[일반화학개론]생활속의 화학 현상 1부










단풍! 잎들의 멋진 변신속에 담겨있는 화학의 원리

가을철이되면 산을 아름답게 물들이는 단풍. 한여름 무성하던 초록 잎들은 어떤 마술로 빨간색이나 노란색으로 변하는 걸까? 단풍이라고 하면 흔히 가을철이 되어 잎이 색이 변하는 현상이라고 알고 있는데, 사실 단풍에는 다음과 같은 세 가지가 분류시켜 볼수있다.


1) 어린 잎이 일시적으로 빨갛게 되었다가 잎이 성장함에 따라 빨간색이 없어지는 경우


2) 잎의 성장 기간 내내 빨간색인 경우


3) 낙옆 직전에만 발갛게 되는 경우 → 우리가 흔히 아는 현상이 모두가 잎 속에 적색 색소인 안토시안이 형성됨으로써 일어나는 현상이다.


우선 1)의 이유는, 갓나온 어린 잎은 엽록소를 만드는 세포 내의 구조가 완성되지 않았기 때문이다. 줄기로부터 당이 계속 보내져 오고, 또한 이것은 재료로 안토시안을 만든다. 안토시안은 자외선을 잘 흡수하는 성질을 갖고 있고, 또한 안토시안을 많이 가진 조직은 표피뿐이다. 때문에 연약한 어린 잎이 빨갛게 됨으로써 자외선의 해를 피하는 것이다. 잎이 성숙함에 따라 안토시안은 분해되어 소실된다.


2)와 같은 식물로서는 예외적으로붉은 차조기잎, 베고니아 등이 있는데 우리가 흔히볼수있는 자주색 양배추가 여기에 포함된다. 이들 식물은 정상적인 녹색 종으로부터 변종인 경우가 많은데, 안토시안과 공존하는 엽록소에 의해 정상적인 광합성을 해 나간다.



3)의 경우가 일반적으로 우리가 아는 단풍이다. 보통 녹색 잎은 봄부터 여름에 걸쳐 광합성으로 당이나 전분 등의 물질을 만드는데, 가을이 되면 이 물질들은 줄기나 뿌리의 저장 기관으로 보내지게 된다. 그리고 가을이 깊어감에 따라 잎에서의 물질 합성 작용은 쇠퇴하고, 엽록소와 단백질 등이 분해되어 차츰 줄기나 뿌리 쪽으로 이동해 간다.


이윽고 앞꼭지 기저부에 분리층이 생겨 물질이 지나다니던 길이 끊어지게 되므로 언제라도 나무에서 떨어질 수 있게 된다. 그 때문에 이에 나머지 당의 축적이 일어나고, 이것이 안토시안의 생성으로 전용된다. 또한 엽록소가 붕괴하여 세포내에 아미노산이 모이고, 안토시안의 생성이 촉진되기도 한다. 이것이 단풍현상의 마술이다.


한편 잎이 노랗게 변하는 현상은 카로티노이드 색소에 의한 것이다. 이른 봄, 어린 잎이 날때부터 카로티노이드 색소가 만들어지는데, 여름에는 엽록소의 녹색으로 덮어 가려지기 때문에 그 색깔이 보이지 않는다. 이것이 가을이 깊어지면서 엽록소가 분해됨에 따라 노란색이 표면에 나타나는 것이다. 이처럼 우리가 아름답다고 여기는 단풍에도 이런 화학적인 원리가 담겨있었음을 알 수 있다.




우리를 깨끗하게 해주는 비누 너의 정체는 무엇이니?

넓은 뜻으로 포화 및 불포화 고급지방산, 수지산, 나프텐산의 금속염의 총칭이고 좁은 뜻으로는 주로 세척에 쓰이는 고급지방산으로 알칼리 금속염을 말한다. 보통 단순히 비누라하는 것은 고급지방산의 나트륨염, 칼륨염을 가리키며 기타의 금속 염은 금속비누라 부른다. 비누는 물 속에서 음이온과 양이온으로 분해되는데, 이중에서 대개 음이온이 비누작용을 하는데 반해 어떤 것은 양이온이 비누 작용을 하는 것이 있어 이것을 역성 비누라 하며 대개 소독용으로 쓰인다.



우리가 지금도 쓰고있는 비누는 생각보다 역사가 오래되었다.비누의 역사에대해서 살펴보면 구약성서에는 세척에 잿물이 사용되었다는 기록이 있다. 로마 전성시대에도 썩은 오줌(표백토)이라 불리는 일종의 점토가 세척제로서 사용되었다. 비누에 대한 최초의 기록은 1세기의 학자 프리니우스의 명저<박물지>에 나오며 비누는 갈리아인에 의해 발명되어 수지와 재로 만들어낸다고 씌어져 있다. 그러나 이것은 비누화가 극히 불충분하여 세척용이라기보다는 일종의 두발용 포마드로 사용된 것 같다. 비누를 세척제로 최초로 명시한 것은 2세기의 의사 갈레누스의 <간이약제론>으로 게르마니아와 갈리아 비누의 품위가 기록되어 있다. 


