(물과 친한 친수성)머리 부분과 탄소와 수소 사슬로 구성된 두 개의 비극성(기름과 친한 친유성)꼬리 부분을 가진 분자이다. 구조는 비누와 거의 유사하다.
생명체를 이루고 있는 물질 중 가장 많은 비율을 차지하는 물질은 물이다.2) 세포막을 구성하는 성분인 인지질은 한 겹만 존재해서는 비극성꼬리 부분이 물과 섞이기 힘들어서 세포막의 기능을 하는 데 문제가 생길 수 있다. 따라서 인지질은 기름 성분인 지질이 서로 마주 보는 이중층의 막 구조를 띠고 생명체 내에서 안정하게 세포를 둘러싸는 역할을 하고 있다.
비누는 동물성이든 식물성이든 천연 기름과 양잿물로 만들어진 효과적인 기름때 제거용 계면활성제로 재료가 천연물이기 때문에 자연에서 분해도 잘되는 물질이다. 비누가 가진 문제점으로는 비누의 음전하(-)를 띠는 극성머리 부분이 센물3)의 칼슘이온이나 마그네슘 이온과 만나면 침전을 형성하여 세척력이 급격하게 떨어진다는 것이다.
목욕할 때 사용하는 비누도 센물에서는 침전을 형성해 몸을 깨끗하게 씻지 못하게 된다. 이렇게 만들어진 침전4)이 피부의 모공을 막거나 피부에 남아서 자극을 주면 아토피 환자나 피부가 예민한 사람의 경우 가렵거나 불편함을 느끼게 된다. 이런 비누의 한계를 극복하기 위해 극성머리 부분을 구성하는 원자를 다르게 설계해 만든 물질이 ‘합성세제’다.
합성세제란 말 그대로 사람들의 필요에 합성(즉, 실험실에서 만들어진)된 물질을 의미한다. 비누와 거의 비슷한 분자 구조를 갖고 비누의 작용을 똑같이 수행하지만, 센물에서 침전을 만들지 않는 특징이 있다.
초기에 만들어진 ABS(Alkylbenzene Sulfonate, 알킬벤젠술폰산나트륨) 세제의 경우는 긴 사슬에 가지가 많이 붙은 구조라서 자연에서 분해가 되지 않았다. 강이나 바다 위에 꺼지지 않는 거품을 만들어 플랑크톤과 어류 등 수중 생물이 질식하게 되는 문제가 발생했다. 최근 사용되는 대부분의 합성세제는 이러한 문제점을 보완한 LAS(Linear Alkylbenzene Sulfonate, 선형 알킬벤젠술폰산나트륨) 세제로 비누의 장점에 센물에서도 세척력이 좋으며 자연계에서 생분해가 잘 되는 특징을 가진다.
이러한 세제 모두 과연 뜨거운 물에서 가열할 때 어떤 작용을 하는지에 대한 연구 및 실험이 완벽하게 진행되었을까? 결혼 전 내 어머니는 늘 주방에서 행주를 삶고, 일주일에 한 번은 가족이 사용하는 수건을 가루세제를 푼 물에 팍팍 삶았다. 집에 들어설 때 집안 전체에 퍼져 있던 빨래 삶는 냄새를 지금도 기억하는 사람이 많을 것이다. 과연 이렇게 세제를 넣고 삶는 것은 권장할 만한 일일까?
대부분의 세제는 세탁기에서 일상적으로 사용하는 찬물에서 최고 약 60℃ 정도의 물로 세척을 하는 것을 기준으로 세척력과 잔류량 및 여러 부분에 대한 실험과 테스트를 거쳐서 생산된다. 세제에는 이렇게 안전한 계면활성제 외에도 세척 강화제와 누렇게 된 흰옷을 하얗게 만드는 형광 발광제, 여러 성분이 분리되는 것을 막기 위한 알코올류 및 표백제와 착색제, 좋은 향기를 내는 방향 물질 등의 여러 화학 물질이 포함되어 있다.
