[물리 화학 실험] 계면활성제의 임계미셀농도 측정(탁도법) 예비 보고서

계면활성제의 임계미셀농도 측정(탁도법)

전국진, 황정현, 유상일, 박기훈

금오공과대학교 고분자전공 물리화학실험 야간 2조

 

 

실험목적

 계면활성제의 임계미셀농도 측정(탁도법)

 CMC와 사슬 길이와의 관계

 

이론적 배경

1. 계면활성제 [ 界面活性劑, surfactant ]

 표면활성제라고도 한다. 비누는 그 대표적인 것으로, 비눗물의 표면장력은 물에 비하여 훨씬 작다. 이것은 비누가 물의 표면에 모여 표면을 되도록 넓게 하려고 하기 때문인 것으로 알려져 있다. 비누가 물의 표면에 잘 모이는 성질은, 비누의 분자(예를 들면, 스테아르산나트륨) 속에 긴 사슬 모양의 알킬기(基)와 같은 친유성(親油性)의 기와 카르복시기와 같은 친수성의 기가 들어 있어, 친유성의 기는 물의 반발을 받아 표면으로 가기 때문에 생긴다.

 보통 1분자 속에 친유기와 친수기가 함께 들어 있는 양쪽 친매성(親媒性)인 물질은 계면활성제가 될 수 있다. 계면활성제 중 수용액에서 이온화하여 활성제의 주체가 음이온이 되는 것을 음이온 계면활성제라고 하는데, 비누․알킬벤젠술폰산염 등이 이에 속한다. 또, 이온화하여 양이온이 되는 것을 양이온 계면활성제라 하는데, 고급아민할로겐화물․제사암모늄염․알킬피리디늄염 등이 이에 속한다. 또한 양쪽이 다 되는 것을 양쪽성 계면활성제라고 하는데, 여기에는 아미노산 등이 속한다.

 한편, 전리하지 않는 것을 비(非)이온 계면활성제라 하여 구별하기도 하는데, 여기에는 폴리에틸렌글리콜류 등이 속한다. 계면활성제는 일반적으로 세척력․에멀션화력․분산력․삼투력․기포력(起泡力) 등을 지니고 있어, 각기 그 특성에 따라 세척제․섬유처리제․에멀션화제․부유선광제(浮遊選鑛劑)․시멘트용 기포제․윤활유 첨가제․살균제․도료분산제(塗料分散劑) 등으로 널리 이용되고 있다.

 

 

2. 미 셀(Micelle)

계면활성제 등 양친매성 물질을 물에 녹이면 어느 농도 이상에서 친수기를 밖으로 친유기를 안으로 향해 회합한다. 이것을 미셀이라고 한다. 이 존재는 멕베인(J.W.McBain)이 지적하였다(1913). 미셀의 형성은 어느 농도에서 돌연 나타나고, 이 임계 미셀농도를 경계로 하여 수용액의 성질은 뚜렷하게 변화한다. 미셀      

내부는 친유성이므로 기름이 녹아 들어갈 수 있다. 보통의 계면활성제가 비교적 저농도인 조건에서 만드는 미셀은 구상(球狀)미셀로서, 수십에서 백수십 분자가 모여 지름 수실 nm인 구 모양으로 회합한다. 농도가 높아지면 처음 구상미셀의 크기는 그 상태에서 수가 많아지나, 다시 농도가 높아지면 일단과 회합이 진행되어 층상(層狀)미셀등 각종 회합상태를 취하게 된다. 네겔리(K.W.Nageli)는 녹말 또는 셀룰로오스의 겔이 광학적 비등방성을 나타내는 것은 분자가 배향한 미결정구조를 취하기 때문이라고 생각하여 이 구조를 미셀이라고 부르기 시작하였다(1858). 그 후 셀룰로오스 등은 저분자의 회합체가 아닌 거대분자인 것이 밝혀졌으나, 셀룰로오스의 분자사슬이 부분적으로 회합하고 다발을 만들어 미결정으로 된다고 하는 방상(房狀)미셀구조설을 널리 받아들이게 되었다.

 

 

3. 임계미셀농도(CMC, critical micelle concentration)

