요약
수용액 속에서 그 표면에 흡착하여 그 표면장력을 현저하게 저하시키는 물질. 표면활성제라고도 한다. 친수성(親水性) 부분과 소수성(疏水性) 부분으로 이루어진 화합물로서, 그 분자량은 수 백에서 1000 정도이다. 일반적으로 서로 반대 성질인 물과 기름에 대하여 친화성이 있다(양친용매성). 비누는 계면활성제의 대표적인 것이다.
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내용
수용액 속에서 그 표면에 흡착하여 그 표면장력을 현저하게 저하시키는 물질. 표면활성제라고도 한다. 친수성(親水性) 부분과 소수성(疏水性) 부분으로 이루어진 화합물로서, 그 분자량은 수 백에서 1000 정도이다. 일반적으로 서로 반대 성질인 물과 기름에 대하여 친화성이 있다(양친용매성). 비누는 계면활성제의 대표적인 것이다. 계면활성제는 보통 1% 농도에서 물의 표면장력 72mN/m를 30mN/m 이하로 감소시킨다. 수용액에서 계면활성제의 농도가 어느 정도 높아지면, 단순분산상태였던 계면활성제가 집합체(미셀)를 형성한다. 이 때의 농도를 임계미셀농도(critical micelle concentration;약칭 CMC)라고 한다.
1 분류
계면활성제에는 수용액에서 이온화하는 것과 하지 않는 것이 있다. 이온화하는 것은 계면활성을 나타내는 부분의 이온의 종류에 따라 음이온계면활성제와 양이온계면활성제로 나뉜다. 또 용액의 pH가 높으면, 계면활성을 나타내는 부분이 음이온이 되고, pH가 낮으면 양이온이 되는 양쪽성계면활성제가 있다. 수용액에서 이온화하지 않는 것은 비(非)이온계면활성제라고 한다.
2 특성과 응용
계면활성제는 습윤·침투·유화(에멀션화)·분산·흡착·기포화·가용화 등의 성질이 있으며, 이들의 용도는 다양하다.
⑴ 젖음:계면활성제에 의해 물의 표면장력이 크게 되는 것은, 계면활성제가 공기와 물의 계면에 흡착하여 표면을 넓히는 작용을 하기 때문이다. 이와 같이 계면활성제수용액이 고체와 접하면, 물과 고체의 계면에 계면활성제가 흡착하여 고체표면의 성질을 크게 바꾼다. 예를 들면, 플라스틱의 표면은 보통 소수성으로 물에 젖지 않는다. 그러나 이것을 계면활성제 용액에 담그면 물에 쉽게 젖는데, 이것은 플라스틱 표면에 계면활성제의 소수성기가 흡착하여, 바깥쪽이 친수성기로 둘러싸이기 때문이다. 반대로 계면활성제가 친수성 물질의 표면에 작용하여 소수성 물질로 만드는 경우도 있다. 이와같은 성질은 인쇄잉크·유화구·안료를 제조하는 데 응용된다.
⑵ 미셀:계면활성제의 집합체인 미셀은 수용액 에서 친수성기가 수면 바깥쪽에 늘어서고, 소 수성기가 안쪽에 모여, 어떤 농도 범위에서 구 형을 만든다. 친수성기로 이온화한 부분이 바 깥쪽을 향한 미셀 주위에는 강한 전기장이 형성된다. 수용액 속의 미셀은 열역학적으로 안정하며, 콜로이드입자로서 취급된다. 미셀의 안쪽은 소수성기가 밀집한 영역인데, 계면활성제 미셀수용액에 벤젠과 같은 물에 난용성인 물질이 첨가되면, 벤젠은 안쪽의 소수성 부분으로 들어가게 된다. 이때 용액은 투명하여 마치 벤젠이 용해한 것처럼 보이는데, 이같은 현상을 가용화라 한다. 가용화는 화학섬유를 물에 난용성인 염료로 염색하거나, 유용성(油溶性)인 비타민을 물에 분산시키는 경우에 이용된다.
⑶ 유화:계면활성제에 의해 물 속으로 기름을 분산시키면 에멀션이 생긴다. 이 현상을 유화 또는 에멀션화라고 한다. 기름방울 주위에 계면활성제가 흡착하여 기름방울을 안정화하는 것인데, 분산입자가 고체인 경우에는 현탁액(서스펜션)이라 한다. 이 현상은 화장품·고분자·마가린·도로포장 등에 널리 이용된다. 유화가 쉽고 안정하도록 사용하는 계면활성제를 유화제라 한다.
⑷ 세척:계면활성제의 중요한 성질로 섬유나 금속표면의 더러움을 세척하는 작용이다. 세척작용에는 흡착·젖음·가용화·분산 등 여러 성질이 관계한다. 세제는 계면활성제의 세척작용을 효과적으로 높인 상품인데, 가정용세제에는 세척력 이외에 양호한 용해성, 적당한 거품, 습윤성, 무취·무색인 것, 피부에 무자극이며 미생물에 의해 분해되며 어류에 대해 독성이 적을 것 등이 필요하다. 세척력을 증가시키기 위해 인산염·규산염 등의 무기염을 첨가한다.
⑸ 대전방지:합성섬유나 플라스틱은 정전기를 띠기 쉬우며 특히, 겨울에 공기가 건조하면 옷감에 의한 정전기장애가 발생하기 쉬운데, 계면활성제를 화학섬유에 첨가하면 방지할 수 있다. 이것은 섬유 표면에서 계면활성제가 공기속에 있는 미량의 수분을 흡착하여 통전성(通電性)을 증가시키기 때문이다.
⑹ 살균:사차암모늄화합물에 살균작용이 있다는 것은 20세기 초에 발견되어, 독일 화학자 G. 도마크에 의해 알려졌다. 양이온계면활성제는 사차암모늄기를 함유하고 있으며, 수용액에서는 이 부분이 양전하를 띤다. 일반적인 계면활성제는 음전하를 띠기 때문에 역성비누 또는 양성비누라고한다