1. 제조 화학 공업의 발달 과정

(노)연인의 카페 데이트 1분 57초

(1) 유지 화학 제품 제조

유지를 직접 가공하여 식용유 라드 버터 마가린 등과 같은 식품으로 사용하며, 유지 화학 공업에 의하여 제조되는 화합물인 지방산, 지방산 메틸에스터, 글리세린, 지방족 고급 알코올, 지방족 고급아민은 식품, 화장품, 계면활성제, 도료, 의약품, 윤활유 등의 매우 다양한 분야에 이용되고있다.
유지는 화학공업에 있어서 매우 중요한 원료 중의 하나

표 유지 화학 제품의 용도

마가린(margarine) : 면실유나 대두유를 부분 수소 첨가한 경화유에 유화제, 발효유, 항료 등을 첨가하여 제조
쇼트닝(shortening) : 돼지기름이나 식물 유지를 부분 경화시켜 제조 쇼트닝 중에서 특히 돼지기름을 원료로 한 것이 라드(Iard)

① 계면 활성제의 정의

계면활성제의 기원은 비누가 시용된 것으로 알려진 선사 시대부터로 볼수 있다.
천연 계면활성제와 달리 합성 계면활성제는 19세기에 들어와서합성되어 사용되었다.
처음에는 천연 유지를 원료로 하였으나 석유 화학공업의 발달로 다양한 계면활성제를 대량으로 생산하여, 현재는 일상생활에 또는 여러 가지 공업에 널리 사용되는 중요한 화학제품
계면활성제란 하나의 분자 내 에 물에 녹기 쉬운 친수성 부분과 기름에 녹기 쉬운 친유성(소수성) 부분을 가지고 있는 화합물로 두 개의 상(기체-액체, 액체-액체, 액체 고체 등)이 서로 맞닿는 경계면의 계면 장력을 현저하게 감소시키는 물질
이런 특성을 이용하여 세제, 화장품, 섬유, 의약 도료, 식품 등을 제조

친수성기 : 물과의 친화성이 강한 극성이 있는 원자단
친유성(소수성) : 물과의 친화성이 적고 기름과의 친화성이 큰 무극성 원자단

② 계면 활성제의 구조

하나의 분자 내 에 탄화수소로 구성된 친유성기(소수성기) 와 친수성기를 갖고 있다.
분자들은 서로 섞이지 않는 2개의 상(phase) 계변에 흡착하여 소량으로 계면의 성질을 현저하게 변화시키는 다리 역할을 한다.

그림 (a) 계면 활성제의 구조 (b) 계면 활성제의 분자 모형

친수성기는 물과 잘 화합하는 데 비하여 친유성기는 물과 잘 화합하지 못하며, 계면 활성제 분자의 일부는 물을 피해서 용액의 표면이나 용기와의 계면에 몰리게 되므로 친수성기는 수용액 내부로 향하고 친유성기는 액체 밖으로 향하는 배열을 기지게된다.
계면 장력(표면 장력)

계면 장력 : 물질이 가지는 3가지 상태(고체 액체 기체) 중에서 서로 다른 2가지 상의 경계면을 계면이라 하고 계면의 면적을 감소시키는 힘을
계면 장력은 표면 장력과 거의 같은 의미이지만, 이는 일반적인 경우를 가리킨다.
특히 기체와 경계하는 한쪽 상이 액상인 경우 액체의 표면에는 아래의 그림과 같이 분자 간의 인력으로 인하여 수축하려는 성질이 있는데 , 이것을 표면장력

그림 액체의 표면 장력

계면 활성제 분자가 표면 혹은 계면에 몰려서 계면 활성제의 농도기 내부보다는 표면이나 계면에서 높아지는 현상을 계면 흡착이라 하며, 계면에 흡착하여 계면의 에너지를 저하시키는 작용을 계면 활성
미셀(micelle)

