세제, [ clearer , detergents , 洗劑 ]
세정의 목적에 사용되는 약제. 물체의 표면에 부착되어 있는 오염을 제거하여 깨끗하게 하기 위해 사용되는 약제.
무기세정제와 계면활성력을 가진 세정제로 대별할 수 있고, 더구나 그의 성질은 강알카리성, 약알카리성, 중성, 약산성, 강산성의 5종류로 나누워진다.
무기세정제에는 가성소다, 탄산소다, 인산소다 등의 알카리류 및 염류, 유산초산, 차아염소산수 등이 있고, 이들은 용기나 기구뿐만 아니라 식품의 세정에도 사용되고 있다. 계면활성제에는 비누나 중성세제(ABS)와 같이 물에 녹으면 그의 활성부가 이온화하는 이온형과, 알킬페놀ㆍ폴리에토키시레이트 및 알코올ㆍ폴리오키시레이트와 같이 수용액중에서는 해리(解離)하지 않는 비이온형이 있다.
세제로서 구비하여야 할 조건으로서 다음의 제점을 들 수 있다.
(1) 습윤성(침투접촉시키는 성질),
(2) 유화성(지방의 유화),
(3) 용해성(단백질의 용해),
(4) 분산성(더러움을 없애기 쉽게 한다),
(5) 경수연화성(물을 연화시킨다),
(6) 행구어 씻어 없애기(세정력),
(7) 부식성(금속 등의 부식성).
세정이란 물체의 표면에 부착되어 있는 오염을 제거하여 깨끗하게 하는 작업이다. 세제는 주성분인 계면활성제와 세정의 효과를 도와주는 조제로 구성되어 있다. 예전에는 나무를 태운 재를 물에 우려서 얻은 잿물과 삭은 오줌이 주로 사용되었다. ≪삼국지 三國志≫ 동이전(東夷傳)에 의하면 각 집에 요류(尿溜)를 두고 오줌으로 손도 씻고 세탁도 하였다고 되어 있다.
조선시대 여인들의 생활지식이 수록되어 있는 ≪규합총서 閨閤叢書≫에 의하면 자주색 옷은 오줌에 빨면 상하지 않고, 쪽빛 옷은 녹두물과 두부순물에 빨면 새롭고, 묵은 때는 콩깍지 잿물에 잘 빠진다고 되어 있다.
잿물의 주성분인 탄산칼륨(K2CO3)과 오줌에 함유되어 있는 암모니아(NH3)는 알칼리로서 세정작용을 도와주는 근거가 된다. 잿물은 지방과 세탁물의 종류에 따라 짚·콩깍지·뽕나무·잡초 등이 다르게 사용되었다.
대체로 면·마직물의 세탁에는 잿물이, 귀중한 옷감인 명주에는 콩이나 녹두가루가 사용되었다. 이 가루를 비루(飛陋：더러움을 날아가게 한다는 뜻)라 불렀으며 상류사회에서는 수세(手洗)에도 썼다. 이것이 비누의 어원이 된다.
1926년 2월 25일자 ≪경성일보≫에 의하면 경상남도 김해지방에서는 오줌으로 손을 씻었다고 되어 있는 것으로 보아 오줌을 세제로 사용하는 습관은 지방에 따라 오랫동안 이어온 것으로 추측된다. 가성소다(NaOH)가 잿물 대신 쓰이게 된 시기는 조선 말 개항 이후이며, 이를 양잿물이라 불렀다.
비누가 최초로 사용된 때는 분명하지 않다. 다만 프랑스 선교사 리델(Ridel,F.C.)의 ≪서울 옥중기(獄中記)≫(1901)에 의하면 1878년(고종 15) 2월 비누로 손을 씻을 때 거품이 이는 것을 보고 옥졸들이 마술이라며 놀랐다고 되어 있는데, 이것이 최초에 들어온 것이 아닌가 생각된다. 비누가 시판되기 시작한 것은 청나라와의 통상조약이 체결된 1882년 이후이고 최초의 생산시기는 확실하지 않다.
태평양전쟁 전후에는 물자부족과 경제적 궁핍 등으로 쌀겨［米糠］로 만든 거칠고 검은 비누가 나오기도 하였으며, 비교적 큰 규모의 비누공장이 가동된 것은 1950년부터이다. 우리 나라에서 비누는 합성세제가 생산된 1966년까지 세제의 주류를 이루었으나 합성세제가 개발되고 세탁기가 널리 보급된 이후 세탁비누의 소비는 현저하게 감소하였다.
