[실험노트] 일반화학2 실험 1. 임계 마이셀 농도 측정

1. 실험 제목 : 임계 마이셀 농도 측정

 

2. 실험 날짜 :

 

3. 실험 목적

: 물과 톨루엔을 전형적인 양이온성 계면활성제인 브로민화 세틸트아이메틸암모늄과 2-프로판올을 사용하여 균일하게 혼합시켜보고, 물, 톨루엔-2-프로판올의 '계면활성제 없는' 에멀션 형성을 확인하여 계면활성제의 효과에 대해 관찰한다.

 

4. 실험 이론

: 임계마이셀 농도란 마이셀이 처음 등장하는 계면활성제의 최소 농도를 말한다. 녹아있는 매체의 표면 장력 또는 다른 매체와의 계면 장력을 현저하게 감소시키는 물질의 성질을 계면활성이라 하고 계면에 작용하도록 그 성질을 변화시키는 작용을 가진 화합물을 계면활성제라고 한다. 계면활성제의 분자구조는 친수성기와 소수성기 또는 극성기와 비극성기라고 부르는, 성질이 다른 두 개의 상반되는 부분이 있다.

 

 

계면활성제 분자구조

 

계면활성제는 수용액 중에서 극히 농도가 낮을 떄 이온 분산을 하고 있으나, 농도가 증가하여 분산의 포화 값에 달하면 그 이상 농도를 증가시킬 때 계면활성제들이 자발적으로 화합하여 대략적인 구의 모양을 갖는 마이셀(micelle)을 형성한다. 일반적인 마이셀은 계면활성제를 물에 첨가했을 때 형성되어 소수성 꼬리 부분이 마이셀의 내부로 모이고, 친수성의 머리 부분이 마이셀의 표면에 있게 된다. 이를 정상 마이셀 (normal micelle)이라고 한다, 반대로 계면활성제를 유기 용매에 넣으면 친수성 부분이 마이셀의 내부로 모이고 소수성 부분이 마이셀의 밖을 향한 역마이셀(inverse micelle)을 형성한다.

 

마이셀 micelle 구조 마에셀과 역마이셀

 

임계마이셀 농도에서는 물성이 급변하기 때문에 계면활성제의 농도 변화에 따른 표면장력이나 전도성 측정을 통해 CMC (임계 마이셀 농도, critical micelle concentration)를 결정할 수 있다.

 

표면장력 측정 변화로부터 CMC 결정, 전도도 변화로부터 CMC 결정

 

물에 형성된 정상 마이셀의 내부는 소수성이기 때문에 그 속으로 물에 녹지 않는 유기물질이 용해될 수 있다. 물에 잘 녹지 않는 유기물질 (ex. 기름)이 물에 분산된 용액을 에멀젼 (emulsion)이라 한다. 에멀젼은 클로이드성 입자이다. 넣어준 양에 따라 크기가 변하는데 크기가 작으면 빛을 거의 산란시키지 않아 용액이 투명해 보이고 크기가 충분히 커지면 빛을 강하게 산란시켜 혼탁하게 보인다.

계면활성제를 사용하지 않고도 물과 유기용매를 에멀젼 상태로 만들 수 있다. 물과 유기용매에 혼합되는 2-프로판올과 같은 용매를 사용한다.

 

2-프로판올: 아이소프로필 알코올이라고도 한다. C3H8O. 독특한 냄새가 나는 무색의 휘발성 액체로 인화성이 있다. 물, 에테르, 아세톤이나 탄화수소계 용매에 잘 녹는다.

브로민화 세틸트라이메틸암모늄 (C19H42BrN(CTAB,CH3(CH2)15N(CH3)3+Br-): 양이온성 계면활성제

 

톨루엔: 시너 냄새가 나는 불용성 액체. 방향족 탄화수소로 용매로 쓴다. C7H8(C6H5CH3)

 

계면활성제 분자는 일반적으로 용액 중에서 이온으로 해리하는가, 하지 않는가에 따라 분류한다. 즉, 양이온성과 비이온성으로 나눌 수 있다. 이온성 계면활성제는 다시 음이온성, 양이온성, 양쪽성으로 구별된다. 또 해리한 계면활성제 이온의 상대가 되는 이온을 상대이온이라 하고, 상대 이온에는 Na+, K+, Cl-, Br- 등이 있다.