이렇게 다양한 화학 물질로 구성된 세제를 행주 또는 수건과 함께 100℃ 이상의 고온에 삶아서 사용하는 방법이 대부분의 나라에서 보편화된 방법일까? 세탁 세제 광고에서 ‘삶아도 안심할 수 있는 세제’라는 광고를 본 기억은 없다. ‘삶아 빤 듯 깨끗하게’라는 광고가 많이 보이는 걸 보면 세제를 고온에서 사용하는 것을 주된 사용 방법으로 고려하지 않은 듯하다. 사실 세제를 삶았을 때의 화학 물질이 퍼지는 정도와 인체에 대한 유해성을 실험하기란 쉬운 일도 아니고, 각 개인에 대한 유해성의 정도도 너무 다양하여 객관화시키기도 어렵다.
가습기 살균제에 함유된 화학 물질에서도 볼 수 있듯이, 치약이나 목욕비누 등에 사용하고 물로 헹굴 경우 아무런 문제없이 잘 사용될 수 있는 물질도 원자 사이의 결합에 영향을 줄 수 있는 초음파 가습기에 사용할 경우 엄청난 문제를 야기했다. 이처럼 그냥 세탁기에 사용하면 아무 문제없을 세제도 펄펄 끓는 물에서 공기 중으로 날아가서 우리의 폐로 들어올 경우 그 속의 화학 물질이 작은 문제라도 일으킬 가능성은 전혀 없는 것이 아니다.
담배를 피우는 사람이나 자동차 배기가스 옆에 일부러 가는 사람은 없는 것처럼 화학 물질로 구성된 세제도 일부러 끓여서 그 기체를 마실 필요는 없지 않을까? 행주나 수건을 삶는 일은 가능하면 줄이고, 꼭 해야 하는 경우가 생기면 아이들이 없는 시간에 집안의 창문을 모두 열고 짧은 시간 동안 삶자. 삶은 뒤에는 두어 시간 정도 꼭 환기를 하자. 귀찮고 수고스러운 일이긴 하지만 가능하면 화학 물질이 원치 않는 반응을 일으킬 수 있는 100℃ 이상의 온도에서 끓어서 기체로 날아가는 상황에 우리 아이들을 노출시킬 필요는 없으니까.
아무에게나 지조 없이 아부한다는 뜻을 가진 “간에 붙었다 쓸개에 붙었다 한다.”는 속담에서도 등장하듯이 간과 쓸개는 대부분 같이 이야기되는 경우가 많다. 쓸개에서 분비되는 소화보조액인 쓸개즙은 사실 간에서 만들어져서 쓸개에 농축, 저장되었다가 십이지장으로 분비되는, 지방의 소화를 돕는 물질로 생명체 내에서 만들어지는 계면활성제이다. 소화액이 아니고 소화보조액이라고 칭한 이유는 지방을 실제로 분해한다기보다는 지방을 물과 섞이게 해주는 역할을 하기 때문이다.
쓸개즙처럼 생물체에서 만들어진 화학 물질 중에서 그 안전성이 확인되어 식품 첨가제로 사용되는 계면활성제로는 ‘레시틴(lecithin)’이라는 물질이 있다. 레시틴은 계란 노른자나 콩기름에 많고, 인체에서는 간이나 뇌에서 다량 발견되는 물질이다. 계란 노른자와 식용유, 식초를 넣고 마요네즈를 만들 때 서로 잘 섞이지 않는 식용유와 식초를 섞일 수 있도록 하는 것이 계란 노른자의 레시틴 성분이다.