계면활성제는 단분자의 이온 형태에 따라 이온 계면활성제와 비이온 계면활성제로 분류하고, 이온 계면활성제는 다시 음이온, 양이온, 그리고 양쪽성이온 계면활성제로 분류한다. 계면활성제는 친수성기와 소수성기를 갖고 있기 때문에 수용액 중에 용해되면 소수성기 부분은 물과의 접촉을 피하기 위하여 가운데로 모이고 친수성기 부분은 바깥쪽으로 배향하여 하나의 회합체인 미셀(micelle)을 형성하며, 이때 최초로 미셀을 형성하게 되는 농도를 임계미셀농도(CriticalMicelle Concentration) 즉 CMC라고 부른다. 계면활성제는 용액 속에 소량만 존재하더라도 용액 계면이나 표면의 성질을 바꿀 수 있으며, 수용액에서 계면활성제의 농도가 증가함에 따라 세척성, 점성률, 굴절률, 삼투압, 전기전도도, 계면장력 및 표면장력이 크게 변화하게 되지만 CMC를 기준으로 그 이상의 농도에서는 이런 물성들이 더 이상 크게 변화하지 않게 되므로 CMC는 계면활성제의 중요한 특성이다. 실제 문헌상으로는 20 여종의 CMC 결정법이 보고되어 있지만,8 정확성과 간편성을 고려해 보면 비교적 용이하게 측정되는 몇 가지 방법들 중 하나가 전기전도도법과 표면장력법이다. 비이온성, 양쪽성 계면활성제 수용액들은 전기전도성이 없어서 전기전도도 측정법은 부적당 하지만, 이온성 계면활성제의 CMC 결정법으로는 제일 간단한 방법으로 정확한 CMC값을 얻을 수 있다. 모든 계면활성제의 CMC를 측정하는 가장 간단한 방법인 표면장력 측정법에는 여러 가지 방법이 알려져 있지만 정확성을 기하기 위해 Wilhelmyplate method 법을 주로 사용한다.8-10 각종 방법에 따라 얻어진 계면활성제의 CMC 데이터들은 Mukerjee와 Mysel 에 의하여 보고되어졌다

 

4. UV-Visible Spectrophotometer

기구 및 시약

기구	시약
큐벳 cell(1cm*1cm) spectrophotometer	sodium dodecyl (sulfateSDS; CMC=8.3x10-3M) sodium decyl sulfate(CMC=3.3x10-2M)

     큐벳 sell            spectrophotometer

실험방법

 

-계면활성제의 임계미셀농도 측정

1. 계면활성제(surfactant)로써 sodium dodecyl sulfate(가장 대표적인 계면활성제로써  영어 약어 SDS; CMC=8.3x10^-3M)과 sodium decyl sulfate(CMC=3.3x10^-2M) 2종류를 선택한다.

2. 각 계면활성제의  수용액의 농도를 다음과 같이 6개를 만들어 본다. c1=CMC/5, c2=CMC/2.5, c3=CMC/1.3, c4=CMC*1.3, c5=CMC*2.5, c6=CMC*5

(단. SDS는 7개조가 실험한다면, sodium decyl sulfate는 단지 3조만 실험한다. 이유는 후자의 시약이 매우 비싸기 때문임.)

3. 이와 같이 만든 용액을 폴리스틸렌 큐벳 cell(1cm*1cm)에 넣어spectrophotometer에서 흡광도(Absorbance)를 파장 488nm(일반적으로 파장이 짧은 영역이 실험하기 좋음)에서 측정한다.

4. x축에 농도 y축에 흡광도를 도시하여 흡광도가 급격히 변화하는 농도를 알아낸다. 본래의 문헌치와 비교해본다.

5. 조교가 미지의 계면활성제의 용액(단 cmc 농도 이상)을  학생들에게 나누어 주어 그 농도가 얼마나 되는지를 흡광도를 측정한 뒤 앞의 4에서 얻은 그래프로 계산하여 본다.

6. SDS의 CMC와 sodium decyl sulfate의 CMC를 서로 비교해 보고 어떠한 결론을 내릴 수 있는가?

 

2차 실험: NaCl이 들어 있는 수용액의 CMC의 측정

 

목적: CMC에 대한 염(NaCl)의 농도 효과

 

1. 실험 I의 임계미셀농도측정 실험의 (2)에서 언급한 대로 6개의 서로 다른 농도를 만들지만 순수한 수용액 대신에 다음과 같은 NaCl 수용액에서 계면활성제 용액을 만든다.

(i) NaCl 수용액 10mM:  수용액상의 농도보다 20% 묽은 농도

(ii) NaCl 수용액 30mM:  수용액상의 농도보다 ~2.5배 묽은 농도

(iii) NaCl 수용액 100mM: 수용액상의 농도보다 ~6배 묽은 농도

2. 각기 다른 NaCl 수용액에서 만들어진 계면활성제의 CMC를 탁도법으로 측정한다.

3. 염의 농도에 따라 CMC의 변화가 어떻게 일어나는지를 도시한다. (X축에 NaCl 농도, Y축은 log scale의  CMC를 plot하여 보아라.)

4. 위에서 얻은 결과를 문헌치와 비교 검토하여 보아라.

 

Reperence

ㆍ Skoog외 2인,  Fundamental of analytical chemistry 제 7판, 자유아카데미, 2000년

ㆍ Daniel C. Harris, Quantitative chemical analysis, 자유아카데미, 1994년

ㆍ 이화학사전 제5판, 대광서림, 2001년 4월 30일

ㆍ Rubinson외 1인, Contemporary instrumental analysis, 녹문당, 2002년

ㆍ 두산세계대백과(네이버검색)

ㆍ 머크사 홈페이지 - http://pb.merck.de