합성세제는 석유계 원료에서 얻어지는 계면활성제를 주원료로 하고 세탁을 도와주는 조제를 혼합하여 만든 세제이다. 우리 나라에서는 1966년에 원료인 알킬벤젠을 수입하여 생산을 시작하였다.
그러나 이 때의 세제는 생분해가 되지 않아 수질오염이 문제가 되었으며 1980년 8월에 생분해성이 좋은 연성세제로 전환되었다. 1980년대 후반부터 세탁기 보급이 확산되면서 손빨래 시 사용되던 비누의 소비가 줄어들고 합성세제의 소비는 급격히 늘어났다.
합성세제가 나오기 이전 1960년대의 1인당 연간 비누 소비량은 1㎏ 미만이었는데 1986년 5.6㎏을 정점으로 감소하여 1995년에는 2.0㎏으로 낮아졌다.
반면 합성세제의 소비량은 생산초기인 1970년에 0.4㎏이던 것이 1990년 6.8㎏으로 급증가하였으나 1990년 이후 농축세제의 보급으로 인하여 소비량이 줄어 1995년 소비량은 6.3㎏으로 나타났다. 1999년 우리 나라의 세제 연간 생산량은 36만 9360톤이며 비누와 합성세제의 생산량 비는 24대 76으로 비누의 생산량이 현저히 감소되어 가고 있다.
세제의 주성분인 계면활성제의 분자구조는 기름과 친화성이 큰 친유기(親油基)와 물과 친화성이 큰 친수기(親水基)로 되어 있다. 이들 친유기와 친수기의 종류와 특성에 따라 계면활성제의 성질이 다르게 나타난다.
친수기가 물에 용해되었을 때 해리되는 이온에 따라 음이온 계면활성제·양이온 계면활성제·양성(兩性) 계면활성제·비이온계면활성제로 분류된다. 세탁시 사용되는 것도 대부분 음이온계 계면활성제이나 최근에는 거품을 적게 일게하는 비이온계 계면활성제의 사용이 증가하고 있는 추세이다.
또한 세탁 후 정전기 방지, 섬유의 유연성 향상을 목적으로 사용되는 섬유 유연제와 병원에서 살균, 소독의 목적으로 사용되는 세제에는 양이온계 계면활성제가 쓰이고 있다. 세제 속의 계면활성제 함량은 20∼30％이며 나머지는 세정을 도와주는 조제로 배합되어 있다.
그러므로 세탁에 필요한 계면활성제는 양이 적고 반고체여서 계량하여 쓰기가 불편하나 조제를 배합하여 희석하면 사용이 편리하다. 따라서 조제에는 증량의 목적이 있고, 알칼리성의 보충, 경수의 연화, 오염의 분산보완, 형광표백 등의 구실을 하는 약제들이 첨가되었다.
조제성분 가운데에서 알칼리 정도에 따라 중성이 되게 조절(pH 7∼8)한 것을 경질세제, 알칼리성이 강하게 조절(pH 10∼11)한 것을 중질세제라고 한다. 세정원리는 물체 및 오염의 종류에 따라 매우 복잡하나 간단히 설명하면 다음과 같다.
즉 물체와 오염계면에 계면활성제가 습윤, 침투하여 흡착되고 세정시에 주어지는 기계적 충격의 도움으로 물체에서 오염이 탈락된다. 탈락된 오염입자는 계면활성제의 흡착으로 다시 계면장력이 저하되면서 더욱 작은 입자가 되어 세액 속으로 분산된다. 오염의 성질에 따라 유화, 현탁 또는 가용화상태로 되어 안정화된다.
모든 생활용품이 그러하듯이 사람들의 생활수준이 향상되면 세제의 소비량도 증가되고 또한 세제의 종류도 다양해진다. 따라서 물체표면의 성질, 오염의 종류, 사용방법 등을 고려하여 용도에 맞는 세제가 개발되고 잇다. 세제의 종류를 용도별로 분류하면 크게 가정용세제와 공업용세제로 나눌 수 있다.
가정용은 다시 의류용(세탁비누·분말 및 액상의 합성세제)·화장용(세안 및 목용비누, 모발용·핸드클리너)·주방용(식기 및 야채용 액상의 합성세제)·주거용(가스렌지·욕탕·타일용 합성세제)으로 구분된다. 공업용은 섬유제품을 만들 때 정련, 염색, 가공 등의 공정에 사용된다. 공업용은 양모·면·합성섬유 등의 원료에서 섬유제품에 이르기까지 정련·염색 등의 공정에 사용된다.
