[일반화학실험]비누화 반응 (비누 만들기, 합성세제 만들기) 1부

실험 목적

동물성과 식물성 기름을 이용해서 비누를 만들어보고, 비누의 대체 물질로 활용되고 있는 합성 세제도 함께 합성한다.

 

실험 이론 및 원리

1. 실험 배경

액체 상태에서 극성 분자는 극성 분자들과 잘 섞이고, 무극성 분자는 무극성 분자들과 잘 섞인다. 그렇기 때문에 극성 분자인 물에는 무극성 의 성질인 유기 분자들이 잘 녹지 않는다. 유기 물질인 기름이 물에 잘 녹지 않는 것이 바로 그런 예이다.

여러 개의 탄소 원자들이 사슬 모양으로 연결된 탄화수소도 무극성의 특성을 가지고 있어서 물에 잘 녹지 않기 때문에 소수성(hydrophobic)분자라고 한다. 그러나 소수성의 탄화수소 끝에 결합된 카르복실기(-COO-)는 물 분자와 잘 섞이는 친수성(hydrophilic)을 나타낸다. 이처럼 소수성과 친수성의 특성을 가진 원자단을 모두 가지고 있는 분자를 이용하면 무극성으로 물에 잘 녹지 않는 기름과 같은 유기 물질을 물에 녹일 수 있다. 

소수성의 탄화수소 사슬이 무극성의 유기 분자 쪽을 향하면서 유기 분자를 둘러싸게 되면 분자의 친수성 부분이 극성의 물 쪽에 노출되어서 전체적으로는 커다란 극성 분자처럼 보이는 에멀젼(emulsion)이 되기 때문이다. 이런 특성을 가진 물질을 계면 활성제(surfactant) 또는 유화제(emulsifier)라고 부르며, 비누와 합성 세제가 대표적인 계면 활성제이다.

비누는 동물성 지방이나 식물성 기름을 수산화나트륨과 반응하여 생긴 지방산의 알칼리염이다. 지방이나 기름은 글리세롤(glycerol)과 지방산(fatty acid)의 반응에서 생기는 트라이글리세라이드(triglyceride) 종류의 에스터이다.

지방이나 기름을 형성하는 지방산으로는 스테아르산이나 팔미트 산 같이 10개 이상의 탄소가 단일 결합으로 연결된 포화지방산과 올레산이나 리놀산과 같이 이중결합을 가진 불포화 지방산등이 있다. 일반적으로 포화 지방산의 알킬기는 직선형의 긴 사슬 모양이기 때문에 서로 잘 겹쳐지지만, 불포화 지방산의 알킬기는 구부러진 모양이다. 따라서 일반적으로 포화 지방산에서 만들어진 트라이글리세라이드는 액체의 “기름”인 경우가 많다. 

지방이나 기름을 센 염기와 반응시키면 카르복실기가 떨어져 나오면서 지방산의 염과 함께 글리세롤이 생성된다. 이때 만들어진 지방산의 염이 비누이다. 비누 분자에서 긴 사슬 모양의 알킬기가 소수성을 나타내고, 카르복실기가 친수성을 나타내기 때문에 계면 활성제로 작용하게 된다.

비누 만들 때는 수산화나트륨이나 지방이 남아있지 않도록 하는 것이 좋다. 지방 1g을 비누화시키는데 필요한 수산화나트륨의 양을 비누화 값(saponification value)이라고 한다. 지방에 들어있는 알킬기가 길수록 비누화 값이 작아진다. 용액 중에서 만들어진 비누를 분리하기 위해서는 염화나트륨과 같은 용액에 넣어준다. 전해질은 물속에서 모두 해리하기 때문에 전해질의 이온보다 극성이 작은 비누 분자들은 서로 엉키게 된다. 이런 현상을 염석 효과(salting-out effect)라고 한다.

본 실험에서 사용할 식용유지(edible oil an fat)는 크게 유(油)(oil)와 지(脂)(fat)로 나눌 수 있다. 유(oil)는 상온에서 액체(융점이 낮다)이고, 불포화 지방산(올레인산, 리놀레산, 리놀렌산)이다. 식물성 기름, 콩기름, 들기름, 참기름등이 여기에 속한다. 지(fat)는 상온에서 고체(융점이 높다)이고, 포화 지방산(스테아린 산, 팔미트산)이며 동물성 기름, 버터, 쇼트닝, 라아드 등이 여기에 속한다. 유지의 특징을 간단히 보면 다음과 같다.

 

1) 용해성 - 물에는 녹지않고, 알코올엔 약간 녹고, 유기용매(벤젠, 에테르, 사염화탄소, 아세톤 등)에는 녹는다

2) 비중 - 0.92~0.94* (물보다 가벼워 물에 뜬다)

3) 비열 - 0.47㎈/g․deg정도

4) 발연점 - 가열시 연기가 나는 점으로 유지의 분해로 인해 독성물질인 acrolein(vinyl기를 가진 aldehyde) 이 생김

5) 가수분해 - 트리그리세라이드는 물, 산, 알칼리, 지방분해효소에 의해 유리지방산과 글리세롤로 분해된다

지방(의 지방산) + 알카리수(가성소다, NaOH)→ 가성소다 염(비누 형성)

6) 녹는점

① 포화지방산 (이중결합이 없다): 융점이 높다. 상온에서 고체

② 불포화지방산 (이중 결합이 한 개 이상) : 융점이 낮다. 상온에서 액체(지방산의 탄소 수가 증가함에 따라 융점이 높아진다)

 

2. 비누(soap)

일반적으로 고급지방산과 금속과의 화합물을 말하나, 보통 고급지방산의 나트륨염을 뜻한다. 비누의 성질은 고급지방산의 종류에 따라 다르므로, 비누를 만들 때에는 원료의 유지로 어떠한 것을 선택하는가가 중요하다. 비누의 제조는 비누화라는 화학반응을 이용한 것으로 대체로 다음과 같은 과정을 거친다. 동식물성의 유지에 열을 가하며, 여기에 조금씩 진한 양잿물 또는 가성칼리용액을 붓는다. 유지는 가수분해되어, 고급지방산과 글리세린 및 물이 된다. 여기에 소금을 넣으면, 고급지방산의 알칼리염 즉 비누가 염석 효과로 인해 침전되어 굳어진다.