이와 비슷한 예로 카세인산나트륨(카세인나트륨, sodium caseinate)이 있다. 원래 카세인은 우유 단백질의 많은 부분을 차지하는 단백질 분자이지만 물에 잘 녹지 않는 성분이다. 우유를 고온에서 수산화나트륨과 결합시켜 물에 잘 녹을 수 있는 카세인나트륨으로 만들어서 뽑아내면 물에 잘 안 녹는 부분(긴 카세인 사슬)과 물에 잘 녹는 부분(나트륨과 결합한 극성머리)으로 구성되어서 비누와 같이 기름과 물 사이의 경계를 허무는 계면활성제로 작용한다. 안전한 물질이므로 식품 첨가제로 널리 사용되고 있다. 이런 레시틴과 카세인나트륨은 여러 식품에 유화제로 많이 이용되지만 그중 우리에게 가장 많이 알려지고 관심을 받는 것은 커피믹스다.
일반적인 커피믹스는 동결건조한 커피 추출액 또는 곱게 간 원두, 설탕, ‘프리마’라는 이름으로 더 잘 알려진 식물성 크림으로 구성된다. 이 중 커피(추출액) 가루와 설탕은 뜨거운 물에 잘 녹지만, 야자유(코코넛 오일)를 고형화시켜서 만든 식물성 크림은 물에 잘 녹지 않는다. 뜨거운 물에 녹였다고 하더라도 커피가 식거나 양이 많아지면 기름이 물 위로 둥둥 뜰 것이 분명하다.
대부분의 사람은 기름이 둥둥 떠 있는 커피를 마실 생각이 없을 것이다. 따라서 커피믹스 성분에는 반드시 유화제라는 이름의 계면활성제가 들어가야만 한다. 식품에 첨가할 수 있도록 허용된 계면활성제는 앞에 소개한 레시틴과 카세인나트륨 같은 물질이다. 큰 틀에서 보면 물과 친한 극성머리와 기름과 친한 비극성꼬리를 가진 비누와 유사한 형태의 화학 물질이다.
여름이면 경쾌한 음악과 함께 광고에 나오는 아이스 커피믹스는 찬물에도 잘 녹는 장점을 가진 커피믹스다. 아이스 커피믹스를 찬물에 잘 녹이기 위해서는 커피(추출액)를 일반 커피믹스보다 좀 더 고운 가루로 만들고, 설탕도 좀 더 고운 가루로 만들거나 입자 중간 중간 공기층이 있도록 가공해 물과 접촉하는 면적을 크게 만든다.
하지만 식물성 크림은 말 그대로 기름을 가공하여 고체로 만든 것인데 찬물에 잘 녹이기란 쉽지 않다. 또한 얼음이 있는 상황에도 기름이 엉겨 붙지 않아야 하기 때문에 일반 커피믹스에 들어가는 것과는 조금 다른(좀 더 효과가 분명한) 유화제가 필요하다. 그래서 동일한 브랜드라 하더라도 일반 커피믹스와는 약간 다른 맛을 낸다.
커피믹스 이야기가 나온 김에 한 가지만 더 짚어두자. 커피믹스를 탈 때의 과정은 봉지를 찢어서 내용물을 종이컵에 넣고, 뜨거운 물을 부어 잘 섞이도록 젓는다. 이때 주로 무엇을 이용하여 저을까? 대부분 티스푼이나 스틱으로 젓지만, 실외에서 마시는 경우 믹스 봉지를 접어서 티스푼 대신 이용하는 경우가 많다.
커피를 타는 간단한 행위에도 많은 화학 물질이 등장한다. 종이컵은 종이로만 만든 것이 아니고 종이에 폴리에틸렌이 코팅되어 만들어진 컵이다.5) 물론 폴리에틸렌 고분자는 안정한 분자이므로 종이를 코팅해 종이컵을 만들 때뿐만 아니라 식품 포장재로도 사용이 가능하다.