합성세제는 비누
합성세제는 비누보다 탈지력이 커서 손바닥의 피부가 얇아지고 심하면 지문까지도 없어지는 진행성지장각피증(進行性指掌角皮症)·주부습진의 원인이 된다. 그러므로 고무강갑을 끼든지 작업 후에 유성크림으로 피부에 유분을 보충하여야 한다.
세제가 그 세정임무를 다한 뒤 배수에 섞여 폐기될 때 자연계의 미생물에 의하여 분해되어 생태계에 무리 없이 수용되어야 하나 생분해가 어려우면 하수의 자연정화와 하수처리장에서의 정화가 방해된다.
또한 하천에 세제가 축척되어 농도가 높아지면 많은 거품이 일어나 산소의 수중침투방해로 수중생물의 생존이 어렵게 되고, 유기물질인 계면활성제가 산화하는데 필요한 산소량인 BOD(biochemical oxygen demand))의 부하가 증가되어 하천이 오염되고 상수도용 식수로 침투할 가능성도 있다.
식기나 야채를 씻고 잘 헹구지 아니하였을 때 세제가 잔류하여 체내에 들어갈 가능성이 있게 된다. 체내에 축적되는 계면활성제의 영향에 관한 연구로는 신체 내 축적에 의한 생식·최기형(催畸形)·발암에 영향을 미친다는 보고가 있다.
일상생활에서 체내에 들어올 수 있는 계면활성제의 양은 성인이 1인당 7.0∼14.5㎎ 정도로 성인 체중을 50㎏으로 볼 때 0.14∼0.29㎎/㎏이 되어 세계보건기구(WHO)와 국제농업기구(FAO)에서 정한 최대 무작용 수치인 300㎎/㎏의 100∼2000분의 1에 해당하므로 크게 문제될 것이 없다는 상반된 보고도 있어 앞으로의 연구과제로 남아 있다.
중성세제 [neutral synthetic washing agent, 中性洗劑]
세제는 액성에 따라 알칼리성, 약알칼리성, 중성(pH6.0~8.0), 약산성, 산성의 다섯 가지로 분류되고 이 중에서 중성을 나타내는 세제를 중성 세제라고 부르고 있다.
일반적으로는 비교적 제거하기 쉬운 오염물이 부착된 피세물이나, 손상 혹은 자극을 받기 쉬운 피세물을 세정하도록 설계된 경질 세제(lightdutydetergent)가 중성인 것이 많기 때문에 경질 세제와 동의어적으로 사용되는 경우가 많다.
인체에 대하여 안전하고 자극이나 식품의 외관이나 냄새와 맛을 변화시키지 않고 세정할 수 있도록 설계된 부엌용 세제나, 양모나 비단 등과 같이 알칼리성 조건하에서의 물리적 작용에 약한 섬유 제품 등을 세정하는 것과 의료용 세제 등이 있다. 기타 모발용, 신체용, 주거용 세제 등도 있지만 최근에는 피세물에 대한 연구가 진행되어 이들 용도의 세제라도 약산성이나 약알칼리성의 것도 있어 다양한 제품이 나오고 있다.
수용액 중에서 중성을 나타내는 합성 세제의 총칭으로서 알칼리성세제에 대한 호칭이다. 알킬벤젠술폰산염등을 사용한 세제로 견, 모제품, 합성 섬유, 식기(食器), 야채, 과일 등의 세정이나 세탁 등에 쓰인다. 하수중에 혼입하면 기포성(氣泡性)이 좋아서 대기를 차단하여 산소가 수중에 용해되는 것을 방해하기 때문에 하수 처리에 영향을 준다. 그래서 최근에는 세균에 의해 분해되기 쉬운 소프트 세제가 사용되고 있다.
마트에 진열된 세제들,
합성세제, [ synthetic detergent , 合成洗劑 , synthetisches Waschmittel ]
합성세제란 화학물질에 의해 합성된 세제의 뜻. 중성세제란 용액이 pH중성의 범위를 나타낸데서 온 명칭이다. 비누는 유지와 알칼리제의 반응으로 만드는데 이것은 일반적으로 합성이라고는 말하지 않고 비누는 알칼리성을 나타낸다. 합성세제는 계면활성물질이고 다음과 같은 것이 있다. ABC(알킬벤젠 설퍼네이트 Alkylbenzen sulfonate), R기가직쇄상인것을 LAS(linea ABS, soft ABS라고 한다).
