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계면활성제는 물과 섞이기 쉬운 친수성(親水性, hydrophilic)을 나타내는 부분과 기름과 섞이기 쉬운 친유성(親油性, lipophilic), 즉 물과 섞이기 어려운 소수성(疏水性, hydrophobic)을 나타내는 부분을 함께 지닌 화합물이다. 일반적으로 계면활성제 분자 구조의 친수성 부분을 머리, 친유성 부분을 꼬리라고 구분하여 계면활성제의 작용 및 성질을 설명한다.

물에 기름을 넣거나 기름에 물을 넣고 흔들어보면 처음엔 섞이는 것 같지만 결국은 두 액체가 섞이지 않고 서로 맞닿은 경계면을 이루며 뚜렷하게 분리되어 층을 이룬다. 그러나 여기에 계면활성제를 넣고 흔들어주면 층이 없어지고 두 액체가 섞인다. 계면활성제는 기름에 강염기를 넣어 만드는데, 기름과 염기의 종류에 따라 무수히 많은 종류의 계면활성제를 만들 수 있다.

계면활성제의 영어 단어 'surfactant'는 surface(표면)＋active(활성)＋substance/agent(물질)의 조합이다. 계면활성제의 소수성 부분은 탄소 원자가 사슬 구조로 여러 개 연결되어 있는 구조로 비극성이고, 비극성 끝 부분에 같이 결합되어 있는 친수성 부분은 극성이다.

계면활성제는 친수성과 소수성을 이용하여 서로 다른 계면의 경계를 완화시키는 작용을 한다. 계면은 기체와 액체, 액체와 액체, 액체와 고체가 서로 맞닿아 있는 경계면을 말한다. 경계면에서 두 가지 물질은 서로 섞이지 않고 경계면을 유지하는데, 이 두 계 사이에 계면활성제를 넣어주면 계면의 경계성을 완화시켜 서로 섞일 수 있게 된다.

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• 1계면활성제 분자 구조와 비유 그림
• 2물 표면에 계면활성제가 섞인 모습

물은 극성 물질로 많은 종류의 물질을 녹여 용액을 만들지만 무극성이 강한 기름을 섞으면 물의 표면 장력이 커서 기름 분자가 녹아들지 못해 층을 이룬다. 극성이 있는 물 분자와 비극성(무극성) 분자인 식용유는 성질이 달라 두 액체 사이의 접촉면에서 서로 섞이지 않고 물 층과 기름 층의 경계면을 형성하여 유지한다.

그러나 계면활성제를 물에 넣으면 물과 섞이기 쉬운 머리(친수성 부분)가 물의 표면에 분포한 물 분자 사이에 섞이므로 물 분자끼리 작용하는 인력을 방해하여 물의 표면장력을 감소시켜 경계를 활성화시킨다. 계면활성제의 친수기는 물과 섞이고, 친유기(소수기)는 기름과 섞여 두 계의 표면장력이 약해지고 두 액체가 섞이는 상태가 된다. 이런 현상을 유화라 한다. 모든 화장품은 유화 과정으로 만들어진다. 유화 현상은 그 밖에도 우리 생활에서 다양하게 이용된다.

계면활성제의 종류는 친수성기의 성질에 따라 분류하는데 음이온, 양이온, 중성, 주피터이온(zwitter ionic)형 등이 있다. 물과 상호작용하는 머리 부분이 음이온^각주1) 이면 음이온 계면활성제, 양이온^각주2) 이면 양이온 계면활성제, 극성을 띠지만 전하는 중성인 그룹^각주3) 이 붙어 있으면 중성 계면활성제, 양이온과 음이온이 모두 포함된 경우에는 주피터이온형 계면활성제라고 한다.

머리와 꼬리 부분의 특성에 따라 성질과 작용이 다른 수많은 천연 계면활성제가 있고, 화학이 발달하면서 다양한 인공 계면활성제를 합성할 수 있게 되었으며, 이의 활용은 의약품, 식품, 화장품, 세제 등 헤아릴 수 없을 정도로 광범위하다.

생활 속 계면활성제

먹을 수 있는 계면활성제

화학의 발달로 계면활성제는 우리 생활에서 광범위하게 사용되고 있지만 인류는 계면활성제가 무엇인지 알기 이전부터 천연 계면활성제를 사용해왔다. 미처 인지하지 못했을 뿐, 계면활성제는 일찍이 인류가 생활에서 사용해온 물질이다. 우리가 섭취하는 식품에도 계면활성제가 들어 있는 것이 많다. 음식을 조리하는 과정에서 계면활성제 성질을 가진 재료가 여러 가지 식재료를 잘 섞이게 하고, 유화 과정을 통해 새로운 맛을 낸다.

우유는 필수 영양소가 고루 들어 있어 완전식품이라 일컬으며 동서양에서 매우 귀한 음식으로 여겨왔다. 우유는 단백질, 지방, 각종 무기염류 등 다양한 성분이 물에 녹아 있는 혼합용액이다. 화학적으로는 에멀전(emulsion)으로 분류한다. 우유는 물과 잘 섞이지 않는 지방과 단백질 등이 레시틴이라는 천연 계면활성제의 작용으로 유화되어 물에 녹아 있는 것이다. 또한 우유는 그 자체로 섭취하기도 하지만 우유 속의 단백질, 지방 영양소를 분리시켜 치즈, 버터를 만들어 먹는데, 이것은 계면활성제인 레시틴의 유화 작용을 없애는 방법을 이용하는 것이다.

레시틴은 우리 식탁에 쉽게 자주 올라오는 계란과 콩 속에 많이 들어 있는 영양소이기도 하다. 계란과 콩 속에 들어 있는 레시틴의 계면활성 작용을 이용하는 경우를 한 가지 더 알아보자. 계란노른자와 콩기름은 서로 분자의 성질이 달라 쉽게 섞이지 않는다. 그러나 충분히 저어가며 섞어주면 계란노른자와 식용유 속의 천연 계면활성제인 레시틴의 작용으로 잘 섞여 유화되어 마요네즈가 되고 이는 오랫동안 유지될 수도 있다.

위생을 책임지는 계면활성제

비누는 아주 오래전부터 사용해온 계면활성제다. 인류가 최초로 합성한 화합물이라 할 수 있는 비누는 인류의 위대한 발명품 가운데 하나로 꼽힌다. 200여 년 전부터 일반인들까지 널리 사용하게 된 비누는 유럽인의 평균수명을 반세기 만에 20년이나 늘린 획기적인 발명이었다. 손만 깨끗이 씻어도 감염의 50% 이상을 예방할 수 있는데, 이때 비누를 사용하면 세균을 더욱 효과적으로 말끔하게 씻어내어 감염 예방 효과를 극대화할 수 있다.

화학이 발달하면서 다양한 재료에서 추출한 지방산과 유지 등을 이용하여 다양한 종류의 비누를 만들어 쓸 수 있게 되었다. 비누의 형태도 고형 상태뿐 아니라 액체 상태의 물비누, 샴푸, 화장을 지우는 클렌징 로션, 클렌징 크림, 클렌징 폼 등을 개발하여 쓰고 있는데 모두 계면활성제를 이용한 비누다. 나아가 세탁비누와 합성세제 등은 모두 계면활성제의 일종으로, 물로 지워지지 않는 기름때를 빼낼 수 있게 한 것이다. 가지각색의 비누 및 세제를 이용한 세정 및 세척의 원리는 모두 같다.