대부분의 커피믹스 봉지는 폴리에틸렌으로 만들어진다. 폴리에틸렌 자체만으로는 습기와 산소를 차단할 수 없기 때문에 폴리에틸렌 층에 알루미늄 등의 금속 성분으로 코팅을 하고, 그 위에 선명한 여러 가지 색을 사용하여 상품명을 인쇄한 후 다시 한 번 폴리에틸렌으로 덮어서 완성한다. 이런 과정을 통해 만들어진 봉지에 커피 가루와 설탕, 식물성 크림을 넣고 양쪽 끝부분을 열처리 후 밀봉해 외부와의 접촉을 차단하고 변질을 막는다.
문제는 뜯어서 내용물을 컵에 쏟은 커피믹스 봉지의 찢어진 단면은 봉지의 중간 부분이 잘려진 것이므로 알루미늄 등의 금속 성분이 코팅된 면과 여러 염료로 인쇄 된 면이 노출되어 있다는 것이다. 이 그대로 뜨거운 물에 들어가서 커피를 젓는 용도로 사용될 경우, 염료에 사용된 미량의 납6)이나 알루미늄7) 등의 금속 성분과 염료를 구성하는 화학 물질이 녹아나올 수 있다.
아침에 졸음을 깨우기 위해, 또는 오후의 피곤함을 떨치기 위해 가볍게 마시는 믹스 커피 한 잔을 탈 때도 한 가지만 기억하자. 조금 귀찮더라도 커피믹스를 컵에 넣고 뜨거운 물을 붓고 난 뒤, 한 번만 손목의 스냅을 이용해 봉지 방향을 바꿔 따지 않은 끝부분으로 저어 마시자.
간단한 습관을 바꾸는 것만으로도 우리 몸에 들어오는 불필요한 화학 물질의 양을 줄일 수 있다. 화학 물질은 반드시 필요한 것이지만, 불필요한 것까지 내 몸에 차곡차곡 쌓을 필요는 없으니까 말이다.
내부의 분자는 모든 방행으로 힘을 받지만 표면의 분자는 내부로 알짜힘을 받아서 표면을 작게 하려고 한다. 이 때 표면을 늘이는 힘이 표면 장력이다.
연령에 따라 달라지지만, 사람은 전체 질량의 약 65% 정도가 물이다.
경수, Ca2+(칼슘 이온)와 Mg2+(마그네슘 이온) 등이 많이 들어있는 물을 말한다.
아주아주 작아서 눈에 보이지 않는 크기의 돌멩이라고 생각하면 된다.
김민경의 생활 속 화학이야기 3회 <코팅 프라이팬의 비밀> 참고.
건강한 성인이면 하루 약 2mg의 납은 몸 밖으로 배출할 수 있어서 식품 포장지 염료에 미량의 납은 허용 가능하다.
최근 연구에 따르면 특정 종류의 치매 환자들의 뇌에는 일반인과 다르게 고농도의 알루미늄이 발견된다고 한다.
발행일 : 2018. 04. 11.
저자 김민경 화학자, 한양대학교 창의융합교육원 / 화학과 부교수
한양대학교 공업화학과를 졸업하고 동대학에서 석박사학위를 받았으며, 워싱턴 주립대학교에서 화학환경공학 박사후 과정을 밟았다. 2009년 한양대학교에서 강의를 시작한 이후 매년 한 번도 빠지지 않고 학생들이 뽑은 Best Teacher로 선정되었다. 2014년에는 한양대학교 저명강의교수상을, 2016년에는 ‘생활 속의 화학’ 강의가 교육부 KMOOC 강의에 선정되었다. 산업 현장 근로자들을 위한 온라인강의 <안전 365! 화학안전강의>를 진행 중이다. 옮긴 책으로는 《실버버그의 일반화학》 (2판, 3판), Burdge의 《일반화학》(4판), 《일반화학의 기초》(1판), McMurry 《일반화학》(7판), 《핵심일반화학》(7판), Bauer의 《화학의 기초》(4판), Brown의 《유기화학입문》(6판)이 있다.
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[ë¤ì´ë² ì§ì백과] 계면활성제란 무엇일까? - 비누에서 쓸개즙, 커피믹스까지 (생활 속 화학이야기)