고급 알콜계〔ABㆍ알킬황산 에스터염 RㆍOㆍSO3NaㆍAESㆍ알킬에테르황산에스터 염 ROㆍ(CH2ㆍCH2O)n SO3Na〕을 음이온 계면활성제anionic surfactant라하고 AF〔폴리옥실에틸렌 알킬에테르 ROㆍ(CH2ㆍCH2O)nH〕, EAE〔폴리옥시에틸렌 지방산에스터 R-COOㆍ〔CH2ㆍCH2O)nH)를 비이온 계면활성제 nonionic sunfactant라고 한다. ABS는 미생물비 분해성인데 그 밖에는 분해성이다.
석유로부터 유래된 원료를 사용하여 만들어진 세제를 말한다.
목차
1.합성 세제란?
2.합성 세제에 쓰이는 계면활성제
3.합성 세제의 구성 성분
4.본격적인 합성 세제의 등장
5.참고 자료
합성 세제란?
합성 세제는 제1차 세계 대전 중에 비누의 대용품으로 독일에서 개발되었다. 비누가 천연 물질인 동 · 식물성 유지류를 사용하는 반면에 합성 세제는 석유에서 얻은 물질을 이용한다. 세척력을 높이기 위해 계면 활성제에 인산염, 착색제, 표백제, 효소제를 첨가하여 제조하고 있다. 인산염은 센물을 단물로 만들기 위하여 첨가하고 있으나, 최근 인산염이 부영양화의 원인으로 지적되면서 대신 합성제 지올라이트(zeolite)를 사용하고 있다.
천연 원료를 사용한 비누가 미생물에 의해 분해되는 반면에 석유를 원료로 사용하는 합성 세제는 미생물에 의한 분해가 어렵다. 이 때문에 합성 세제의 거품이 하천의 표면을 덮어 산소가 물 속으로 녹아 들어갈 수 없게 될 뿐 아니라 햇빛을 차단시켜 플랑크톤의 정상적인 번식을 방해하는 등 물을 오염시킨다.
합성 세제는 단어 그대로 석유 화학원료로부터 합성된 세제를 의미하며, 영어로는 synthetic detergent 또는 laundry detergent라 하고 초기에 개발된 합성 세제들 대부분이 고체상태이기 때문에 'washing powder'라는 표현도 사용한다. 기본적인 합성 세제는 비누처럼 친수성머리 부분과 소수성꼬리 부분을 함께 가지고 있는 계면활성제를 기반으로 하고 있으며, 알킬벤젠 설폰산염(ABS, alkylbenzene sulfonate)이 합성 세제에 가장 많이 사용되는 계면활성제이다.
합성세제란 화학물질에 의해 합성된 세제의 뜻. 중성세제란 용액이 pH중성의 범위를 나타낸데서 온 명칭이다. 비누는 유지와 알칼리제의 반응으로 만드는데 이것은 일반적으로 합성이라고는 말하지 않고 비누는 알칼리성을 나타낸다. 합성세제는 계면활성물질이고 다음과 같은 것이 있다. ABC(알킬벤젠 설퍼네이트 Alkylbenzen sulfonate), R기가직쇄상인것을 LAS(linea ABS, soft ABS라고 한다).
고급 알콜계〔ABㆍ알킬황산 에스터염 RㆍOㆍSO3NaㆍAESㆍ알킬에테르황산에스터 염 ROㆍ(CH2ㆍCH2O)n SO3Na〕을 음이온 계면활성제anionic surfactant라하고 AF〔폴리옥실에틸렌 알킬에테르 ROㆍ(CH2ㆍCH2O)nH〕, EAE〔폴리옥시에틸렌 지방산에스터 R-COOㆍ〔CH2ㆍCH2O)nH)를 비이온 계면활성제 nonionic sunfactant라고 한다. ABS는 미생물비 분해성인데 그 밖에는 분해성이다.
합성 세제 가루,
합성 세제에 쓰이는 계면활성제
대부분의 합성 세제는 산성 혹은 염기성을 보이지 않는 중성 세제 형태를 보이며, 알킬벤젠 설폰산의 알킬기 부분이 가지가 있는 형태(branched)인지 선형(linear)인지에 따라 구분한다. 가지가 있는 알킬기를 가지는 ABS 합성 세제의 경우 자연에서 쉽게 분해되지 않기 때문에, 최근에는 선형 형태의 LAS(linear alkylbenzene sulfonate)로 대체되고 있다.
추가로 알킬기 부분에 이중 결합이 도입된 α-올레핀 설폰산염(α-olefin sulfonate) 또는 고급 알코올황산에스터염의 경우 기존 합성 세제보다 생분해성이 우수하고 피부 자극성이 적어 액체형태의 세제로 활용되고 있다.
비누와 합성 세제에 사용하는 주요 계면활성제의 구조. 아래 왼쪽이 가지를 가지고 있는 ABS, 아래 오른쪽이 LAS이다.