음이온성 계면활성제에는 카복실산염, 설폰산염, 황산에스터염, 인산에스터염, 양이온성에는 제 1,2,3,4급 아민염, 양쪽성에는 알칼 베타인, 설포베타인 등이 있다. 양이온계 계면활성제는 수중에서 음으로 하전된 섬유에 잘 흡착되므로 섬유유연제, 정전기 방지제, 발수제 등으로 이용한다. 음전하를 가진 세균을 흡착, 제거하므로 살균 소독의 목적으로 사용하기도 한다. 비이온성은 자극성이 없어서 유아용 비누나 샴푸, 식품이나 의약품의 계면활성제로 널리 사용된다.

 

5. 기구 및 시약

: 눈금실린더 (10ml), 피펫 1개 (1ml 용액용. 0.05 or 0.1ml 이하의 눈금이 있는 것), 피펫 2개(5ml), 증류수, 톨루엔, 2-프로판올, 5wt% CTAB 수용액 (10g의 브로민과 세틸트라이메틸암모늄을 증류수에 녹여 200ml로 만들어 사용)

 

6. 실험 방법

: A. 계면활성제가 없는 물-톨루엔 혼합물의 에멀젼 용액

1) 10ml 실린더에 물 3ml와 톨루엔 1ml을 넣는다. 물과 유기(톨루엔) 층이 확실하게 구분되면 각 층의 부피와 혼탁 정도를 기록한다.

2) 실린더에 2-프로판올을 1ml 첨가하고 잘 흔들어준다. 2분 정도 기다린 후 물과 유기층이 구분되면 각 층의 부피와 용액의 혼탁도를 기록한다.

3) 2-프로판올을 0.5ml 더 첨가하고 다시 잘 혼합해준다. 2분정도 기다린 후 물과 유기층이 구분되면 각 층의 부피와 용액의 혼탁도를 기록한다.

4) 3)의 과정을 전체 액체가 완전히 혼합되어 구분이 되지 않을 때까지 반복한다. 단, 첨가하는 2-프로판올의 전체 부피가 6ml을 넘으면 실험을 중단한다.

 

B. 계면활성제가 있는 물-톨루엔 혼합물의 에멀션 용액

1) 10ml 실린더에 5wt% CTAB 수용액 3ml와 톨루엔 1ml를 넣고 잘 흔들어준다. 물과 유기층이 확실하게 구분되면 각 층의 부피와 혼탁 정도를 기록한다.

2) 실린더에 2-프로판올을 0.1ml 첨가하고 잘 흔들어준다. 2분 정도 기다린 후 물과 유기층이 구분되면 각 층의 부피와 용액의 혼탁도를 기록한다.

3) 2-프로판올을 0.1ml 더 첨가하고 다시 잘 혼합한 후 관찰사항을 기록한다.

4) 실험 결과표에 지시한 대로 2-프로판올을 첨가하면서 관찰사항을 기록한다.

 

7. 참고 문헌

일반화학실험, 자유아카데미

임계 마이셀 농도의 온도 함수와 지수법칙

네이버 국어사전 <화학>

www.chemspider.co'm  

톨루엔, 위키피디아

www.dataphysics.d'e

 

8. 실험 결과

 

실험 결과 물과 톨루엔, 2-프로판올을 막 흔들면 층 사이에 에멀션이 형성되어있다가 점점 없어지면서 두 층으로 분리된 것을 관찰할 수 있었다.

실험 A보다 실험 B에서 층이 빨리 없어졌는데 양이온성 계면활성제인 CTAB의 효과로 볼 수 있다. 또 물층 (CTAB층), 2-프로판올을 혼합한 용액이 뿌옇게 변했는데 이는 형성된 마이셀에 에멀젼의 크기기 충분히 커서 뿌옇게 보이는 것이다. 실험이 끝난 용액은 용액 전체가 맑아졌는데 이것은 첨가된 2-프로판올의 양이 증가함에 따라 에멀젼의 크기가 작아진 것으로 볼 수 있다.

 

 

 

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