소개글
"계면활성제 실험"에 대한 내용입니다.
목차
1. 계면활성제와 에멀젼
1.1. 계면활성제의 정의와 특성
1.2. 마이셀 형성의 원리
1.3. 에멀젼의 특성과 종류
1.4. 표면장력과 혼탁도
1.5. 계면활성제의 화학적 분류
1.6. CTAB와 2-프로판올의 특성
1.7. 실험 기구와 시약
1.8. 실험 A: CTAB-물-톨루엔-2-프로판올 에멀젼
1.9. 실험 B: 계면활성제가 없는 물-톨루엔-2-프로판올 에멀젼
1.10. 실험 결과 분석 및 해석
1.11. 에멀젼 형성의 열역학적 이해
1.12. 마이크로에멀젼 형성 원리
1.13. 계면활성제 농도와 CMC의 관계
1.14. 유기첨가제가 CMC에 미치는 영향
1.15. 계면활성제가 없는 에멀젼 제조 기술
1.16. 생체 내 계면활성제의 역할
1.17. 계면활성제의 실생활 응용
1.18. 실험의 오차와 한계
1.19. 실험 개선을 위한 제언
2. 참고 문헌
본문내용
1. 계면활성제와 에멀젼
1.1. 계면활성제의 정의와 특성
계면활성제는 한 분자 내에 각각 소수성과 친수성을 띄는 원자단을 모두 포함하고 있는 물질이다. 주로 친수성 부분에는 암모늄 이온과 같은 양이온, 설페이트, 설포네이트, 카복실기와 같은 음이온 그리고 하이드록실기와 같은 중성 원자단이 있다. 그리고 소수성인 꼬리 부분에는 비극성인 긴 알킬사슬이 주로 위치하고 있다. 이처럼 친수성과 소수성을 모두 가지고 있는 분자를 특별히 계면활성제라고 하는 것은 일부가 물과 공기 계면에 흡착돼서 액체의 표면장력을 감소하게 만들기 때문이다. 계면활성제는 주로 세제, 유화제, 습윤제, 기포제, 분산제 등의 용도로 사용되어 물과 물을 싫어하는 물질을 잘 섞이고, 그 상태를 유지하는 역할을 담당한다.
1.2. 마이셀 형성의 원리
계면활성제는 한 분자 내에 각각 소수성과 친수성을 띄는 원자단을 모두 포함하고 있는 물질이다. 주로 친수성 부분에는 암모늄 이온과 같은 양이온, 설페이트, 설포네이트, 카복실기와 같은 음이온 그리고 하이드록실기와 같은 중성 원자단이 있다. 그리고 소수성인 꼬리 부분에는 비극성인 긴 알킬사슬이 주로 위치하고 있다.
계면활성제가 일정한 농도 이상이 되면 계면활성제 분자들은 각각의 분자들이 자발적으로 모여 특정한 모양을 형성한다. 그 모양은 마이셀이라고 하며, 마이셀을 형성할 수 있는 '일정한 농도', 즉 계면활성제의 최저 농도를 특별히 '임계 마이셀 농도(critical micelle concentration)'라고도 한다.
정상 마이셀의 경우에는 소수성 꼬리가 안쪽, 친수성 머리가 바깥쪽을 향하고 있지만 역마이셀의 경우 소수성 꼬리가 바깥쪽, 친수성 머리가 안쪽을 향하는 모양을 만든다. 정상 마이셀의 경우 마이셀 내부에 소수성의 물질을 용해시키지만 역마이셀은 물을 가두면서 물에 유기물질을 녹인다.
마이셀 형성의 주된 원인으로는 단백질 접힘(folding) 현상에서 볼 수 있는 소수성 효과를 꼽을 수 있다. 수용액에서의 마이셀 형성 과정은 마이셀 자체의 엔탈피와 엔트로피 측면에서 만 본다면 유리하지 않다. 계면활성제가 낮은 농도로 존재하면 이런 열역학적 불리함 때문에 단위체 형태로 존재한다. 하지만 계면활성제 농도가 증가하여 임계 농도 이상이 되면, 마이셀이 형성될 때, 소수성 꼬리를 둘러싸고 있던 용매 분자(물)들이 없어지면서 생기는 엔트로피 증가분이 마이셀을 형성함에 따라 초래되는 엔트로피 감소분을 상쇄하여 마이셀이 형성된다. 엔탈피 측면에서는 계면활성제의 친수성 부분과 주위 물 분자들 간의 극성 상호작용, 수소 결합, 또는 전기적 상호작용 등이 마이셀 형성에 기여한다.
1.3. 에멀젼의 특성과 종류
에멀젼은 섞이지 않는 서로 다른 두 액체에 의해 만들어지는 혼합물로, 용매와 용질에 따라 다른 종류의 에멀젼을 형성한다. 이때 용매의 역할을 하는 액체를 분산의 매개체, 연속상이라 하고 용질의 역할을 하는 액체를 분산상이라 한다.