합성 세제의 구성 성분
대부분의 합성 세제는 질량비 기준으로 50% 정도의 충진제(보통의 경우 금속 이온 봉쇄 효과를 겸하기도 함)와 알킬벤젠 설폰산염 등의 계면활성제가 15% 정도, 그리고 표백제 10% 미만을 주요 성분으로 하고 그 외에 추가적인 기능을 가지는 소량의 물질들이 포함되어있다.
그 중 충진제는 물을 연수화하는 기능을 담당한다. 물에 있는 칼슘이나 마그네슘이온등이 계면활성제의 역할을 방해하는데, 이를 충진제들이 킬레이션이나 이온 교환 등을 통해 막아주는 역할을 한다. 초기에는 탄산 소듐이 사용되었으나 그 기능성이 낮아서 나중에 인산소듐등의 인을 포함하는 물질들이 충진제로 개발되었다. 인을 사용하지 않는 구연산, 글루콘산, 제올라이트등도 최근 충진제로써 사용되고 있다.
합성 세제에 사용되는 표백제성분은 식물성 요염 및 변색 등을 제거하는 것을 목적으로 하며, 염소산계 표백제보다 안정한 과산화물계 물질들이 주로 사용된다. 과붕산 소듐 및 과탄산 소듐 등이 대표적으로 합성 세제에 사용하는 표백제 성분이다. 또한 최근 합성 세제에는 질량비 기준 2% 정도의 효소들이 포함되기도 하는데, 이 효소들은 세탁물의 오염물 중 단백질이나 지방, 당 등의 생물학적 오염을 제거하는 역할을 한다. 효소의 경우 각 오염 성분별로 다른 종류의 효소가 필요하므로 몇 가지 효소를 섞어서 사용하기도 한다.
그 외에 합성 세제를 구성하는 성분으로는 거품의 발생 또는 거품의 안정성을 조절하기 위한 물질, 액체 세제의 경우 액체의 점성을 조절하는 물질, 세탁기 및 세탁물을 보호하는 성분 등이 사용된다.
본격적인 합성 세제의 등장
전통적인 빨래용 세제로 사용하는 비누가 이온을 많이 함유한 센물(hard water)에서 기능이 떨어지는 문제점을 해결하기 위하여 합성 세제의 필요성이 제기되었다. 특히 1907년 독일의 헨켈사(Henkel)에서 퍼실(Persil)이라는 상표의 최고의 자동식(손으로 비벼서 빨지 않아도 세탁이 되는) 세제를 출시하였다. 이 세제는 과붕산염(perboronate)과 규산염(silicate)을 섞어서 세정과 표백 기능을 강화하여 만들어졌기 때문에 두 단어의 앞글자를 따서 퍼실이라는 이름을 갖게 되었다.
석유계 탄화수소 따위를 화학적으로 합성하여 만든 세제로 대개 중성세제이며, 대부분 알킬벤젠설폰산나트륨이다. 알킬기가 분지(分枝)한 것(硬性 ABS)과 노말사슬형(軟性 LAS)의 2종이 있는데, 전자는 분해가 곤란하여 후자가 사용되었다.
대개 중성을 나타내므로 중성세제라고도 한다. 많은 종류가 있는데, 그 중 알킬벤젠설폰산나트륨이 대부분을 차지하며, 합성세제라고 하면 대부분 이것을 가리킨다. 알킬기가 분지(分枝)한 재생 ABS, 노말사슬형의 연생 LAS의 2종이 있다. ABS는 폐수 중에서 세균과 같은 것으로 분해되지 않고, 하수처리의 곤란, 강물의 거품일기, 어류·인체에 유해하기 때문에 LAS(linear alkylbenzenesulfonate)에의 이행이 진행되었다.
LAS는 석유공업의 등유유수(溜水) 속의 노말사슬 파라핀을 단리(單離)하여, 이것을 출발원료로 하여 ABS와 같은 방법으로 제조된다. 일반가정용·공업용의 각종 세제는 LAS를 주성분으로 하고 여기에 거품의 안정성 향상, 피부자극의 경감, 수세(水洗) 때의 거품을 빨리 없애거나 표백 등을 위해 각종 첨가제가 혼합되고 있다. 합성세제에는 이외에 α-올레핀설폰산염이 있으며, ABS보다도 생화학적 분해가 빠르고 피부자극성도 적은 액체세제용이다. 한편, 고급알코올황산에스터염도 사용되며 생화학적 분해도 좋다.