친수성기와 친유성기(소수성기)를 가지고 있는 여러 개의 계면활성제 분자가 물속에서 소수성기는 안쪽으로 친수성기는 바깥쪽으로 향하는 작은 입자를 형성하게 되는데 이런 분자 집합체
예를 들어,옷에 묻은 기름때는 물에 용해되지 않기 때문에 물로 제거되지 않는다. 그러나 계면활성제의 가장 대표적인 형태인 비누를 사용하면 기름에 용해되는 소수성 부분이 안쪽으로 향하여 기름을 둘러싸고 물에 용해되는 친수성 부분이 바깥쪽으로 향하는 작은 콜로이드 입자인 미셀을 만들어 기름때를 제거한다. 이때 형성되는 미셀은 표변에 음전히를 띠기 때문에 서로 반발하여 뭉치지 않는다.

그림 계면활성제의 미셀 형성

임계 미셀 농도(critical micelle concentration :CMC) : 미셀이 형성되기 위해 일정한 수준 이상의 농도를유지해야하는데, 미셀이 형성 기능한 농도
계면활성제의 농도와 표면 장력의 관계에서 농도가 높아지면 표면 장력은 낮아지지만 임계 미셀 농도 이상의 농도를 사용하여도 표면 장력이 더 이상 저하되지는 않는다.

그림 계면 활성제의 농도와 표면 장력의 관계

① 흡착(Adsorption)

계면활성제는 수용액 속에서 친유성 부분이 물과 접촉을 피하는 경향이있다.
물 표면에서는 친유성 부분이 공기 속으로 피하려는 성질 때문에 친유성 부분이 밖으로 향하는 배향 흡착을 하게 되고, 물속에 기름 등의 유기 오염물질들이 있다면 친유성 부분은 오염물 쪽으로 흡착하여 미셀을 형성하는 것이다.
이런 친유성 부분에 의한 흡착은 계면활성제의 큰 특징이다.

② 습윤(Wetting)

고체 표변에 액체가 부착되는 것을 습윤(젖은 상태)이라고 한다.
습윤의 정도는 표면 장력의 크기에 영향을 받는다.
계면활성제는 표면 장력을 저하시켜 습윤이 잘 일어나도록 한다. 이는 보습, 침투 작용으로 화장품이나 농약, 염료, 세제 등에 널리 쓰인다.

표 습윤의 형태

③ 유화(Emulsification)

두 액체를 혼합할 때 한 액체가 미세한 입자 형태로 다른 액체에 분산된상태를 유화(에멀션화)라 하고 이런 혼합물을 에멀션 (emulsion)이라고한다.
즉， 물과 기름은 서로 섞이지 않는 액체이지만 계면활성제를 첨가하면 탁해지면서 섞이게 된다. 이렇게 탁해진 액체를 에멀션이라 하고, 이런 작용을 유화라고 한다.
좋은 예로 우유와 버터를 들 수 있으며 화장품의 제조에 많이 이용된다.

④ 분산(Suspension)

분산은 하나의 물질 속에 다른 물질이 미립자 상태로 떠다니는 것을 의미
물속에 유기 물질의 때가 섞여 있을 경우 계면 활성제를 첨가시키면 미셀이 형성되어 물속에 분산된다.

⑤ 기포 생성

계면 활성제가 용해된 액체는 안정된 거품을 만든다.
기체와 액체의 혼함물인 경우 친유성기는 기체 쪽으로, 친수성기는 액체 쪽으로 배열하여 거품을 만들어 내는 것이다.
세제, 아이스크림, 소화제, 면도 크림 등에 주로 이용

⑥ 기타

표면에 막을 만들어 물의 흡수와 미끄러짐을 쉽게 하여 정전기의 발생을 억제하는 효과가 있다.
유연 작용과 표면의 매끄러움을 좋게 하여 계먼의 마찰력을 줄여 준다 .
세균에 흡착하고 씻어내는 살균 작용을 한다.

계면활성제는 일반적으로 계면활성제가 물에 녹아 이온으로 해리되는 이온성 계면활성제와 이온으로 해리되지 않는 비이온성 계면활성제로 분류

그림 계면 활성제의 분류

고분자 계면 활성제

한 개의 분자가 한개의 미셀을 형성하는 것으로 알려져있다
고분자로서 특이한 계면활성제의 성질을 나타내는 낸다.