 

3. 비누화 값(soapnification value)

비누화 값이란 지방 1g을 비누화 시키는데 필요한 수산화소듐(NaOH)의 mg수를 뜻한다. 에스터값, 산화값 등과 함께 쓰인다. 비누화값은 원래 에스터값과 같지만, 유리지방산이 들어 있는 경우에는 비누화값＝에스터값＋산화값이 된다. 보통의 동·식물유의 비누화값은 190 정도이지만, 야자유·팜유 등과 같이 분자량이 작은 글리세리드가 들어 있는 유지의 경우에는 240~250로 그 비누화값이 크다. 따라서 비누화값은 유지나 밀랍류에 들어 있는 지방산의 성질 또는 비누화되지 않는 물질의 양을 추정하는 데 도움이 된다.

 

4. 비누화 반응(Saponification)

1) 지방의 형성 : 글리세롤 + 지방산 → 지방(기름) + 물

2) 비누의 형성 : 지방(기름) + 3NaOH → 지방산 나트륨 + 글리세롤

 

5. 염석 효과(salting out)

수용액에 무기염류 등을 가할 때, 용질을 석출되는 현상을 염석 효과라고 한다. 예를 들어, 비눗물에 다량의 식염을 가하면 비누가 석출되고, 단백질수용액에 황산암모늄을 가하면 단백질이 침전하게 된다. 또, 식염 수용액에 염화수소가스를 통과시키면 염화나트륨이 석출하고 알코올수용액에 탄산칼륨을 가하면 알코올이 분리되는 현상도 넓은 뜻에서 염석 효과라고 한다. 염석 효과는 비누 제조 과정에서 비누가 응고되는 기본적 원리이다.

6. 합성 세제

나트륨염이 Mg2+, Ca2+와 만나 불용성염을 생성하는 비누의 문제점을 술폰(sulfone)염을 통해 해결한 세제이다. 소수성 부분인 알킬벤젠과 친수성 부분인 술폰염으로 구성되어 있으나 술폰염의 경우 센물에서도 불용성 염을 만들지 않으며 보기 흉한 찌꺼기도 만들지 않는다. 그러나 세제의 능력을 증가시키기 위한 보조제가(인산염:Na5P3O10) 호수의 부영양화의 원인이 되어 수질오염을 야기시킨다.

실험 기구 및 시약

1. 실험 A 비누 만들기

1) 실험 기구 : 스탠드 & 클램프, 온도계, Hot Plate, Water Bath, 나무 젓가락, 종이컵, 100 ㎖ 비커, 10 ㎖ 눈금 실린더 2개, Pasteur pipet & 벌브 각 2개씩

2) 실험 시약 : 식용유, 포화 NaOH용액, 에탄올, 포화 NaCl용액

 

2. 실험 B 합성 세제 만들기

1) 실험 기구 : 100㎖ 비커2개, 10 ㎖ 눈금 실린더 1개, spatula

2) 실험 시약 : 1-dodecanol, 진한 황산, 6 M NaOH, 페놀프탈레인 용액

 

3. 실험 재료

1) 식용유(edible oil) : 식용으로 사용할 수 있는 유지 중에서도 일반적으로 상온(15℃ 내외)에서 액체 상태인 것을 식용유라고 한다. 따라서 상온에서 대부분 고체 상태인 동물성 지방보다는 상온에서 액체 상태인 식물성 지방을 그 원료로 하는 경우가 많다. 그 종류에는 콩기름, 참기름, 옥수수기름, 올리브기름 등이 있다.

2) 수산화소듐(sodium hydroxide) : 화학식 NaOH로, 순수한 것은 무색의 투명한 결정이지만, 보통은 약간 불투명한 흰색 고체다. 녹는점 328℃, 끓는점 1,390℃, 비중 2.13이다. 강염기의 대표적 물질로, 수용액은 강한 염기성을 나타낸다. 수산화소듐의 대표적인 특성은 조해성이다. 조해성은 공기 중의 수증기를 흡수하여 스스로 녹는 성질을 뜻한다. 또한 이산화탄소를 잘 흡수하여 탄산소다가 된다. 산과 중화반응을 일으키면 나트륨염을 생성한다. 수산화소듐 용액은 섬유질, 단백질, 지방 등의 유기화합물을 분해할 수 있다. 실험실에서는 중요한 시약이 되며, 화학 공업의 기초 원료로서 용도가 매우 넓다.

3) 염화소듐(sodium chloride) : 화학식 NaCl로, 일반적으로 식용 가능한 염화소듐을 소금이라고 한다. 무색 결정으로, 녹는점 800.4℃, 끓는점1,400℃, 비중 2.16이다. 녹는점 이상에서는 휘발성이 높고, 기체가 되면 분자상태로 존재한다. 보통 마그네슘 등의 염류를 함유하며 조해성이 있다. 100g의 물에 0℃에서 35.7g, 100℃에서 39.8g 녹는다. 염화소듐은 소금으로서 음식 재료에 사용되고, 각종 나트륨염의 제조과정에 이용된다. 또한 도자기의 유약 및 비누의 염석 효과에 사용되는 등 그 이용 범위가 매우 넓다.

 

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