N-옥사이드 등의 옥사이드(산화물)계의 계면활성제가 세제 거품의 안정성 향상과 피부자극을 부드럽게 하는 성질이 있다는 것이 발견되었다. 또 석유화학공업에서 부산물로 생산되는 저급 올레핀의 이용을 도모하기 위하여 여러 합성세제 제조도 시도되고 있다. 타르(주성분은 수크로스지방산에스터와 연성비누)와 비누를 계면활성제로 하고 경수연화제(硬水軟化劑)로 제올라이트를 사용한 세제도 개발되는데, 이것은 무공해라고 한다.
사전,
간호학대사전합성,
세정제중에서 식기구ㆍ과일ㆍ야채 등을 닦는 소위 주방용의 중성세정제를 가리킨다. 또한, 합성세제는 비누 등에서 볼 수 있는 지방산의 알칼리염 이외의 세정제를 말하며, 음이온활성제, 양이온활성제, 비이온활성제, 양성표면활성제가 있다. 제품으로서는 액상과 분말의 두 종류가 시판되고 있다.외국어 표기 neutral detergent(영어), 中性洗劑(한자)참조어 합성세제,
패션전문자료사전,
합성 세제의 하나로, 고급 알코올 또는 알킬벤젠을 원료로 하여 만든다. 가정용품 품질표시법에 의하면 수용액의 pH가 6~8로 정해져 있다. 계면활성제20~40%, 유산나트륨(60~80%)에 소량의 CMC, 형광증백제 등을 배합한다. 견, 모 등 알칼리에 약한 세탁에 이용한다.외국어 표기 中性洗劑(한자)
영양학사전,
계면활성제의 하나. 석유계, 고급 알코올계, 비이온계 등 거의 중성이다. 합성섬유나 동물성섬유 등의 세정에 이용한다.외국어 표기 neutral detergent(영어), 中性洗劑(한자)
농업용어사전,
농촌진흥청수용액 중에서 중성을 나타내는 합성세제의 총칭.외국어 표기 neutral detergent(영어), 中性洗劑(한자), ちゅうせいせんざい(일본어)
Basic 중학생을 위한 기술·가정 용어사전,
물에 녹아서 중성을 띠는 합성 세제. 섬유를 손상시키지 않으며, 센물이나 산(酸)에서도 때를 씻어내는 성질이 있다.
계면활성제, [ surfactant , 界面活性劑 ]
묽은 용액 속에서 계면에 흡착하여 그 표면장력을 감소시키는 물질이다. 보통 1분자 속에 친유기와 친수기가 함께 들어 있는 양쪽 친매성(親媒性)인 물질은 계면활성제가 될 수 있다.
계면활성제는 이름 그대로 서로 다른 성질의 물질이 만나는 면(표면 또는 계면)에서 활성화된 물질이다. 계면활성제를 뜻하는 영어 단어는 surfactant를 사용하는데, 이는 표면 또는 계면을 뜻하는 surface와 활성을 나타내는 물질이라는 뜻의 active reagent를 조합하여 만들어진 단어이다. 즉, 계면활성제는 물과 기름처럼 서로 섞이지 않은 경계면에서 활동할 수 있는 분자를 말한다.
표면활성제라고도 한다. 비누는 그 대표적인 것으로, 비눗물의 표면장력은 물에 비하여 훨씬 작다. 이것은 비누가 물의 표면에 모여 표면을 되도록 넓게 하려고 하기 때문인 것으로 알려져 있다. 비누가 물의 표면에 잘 모이는 성질은, 비누의 분자(예를 들면, 스테아르산나트륨) 속에 긴 사슬 모양의 알킬기(基)와 같은 친유성(親油性)의 기와 카복시기와 같은 친수성의 기가 들어 있어, 친유성의 기는 물의 반발을 받아 표면으로 가기 때문에 생긴다.
계면활성제 중 수용액에서 이온화하여 활성제의 주체가 음이온이 되는 것을 음이온 계면활성제라고 하는데, 비누·알킬벤젠설폰산염 등이 이에 속한다. 또 이온화하여 양이온이 되는 것을 양이온 계면활성제라 하는데, 고급아민할로젠화물·제사암모늄염·알킬피리디늄염 등이 이에 속한다. 또한 양쪽이 다 되는 것을 양쪽성 계면활성제라고 하는데, 여기에는 아미노산등이 속한다.
한편, 전리하지 않는 것을 비(非)이온 계면활성제라 하여 구별하기도 하는데, 여기에는 폴리에틸렌글리콜류 등이 속한다. 계면활성제는 일반적으로 세척력·에멀션화력·분산력·삼투력·기포력(起泡力) 등을 지니고 있어, 각기 그 특성에 따라 세척제·섬유처리제·에멀션화제·부유선광제(浮遊選鑛劑)·시멘트용 기포제·윤활유 첨가제·살균제·도료분산제(塗料分散劑) 등으로 널리 이용되고 있다.