표 계면 활성제의 종류와 특징

① 이온성 계면 활성제

이온성 계면활성제 : 계면활성제 수용액에서 친수성 부분이 음이온이나 양이온으로 해리되는 계면활성제를

그림 이온성 계면 활성제의 구조

음이온성 계면 활성제

수용액 중에서 이온화하여 음이온으로 해리되는 계면활성제
주로 세제의 활성 성분으로 가장 많이 생산 사용되는 계면활성제
비누는 오랫동안 시용되어 온 대표적인 계면활성제로 카복실산염 계면 활성제
소기름, 팜유, 야자유, 대두유, 경화유 등의 천연 유지를 수산화나트륨(NaOH) 에 의한 비누화 반응으로 생성
센물에서 금속 이온과 반응하여 계면활성제의 기능이 떨어지는 단점

센물 : 칼슘 이온이나 마그네슘 이온을 많이 포함한 물

그림 비누화 반응

슬폰산염(황산염) 계면활성제는 R-S0₃Na의 화합물로 비누의 단점을 개선하여 합성세제의 주성분으로 사용
알킬기에 가지가 많은 알킬벤젠술폰산염 (ABS)은 가격이 싸고 세척력이 좋다. 그러나 미생물에 의해 분해가 어려워 환경에 나쁜 영향을 끼치므로 분해가 쉬운 선형 알킬벤젠술폰산염 (LAS) 이 사용된다.

황산에스터염 계면활성제는 친수성 구조로 -OS0₃Na를 가진 화합물. 알킬황산에스터염 (AS)은 고급 알코올을 황산으로 처리한 후에 수산화나트륨(NaOH)으로 중화한 것으로 삼푸 및 일반 세제에 주로 시용
알킬에테르황산에스터염 (AES)은 긴 사슬형 알코올에 에틸렌옥사이드를 중합시키고 황산화한 후 중화시킨 것으로 세정력과 기포성이 우수하여 액상 세제와 삼푸의 성분으로 널리 이용

그림 알길에테르황산에스터염(AES)의 합성

양이온성 계면 활성제

수용액 중에서 이온화하여 양이온으로 해리되는 계면활성제로 형식적 측면에서 음이온성 계면 활성제와 반대 구조를 갖고 있어 양성 비누, 역성 비누라고도 한다.

일반적으로 암모늄염이 많이 사용되며 아민염은 얄칼리에 불안정하여 별로 사용하지 않는다.
섬유의 방수 · 유연제, 린스, 유화제, 방수제, 살균 소독제 등으로 많이 사용된다.

양쪽성 계면 활성제

하나의 분자에 양이온과 음이온 두 가지 친수성 구조를 모두 가지고 있는 계면활성제
산성 용액 중에서는 양이온성 계면활성제로 염기성 용액 중에서는 음이온성 계면활성제로 작용한다.
넓은 pH 영역에서 사용이기능하며 독성이 적고 항균성을 가지고 있어 살균 소독제, 섬유 유연제, 대전 방지제, 연료유의 첨가제 등으로 많이 사용된다.

② 비이온성 계면 활성제

수용액에서 이온으로 해리되지 않으며 이온성 친수성기 대신 물에 친화성이 큰 수산기 (hydroxyl group)나 에테르기를 가지는 계면 활성제
폴리에틸렌글리콜형과 다가알코올형이 있으며 폴리에틸렌글리콜형은 고급알코올에 에틸렌옥사이드를 부가 중합시켜 얻는다.

비이온성이기 때문에 음이온, 양이온 계면활성제와 함께 사용할 수 있으며 효과도 뛰어나다.
내염성, 내염기성, 내산성이 강하여 센물, 염기성 수용액, 산성 수용액 중에서도 시용할 수 있다.
일반적으로 유화제, 분산제, 가정용 세제, 삼푸 등에 사용되며, 특히 양털에 뛰어난 흡착력을 가지고 있어 양모의 유연제로 많이 쓰인다.

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