계면활성제, 표면장력
계면활성제2_표면장력측정&콜로이드의 연결 환경공학전공수업
다음은 계면활성제라는 녀석을 존재케하는 원인!! "표면 장력"과 그 결과인 "계면장력"에 대해서 살펴보자.
일단, 표면장력이란 무엇이냐..표면장력은 액체의 분자사이에 작용하는 인력때문에 발생하는것으로 이 녀석이 존재하기때문에 물과같은 것들이 구형등의 방울모양등이 유한한 모양을 가질 수 있는 것이다. 쉽게 말하면 기체 혹은 액체와 고체 등 서로 다른 상태의 물질이 접해 있을 때 그 경계면에 생기는 면적을 최소화하기 위해 작용하는 힘이다. 그런 본능적인 이유로 물방울의 모양이 나뭇잎등에 걸쳐있을때 일자로 쭈욱-ㅇ 퍼지는게 아니라 동글 동글하게 존재할 수 있는 것이다.
주변에서 보면 나뭇잎에 맺힌 이슬이라든가, 여러개로 만들어 살펴본 비누방울들 사이의 막, 소금쟁이 발 밑의 막..그리고 우리가 자주 보는 실험실 메스실린더 벽면과 용액의 곡선형의 모양등이 있다. 아래 그림과 같은 모양이 바로 이 표면장력이란 녀석때문에 액체가 본능적으로 취하게 되는 모양새이다. 이런 이유로 존재하는 액체의 모양들과 서로다른 상태나 같은 상태의 물질들 사이에 생기면 계면의 장력을 계면 장력이라고 하며 이를 측정하는 방법에 대해 소개하겠다.
계면장력을 측정하는 방법에는 여러가지가 있는데 위 그림은 모세관오름법에 대해 설명하기위해 준비했다. 모세관 오름법에 의한 계면 장력을 측정하려면 아래와같이 중력과 표면장력을 같다고 가정하고 아래와 같이 계산한다.
두개의 모세관을 가지고 측정하는 방법은 아래와 같다.
단, 이경우 완전 젖음상태이면(complete wetting), cosθ는 무시해야하며 재질과 액체가 같은경우에는 cosθ도 같다고 가정해야한다.
또한 wetting agent인 계면활성제가 들어가면 θ=0이 되며, cosθ=1로 무시해야한다.
이외에는 다음과 같은 두 방법이 있다.
-Wilhelmy Plate method
Wtotal=Wplate+2(x+y)γ
-Ring Method
F=2(2πr)γ
다음은 계면활성제의 연결, 콜로이드의 연결상태에 대해 다루어 보자.
다음 그림은 좌측의 통계학적인 모델과 우측은 모노머타입이다. 모노머랑 단위체로 회합체 구성하는 작은 분자단위상태라고 보면된다.
그림의 아랫부분에서 모노머 연결의 증가에 따라 각기 다르게 불리게 되는데 콜로이드는 연결 결합 모양 및 크기에 따라 콜로이드의 용도 및 특성이 조금씩 달라진다. (연결이 증가 되어 하나의 화합물화되는것을 중합반응이라고 한다.)이런 게 있다는 정도까지만 하도록 하자..^^
마지막으로 5장에서는 Micelle의 농도에 영향을 주는 인자와 분산, 표면압력, 전위, 유동력, 점도등에 대해 다루고 있지만 미셀의 농도에 영행을 주는 인자까지만 언급하고 나머지에 대해선 설명을 생략하겠다.
Micelle의 농도에 영향을 주는 인자는 다음과 같다.
- 탄화수소(hydro carbon)의 길이: CMC↓ as HC↑
CMC=128mM CMC=32mM CMC=8mM
ion성: 각 탄소길이마다 1/2씩 CMC↓
non-ion성: 각 탄소길이마다 1/3씩 CMC↓
- 온도: CMC↑ as T↑
- 유기분자(organic molecules)
urea(water structure breaker): CMC↑
fructose, maltose(water structure promotor): CMC↓
특히 온도가 micelle 형성에 미치는 영향에 대해서는 다음 그림통해 살펴볼 수 있다.
Kraft point(ionic surf) Clouding point(non-ionic surf)
: TK이하에선 micelle 형성 안됨 : TC이상에서 micelle 형성 안됨
- 비이온 계면활성제는 T↑, 용해도↓
: T↓, chain이 압축되어 있어 O가 물과 접촉해서 용해
T↑, chain이 펴져서 용해도↓
-Solublization
:물에 녹지 않는 물질(water-insoluble)이 수용액 내에 존재하는 micelle내부로
녹아 들어 가는 현상
(비고) soluble, solubility, solution