계면활성제의 구조,
계면활성제의 구조
물과 기름이 섞이지 않는 것은 물은 극성을 가지고 기름은 비극성의 성질을 가지기 때문이다. 일반적으로 극성인 분자는 극성인 분자와 잘 섞이고, 비극성인 분자는 비극성인 분자끼리 잘 섞이는 성질을 가지고 있다. 계면활성제는 기본적으로 한 분자내에 극성인 부분과 비극성인 부분이 함께 존재하는 분자에서 나타나게 된다. 즉, 분자 안에 물을 좋아하는 부분인 친수성(hydrophilic) 부분과 물을 싫어하는 소수성(hydrophobic) 부분을 동시에 갖는 분자들이 계면활성제로 사용될 수 있다.
보통 통틀어 기름(oil)이라고 부르는 물질들은 물에 섞이지 않고 용해 측면에서 반대되는 성질을 가지기 때문에 물을 싫어하는 소수성 부분은 동시에 기름을 좋아하는 친유성(lipophilic)인 성질을 보여주고, 물을 좋아하는 친수성 부분은 기름을 싫어하는 소유성(lipophobic) 성질을 나타내게 된다.
일반적인 계면활성제의 경우 탄소원자가 길게 연결된 사슬 형태가 소수성 부분을 구성하고 있고, 극성을 가지는 친수성 부분은 그 크기가 소수성 부분보다 현저히 작으므로, 친수성 부분을 머리(head)라고 부르고 소수성 긴 사슬 부분을 꼬리(tail)라고 부른다.
비누 등의 가장 광범위하게 사용 되는 계면활성제인 소듐 스테아르산의 구조,
계면활성제의 종류
단순히 머리와 꼬리 부분이 상대적으로 다른 극성을 가지는 분자를 모두 계면활성제의 범주에서 생각할 수 있으므로 상당히 다양한 종류의 계면활성제가 개발되어 사용되고 있다. 이를 분류하는 기준으로는 머리 부분의 구조와 성질에 따라 나누는 방법이 보편적으로 사용된다.
물과 상호 작용을 하는 머리 부분이 음이온을 가지고 있는 계면활성제는 음이온 계면활성제, 친수성 머리 부분이 양이온을 가지고 있는 계면활성제는 양이온 계면활성제로 구분하며, 그 외에도 양이온과 음이온을 동시에 머리 부분에 가지는 쯔비터 이온(zwitter ion) 형태의 계면활성제, 극성을 가지지만 중성인 부분을 포함하는 중성 계면활성제 등으로 구별할 수 있다.
계면활성제의 종류: 왼쪽 하늘색이 친수성(hydrophil) 부분 오른쪽 회색이 소수성(hydrophob) 부분. 머리 부분인 친수성 부분의 종류에 따라 계면활성제를 구별한다.
생활 속의 계면활성제: 세제
계면활성제의 주 사용처는 세제, 유화제, 습윤제, 기포제, 분산제 등인데, 공통으로 물과 물을 싫어하는 물질을 잘 섞이고, 그 상태를 유지하는 역할을 담당하고 있다. 이 중 우리 생활 및 가정에서 가장 흔하게 볼 수 있는 것이 세제이다.
기름이 들어있는 요리를 담았던 식기 등을 물로만 세척하면 기름때가 그대로 남아있지만, 세제를 사용하면 기름때가 말끔히 제거되는 것은 바로 계면활성제의 역할 때문이다.
계면활성제의 소수성 꼬리 부분은 기름때와 상호 작용을 하고, 기름때를 둘러싼 계면활성제의 머리 부분은 이 기름때-계면활성제 덩어리들이 물에 녹을 수 있도록 상호 작용을 하여 기름이 물에 의해 씻겨 나가도록 한다. 빨래에 사용되는 세제도, 옷에 진 기름 때들을 비극성 분자간 상호 작용으로 섬유로부터 떼어내고, 친수성 부분의 상호 작용에 의하여 물에 녹아서 씻겨지는 역할을 수행한다.