그 후 4세기에 프리시키아누그가 비누에 의한 세발에 관하여 기술하였는데 그 당시 비누의 사용은 극히 한정되었던 것 같다. 8세기에 들어와서 지중해 연한 특히 이탈리아의 베네치아 사보나 제노바 및 에스파냐의 비누 제조업이 융성하여 사보나는 비누에 대한 라틴계의 호칭이 되었다. 9세기 그 지리적 위치로 말미암아 집산지로서 크게 번영한 마르세유가 12세기경에는 비누 제조기술을 도입해 좋은 품질로 유럽의 비누업계를 석권하고 후세에 마르세유 비누라는 이름을 남겼다. 이탈리아 에스파냐, 남부 프랑스의 비누는 갈리아, 게르마니아의 비누가 수지와 재를 주원료로 하였다. 중세에서 18세기의 비누 제조기술은 본질적으로 하등의 진보가 없었으나, 1790년 르불라에 의한 식염에서의 탄산나트륨 제조법의 발명과 1811년 슈브뤼울에 의한 유지의 화학적 조성의 연구에 의하여 오늘날과 같은 비누 제조의 실제적 기초가 확립되었다.


원료 유지가 차츰 다양화하여 올리브유뿐만 아니라 야자유, 우지 기타 각종 동식물 유지가 이용되었으며, 90년대에는 글리세롤의 회수가 일반화되었다. 20세기에 들어와서는 유지 경화법의 공업화와 각 제조공정의 기계화가 진척되고. 또 유지의 연속 고압분해 연소 비누화, 염석, 지방산의 연속 중화, 소지 비누의 연속 건조 등의 자동화 기술도 확립되어 오늘날의 비누 제조는 극히 합리화된 공업으로 발전하고 있다.


그렇다면 비누는 어떤 성분들로 이루어져있을까?? 이제 비누의 구성을 알아보자. 비누의 분자는 탄화수소의 긴 고리로 이루어진 소수성 부분과 카르복실기가 알칼리금속과 결합한 친수성 부분으로 이루어져있으며, 고전적인 음이온성 계면 활성제이다. 그러므로 그 수용액은 물의 표면장력, 계면장력을 저하시키고 기포력, 에멀션화력, 가용화력을 가지며 강력한 세척 작용을 한다. 보통의 비누는 물이 없는 상태에서 에탄올 이외의 유기 용매에는 일반적으로 잘 녹지 않는다. 물에 대한 용해도는 어느 정도의 온도에 이르기까지는 온도의 상승과 함께 서서히 증가하고, 일정한 온도에 이르면 용해도가 급격히 증가한다. 이 현상은 비누의 분자가 모여 구상 또는 층상의 마이셀을 생성하기 때문에 생긴다고 생각되고 있다. 마이셀을 형성하기 시작하는 농도를 임계 마이셀 농도라고 하는데 이것은 비누 분자의 종류, 온도, 공존 물질 등에 따라 달라진다. 최고의 세척 능력을 발휘하는 농도는 0.1-1%의 범위이다. 


비누의 수용액은 비누의 가수분해에 의해 알칼리성을 나타내고, 이것에 알칼리염을 첨가하면 비누가 상층으로 분리된다. 이 현상을 염석이라고 하는데 비누의 제조공정에서 이용되고 있다. 비누의 원료가 되는 유지는 우지, 야자유 팜유, 쌀겨기름, 팜핵유가 주로 쓰이고 그 밖에 대두유, 면실유, 피마자유, 낙화생유, 어유 등이 사용된다. 비누의 성상은 원료가 되는 유지를 구성하고 있는 지방산의 종류에 따라 변화한다. 탄소의 수가 12개 미만인 포화지방산의 비누는 매우 단단하고 용해도 안정성이 좋지만, 세척력, 기포력이 약하다. 탄소의 수가 12개 이상이면 용해도는 감소하지만 기포력. 세척력이 강해진다. 또 2중 결합을 1개 포함한 불포화 지방산을 이용하면 용해성, 기포력, 세척력이 큰 비누를 만들 수 있지만 조금 연질이 된다. 


실제로 사용하는 비누의 원료는 홀 원소 물질의 지방산이 아니라, 여러 지방산의 혼합물이기 때문에 원료의 혼합을 가감하여, 굳기, 용해성, 기포력, 세척력, 염석력, 보존성 등을 고려하여 제조한다. 비누의 세제로서의 특성 장점은 물에 녹으면 알칼리성을 나타내고, 목면, 마등의 세탁에 적당하다는 점, 피부 세척용으로는 너무 많이 지방을 없애지 않아 사용감이 좋다는 점들을 들 수 있다. 한편 칼슘, 마그네슘 등의 금속 이온을 함유한 이른바 센물에서는 이들 이온과 염을 만들어 물에 녹지 않아 세척력이 떨어진다는 점 저온에서 용해도가 낮아 세척력이 약한 점의 결점이 있다. 그렇지만 비누에 의한 폐수는 미생물에 의한 분해성이 좋고 발포성도 적기 때문에 환경오염에 관해서는 비교적 문제가 적은 세제라 할 수 있다. 비누는 화학적인 여러 결합과 성분들의 집합체라고 할수있다. 우리의 얼굴을 깨끗하게 해주는 비누에 숨어있었던 화학원리들을 알아보았다.






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