에멀젼은 연속상과 분산상의 경계에서 빛의 산란이 일어나기 때문에 눈에 뿌옇게 보이게 된다. 산란이 균일하게 일어나는 경우 흰색으로 보인다. 빛의 산란은 입자의 크기가 입사광의 파장의 1/4보다 클 때 일어나는데, 가시광선 영역의 빛은 390~750 nm의 파장을 갖기 때문에 에멀젼의 방울 크기가 100 nm 이상인 경우 빛이 산란된다.
에멀젼에는 o/w 에멀젼과 w/o 에멀전이 있다. o/w 에멀젼은 다른 말로 oil in water라고 하며, 정상 마이셀에 유기물질이 녹는 상태이다. 반면 w/o 에멀전, water in oil 에멀젼은 역마이셀에 물이 녹는 상태를 일컫는다. 일반적인 예로는 마요네즈가 o/w 에멀젼, 버터가 w/o 에멀젼에 해당한다.
에멀젼은 기본적으로 불안정한 상태이므로, 시간이 지남에 따라 성질이 변화하려는 특성을 보인다. 이를 에멀젼의 안정성이라 하며, 시간에 따라 성질이 변화하는 것에 저항하는 능력을 의미한다. 에멀젼의 불안정 상태에는 flocculation, creaming, coalescence, Ostwald ripening 등 4가지 종류가 있다.
에멀젼 형성에는 다양한 화학적, 물리적 메커니즘이 적용된다. 표면장력 이론에 따르면 연속상과 분산상의 계면 장력 감소로 유화가 일어나며, 반발 이론에 따르면 유화제가 필름처럼 하나의 상을 둘러싸 작은 구체를 형성하면 이들 간 반발력이 작용하여 작은 구체들이 연속상 내에 부유하게 된다. 또한 유화제는 연속상의 점도를 증가시켜 분산상의 작은 방울들이 형성되고 유지되는 것을 도와준다.
1.4. 표면장력과 혼탁도
표면장력은 액체 표면에 작용하는 비가시적인 힘이다. 이는 액체 분자들 간의 분자 인력에 기인한다. 액체 표면에 위치한 분자들은 내부에 있는 분자들에 비해 상대적으로 인력을 받는 분자가 적기 때문에, 표면장력이 발생한다. 즉, 액체 분자들은 표면장력에 의해 최소한의 표면적을 갖추려 한다.
표면장력은 계면활성제에 의해 감소할 수 있다. 계면활성제는 친수성 부분과 소수성 부분을 모두 가지고 있어, 액체 표면에 흡착되어 표면장력을 낮춘다. 계면활성제의 농도가 증가하면 표면장력이 감소하다가 일정 농도 이상이 되면 더 이상 감소하지 않게 된다. 이 농도를 임계 마이셀 농도(CMC)라고 한다.
혼탁도는 빛의 산란 정도를 나타내는 지표이다. 에멀젼에서는 연속상과 분산상의 경계면에서 빛의 산란이 일어나 혼탁하게 보이게 된다. 즉, 에멀젼은 서로 섞이지 않는 두 액체가 혼합되어 있는 상태로, 입자의 크기에 따라 빛의 산란 정도가 달라진다.
입자의 크기가 입사광의 파장의 1/4보다 크면 빛의 산란이 일어나 에멀젼은 혼탁하게 보이게 된다. 반면 입자의 크기가 매우 작아 100nm 이하이면 빛의 산란 없이 투과되어 마이크로에멀젼은 투명하게 관찰된다. 따라서 에멀젼의 혼탁도 측정을 통해 에멀젼의 특성을 파악할 수 있다.""
1.5. 계면활성제의 화학적 분류
계면활성제의 화학...
참고 자료
대한 화학회, 표준일반화학실험 제 7판, 천문각, 2011, p298-304
대한화학회, 표준일반화학실험 제 7개정판, 천문각, 2011, pp298~304
중성자 소각 산란을 이용한 미셀의 구조에 대한 연구 = (A) study on the structures of micelles in aqueous solutions by small-angle neutron scattering, 김화중, 弘益大學校 大學院, 2001, p.4
Pearson, Chemistry, The Central Science, 14th Edition (2018) Theodore E. Brown et al., p348
경상대학교 대학원 학위논문(박사), 비이온성 계면활성제를 이용한 반추위 미생물 효소 분비 촉진제의 개발 및 산업화 연구,2007, 이신자, p.7
표준 일반화학실험, 대한화학회, 2011, 298~304쪽.
오정희, “Diol 수용액에서 Cetyltrimethylammonium Bromide의 미셀형성에 관한 연구”, 세 정대학과 화학과, 1999.
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