우리 생활 속에서 흔히 볼 수 있는 계면활성제가 사용된 다양한 세제들,
세재에 주로 포함 된 대표적인 세 종류의 계면활성제 구조,
생활 속의 계면활성제: 식품
두 종류의 섞이지 않는 액체가 균일하게 혼합되어있는 것을 에멀션(emulsion)이라고 한다. 가령 식용유와 물을 한 컵에 따라 놓으면 섞이지 않고 층을 이루지만, 열심히 흔들거나 저어서 두 층을 섞어 놓으면 물 안에 작은 기름방울들이 분산된 상태를 만들 수 있고, 이 상태를 에멀션이라고 한다. 다만, 물과 기름의 경우에는 가만히 두면 비극성인 기름끼리 뭉쳐서 점점 큰 덩어리를 만들고, 최종적으로는 다시 물 층과 기름 층으로 분리되는 현상을 관찰할 수 있다.
우유도 물과 단백질, 지방등으로 이뤄진 액체혼합물인데, 우유의 경우에는 오랜 시간 가만히 두어도 물과 지방 층으로 나뉘지 않는다. 우유의 경우에는 계면활성제에 의해 에멀션이 안정화되었기 때문인데, 이 경우 우유 안의 레시틴(lecithin)이 계면활성제의 역할을 한다. 달걀 노른자에 식용유와 식초, 향신료 등을 섞어주면 마요네즈(mayonnaise)를 얻을 수 있는데, 이때도 달걀 노른자 속의 레시틴이 계면활성제 역할을 하며 식용유와 재료들 내의 물 또는 극성 분자들과의 혼합을 도와주고, 에멀션 상태를 안정적으로 유지할 수 있도록 해준다.
레시틴에 포함된 인지질의 한 형태: 검정색은 글리세롤, 초록색은 불포화 이중 결합을 하나 가지는 지방산, 파란색은 포화 지방산, 빨간색은 콜린과 인산을 나타내고 있다.
우리 몸 속 계면활성제
생체의 중요한 계면활성제에는 데옥시콜산 소듐(sodium deoxycholate)처럼 쓸개에서 분비되어 지방의 분해를 돕는 물질이 있다. 이러한 생체 계면활성제는 세포로부터 특정한 물질을 분리, 정제할 때 중요하게 사용된다. 예컨대 1944년에 에이버리(Oswald Avery, 1877-1955) 등이 DNA가 유전물질임을 증명하는 실험 중 가열한 폐렴균에서 DNA를 정제할 때 일단 데옥시콜산 소듐을 가하고 세포막을 분쇄한 후 탄수화물, 지방질, 단백질, 핵산등을 차례로 분리했다. 이렇게 해서 얻은 순수한 DNA의 원소분석 결과는 이론값과 잘 일치했다.
마이셀 구조
물과 같은 극성 용매에 계면활성제가 고르게 섞이고 계면활성제끼리 만날 수 있는 농도가 되면, 계면활성제끼리 물 안에서 뭉친 구조가 만들어지기 시작한다. 일정하게 모여 있는 계면활성제의 배열을 생각해보면, 물을 싫어하는 소수성 꼬리 부분은 꼬리 부분끼리 모이고, 가능한 물과 직접 닿지 않는 모양을 이루려고 할 것이다. 따라서, 계면활성제 분자가 둥글게 모여서 꼬리는 안쪽으로, 동시에 물(또는 극성 분자)을 좋아하는 머리는 바깥쪽으로 위치한 구형 모양을 이루게 되는데, 이러한 구조를 마이셀(micelle)이라고 부른다.
계면활성제가 기름과 같은 비극성 용매내에 섞이게 되면 반대의 경향(머리가 안쪽으로 모이는 구조)을 보일 것이고, 이를 역마이셀(reverse micelle)이라고 부른다. 이러한 마이셀의 형성은 계면활성제가 어느 정도 자기들끼리 모일 수 있는 농도가 되어야 하므로, 마이셀을 형성하기 시작하는 임계 마이셀 농도(critical micelle concentration)을 가지며, 그 외에도 온도, pH, 다른 이온이나 극성 물질의 영향 등의 외부 자극에도 영향을 받는다.
마이셀의 구조,
수용액 내에서 계면활성제가 이루는 마이셀의 구조: 초록색 머리 부분이 친수성 부분으로 마이셀의 바깥쪽을 이루고, 노란색 소수성 사슬이 안 쪽을 향한다.
참조어
세탁, 계면 활성제(surfactant)
참조항목
비누, 세제, 소프트계세제, 알킬벤젠설폰산염, 세제, 양이온계면활성제, 음이온계면활성제
역참조항목
복합오염, 세제의 종류, 세제와 세탁조제, 세제의 독성과 공해, 세탁의 조건, 가솔린 첨가제, 가용화, 기포분리, 농업용 비누, 단백질 세제, 미리스틸 알코올, 비이온 계면 활성제
카테고리
기술과학> 화학공학> 세탁 및 염료
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