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산소계 세제의 화학

Posted at 2016-02-04 22:20:57

<img onLoad='miniSelfResize(contents_71,this); if(this.parentNode.tagName=="A"){this.onclick = "";}' alt="산소계 세제의 화학 과탄산소다, 구연산, 베이킹소다" src="http://static.naver.net/ncc//image_text/naf/a02/58/15/20150703101558149.png">			 <div id="na_title_bottom"></div><div class="t_ptype btn_img_zoom" style="width: 646px;"><div class="edtitor_img_uio"><img onLoad='miniSelfResize(contents_71,this); if(this.parentNode.tagName=="A"){this.onclick = "";}' title="" alt="" src="http://ncc.phinf.naver.net/20150703_242/1435885795313y7fYo_JPEG/01.jpg?type=w646" caption="과탄산소다, 구연산, 베이킹 소다 등 산소계 세제가 주목 받고 있다." data-src="http://ncc.phinf.naver.net/20150703_131/1435885796310qsoTP_JPEG/1.jpg"><a href="http://navercast.naver.com/contents.nhn?rid=44&amp;contents_id=93730&amp;leafId=44#"></a>	 과탄산소다, 구연산, 베이킹 소다 등 산소계 세제가 주목 받고 있다.	 </div></div>사스, 신종플루에 이어 중동호흡기 증후군(MERS)으로 전국이 몸살을 앓고 있다. 바이러스가 관련된 전염병은 개인 위생을 철저하게 하며, 각 개인들의 면역력을 높여서 차단할 수 있다는 것이 정설이다. 때 맞추어서 손 세척제를 비롯한 각종 위생용품 및 세제들이 상품 진열대의 앞쪽을 차지하고 있다. 그 중에 눈에 띄는 것으로 과탄산소다, 구연산, 베이킹 소다의 3종 세트 묶음이 있다. 이들이 왜 세탁효과를 낼 수 있는지? 그것들의 각자 역할은 무엇인지 알아보자.<a name="toc1" style="visibility: hidden;"></a> <div class="t_lv_tit"><h4>과탄산소다(Sodium percarbonate): 산소계 세제	 </h4></div>과탄산소다는 탄산소듐(Na2CO3)와 과산화수소(H2O2)의 혼합물이다. 탄산소듐과 과산화수소의 몰(mole) 비율이 약 2:3으로 혼합된 흰색의 고체이며, 물에 잘 녹는 특징이 있다. 과탄산소다에 포함된 두 물질의 분자량을 감안하여 무게 비를 계산해 보면 탄산소듐이 약 70%, 과산화수소가 약 30% 이며, 비 염소계 세제이다. 광고로 익숙해진 옥시크린(동양화학, 현재는 OCI에서 생산되는 세제의 상품명)이 산소계 세제의 한 종류이며, 그것의 주성분이 과탄산소다이다. 물에 녹으면 탄산소듐과 과산화수소의 혼합 용액이 된다. 흔히 락스라고 부르는 세제에는 염소가 포함된 염소계 세제로써, 그것의 주요성분은 차아염소산소듐(NaOCl)이다.<div style="margin: 0px auto; width: 644px;"><table class="edtitor_tbl edtitor_img_uio2" border="1" cellspacing="0"><caption>이미지 목록</caption><tbody><tr><td rowspan="1" colspan="1"><div class="img_wrap btn_img_zoom" style="margin: 0px auto; width: 322px;">1<img onLoad='miniSelfResize(contents_71,this); if(this.parentNode.tagName=="A"){this.onclick = "";}' title="" alt="" src="http://ncc.phinf.naver.net/20150703_94/1435886286896deH90_JPEG/002.jpg?type=w323" caption="과탄산소다는 탄산소듐(위쪽)과 과산화수소(아래쪽)의 혼합물이다." data-src="http://ncc.phinf.naver.net/20150703_80/1435885798364xyC4M_JPEG/2.jpg"><a href="http://navercast.naver.com/contents.nhn?rid=44&amp;contents_id=93730&amp;leafId=44#"></a>	 </div></td><td style="padding-left: 2px;" rowspan="1" colspan="1"><div class="img_wrap btn_img_zoom" style="margin: 0px auto; width: 322px;">2<img onLoad='miniSelfResize(contents_71,this); if(this.parentNode.tagName=="A"){this.onclick = "";}' title="" alt="" src="http://ncc.phinf.naver.net/20150703_73/1435886287805i1saa_JPEG/003.jpg?type=w323" caption="물에 녹은 탄산소듐 결정은 거의 대부분 탄산 음이온(CO32-)과 소듐 양이온(Na+)으로 해리되어 있다. 그림의 빨간색 공은 산소, 흰색은 수소, 검은색은 탄소, 보라색은 소듐을 나타낸다." data-src="http://ncc.phinf.naver.net/20150703_103/1435886374700lwBLy_JPEG/3.jpg"><a href="http://navercast.naver.com/contents.nhn?rid=44&amp;contents_id=93730&amp;leafId=44#"></a>	 </div></td></tr><tr><td rowspan="1" colspan="2"><div class="cap_wrap">1&nbsp;과탄산소다는 탄산소듐(위쪽)과 과산화수소(아래쪽)의 혼합물이다.			 </div><div class="cap_wrap">2&nbsp;물에 녹은 탄산소듐 결정은 거의 대부분 탄산 음이온(CO32-)과 소듐 양이온(Na+)으로 해리되어 있다. 그림의 빨간색 공은 산소, 흰색은 수소, 검은색은 탄소, 보라색은 소듐을 나타낸다.			 </div></td></tr></tbody></table></div><a name="toc2" style="visibility: hidden;"></a> <div class="t_lv_tit"><h4>탄산소듐의 역할과 기능	 </h4></div>탄산소듐은 물 100 그램에 약 30 그램이 녹을 정도로 잘 녹는다. 탄산소듐 결정은 물 분자가 최대 10개까지 결합되며, 물에 대한 용해도는 결정에 붙어 있는 물 분자의 수에 따라 약간씩 다르다. 물에 녹은 탄산소듐 결정은 거의 대부분 탄산 음이온(CO32-)과 소듐 양이온(Na+)으로 해리되어 있다. 탄산 음이온은 물에 녹아 있는 칼슘, 마그네슘 이온을 비롯한 각종 금속 양이온(철, 구리, 아연, 납 등)과 반응하여 물에 녹지 않는 화합물을 형성할 수 있다. 그런 화합물은 물에 녹지 않아서 침전 혹은 물에 떠 다니는 불용성 입자로 있게 된다. 그 결과 본래 물에 녹아 있는 이온의 양이 대폭 줄어드는 효과가 있다. 다시 말해서 경수(hard water)가 연수(soft water)로 변환된다. 물이 연수로 바뀌는 것 만으로도 세탁 여건은 좋아진다. 왜냐하면 이온들이 많이 녹아 있는 경수(hard water)에서는 일반적으로 세제의 음이온과 양이온들이 결합하여 침전 혹은 찌꺼기가 형성되기 때문이다. 그렇게 된다면 세제의 성능 및 효율이 대폭 감소될 수 밖에 없다. 경수에서 세탁이 잘 안 되는 이유이다. 일반적으로 알칼리 금속 양이온(예: 리튬, 소듐, 포타슘 이온 등이며, 산화수 1 이다.)을 제외한 산화수가 2 이상 되는 금속 양이온들은 세제와 반응한다. 따라서 경수에서는 아무래도 세제의 성능이 발휘되기 어렵다. 동일 성능의 세제로 세탁효율을 높이려면 연수를 사용하면 된다.한편 탄산이온(CO32-)의 일부는 가수분해(hydrolysis) 반응이 진행되어 중탄산이온(HCO3-)과 수산화 이온(OH-)이 형성된다. 탄산소다가 녹은 용액이 염기성 용액이 되는 까닭이다. 수산화이온 또한 금속 양이온과 반응하여 물에 녹지 않는 금속 수산화물을 형성한다. 물에 녹아 있는 금속 양이온의 양을 줄여주는 효과가 있다. 염기성 용액에서 기름(지방산 혹은 지방산 에스테르가 주 성분)은 수산화 이온과 반응하여 비누화 반응(saponification) 혹은 산 염기 반응이 진행되면 카르복실 염(세제)이 만들어진다. 그렇기 때문에 양잿물 혹은 염기성 용액으로 세탁이 가능한 것이다. 암모니아의 경우에는 기름과 반응하여 아마이드(amide)가 형성되어, 마치 때의 주 성분이 분해되는 효과가 있다. 이런 세탁 경로는 찌든 때에는 적용하기 어렵겠지만, 가벼운 얼룩 등에는 효과가 있다.<div style="margin: 0px auto; width: 644px;"><table class="edtitor_tbl edtitor_img_uio2" border="1" cellspacing="0"><caption>이미지 목록</caption><tbody><tr><td rowspan="1" colspan="1"><div class="img_wrap btn_img_zoom" style="margin: 0px auto; width: 322px;">1<img onLoad='miniSelfResize(contents_71,this); if(this.parentNode.tagName=="A"){this.onclick = "";}' title="" alt="" src="http://ncc.phinf.naver.net/20150703_72/1435885800170Meqlf_JPEG/04.jpg?type=w323" caption="베이킹 소다는 베이킹 파우더의 주요 성분으로, 열에 의해서 분해되면서 발생되는 이산화탄소는 빵을 부풀리는 데에 이용되기도 한다. <출처: Gettyimages>" data-src="http://ncc.phinf.naver.net/20150703_223/1435885801118Rj1z3_JPEG/4.jpg"><a href="http://navercast.naver.com/contents.nhn?rid=44&amp;contents_id=93730&amp;leafId=44#"></a>	 </div></td><td style="padding-left: 2px;" rowspan="1" colspan="1"><div class="img_wrap btn_img_zoom" style="margin: 0px auto; width: 322px;">2<img onLoad='miniSelfResize(contents_71,this); if(this.parentNode.tagName=="A"){this.onclick = "";}' title="" alt="" src="http://ncc.phinf.naver.net/20150703_293/14358858019005aqwD_JPEG/05.jpg?type=w323" caption="베이킹소다 화학구조" data-src="http://ncc.phinf.naver.net/20150703_103/14358858029446ehVA_JPEG/5.jpg"><a href="http://navercast.naver.com/contents.nhn?rid=44&amp;contents_id=93730&amp;leafId=44#"></a>	 </div></td></tr><tr><td rowspan="1" colspan="3"><div class="cap_wrap">1&nbsp;베이킹 소다는 베이킹 파우더의 주요 성분으로, 열에 의해서 분해되면서 발생되는 이산화탄소는 빵을 부풀리는 데에 이용되기도 한다. &lt;출처: Gettyimages&gt;			</div><div class="cap_wrap">2&nbsp;베이킹소다 화학구조			 </div></td></tr></tbody></table></div>베이킹 소다 역시 가수분해되어 수산화 이온이 형성되고, 그것이 용액을 염기성으로 만들어 주므로 세탁이 가능하다. 베이킹 소다는 중탄산소듐 혹은 탄산수소소듐이라 부르는 화학물질이다. 흔히들 중조라 부르기도 한다. 탄산수소 음이온은 탄산 음이온보다는 염기성 정도가 약하지만 그래도 세제로 사용할 수 있다. 베이킹 소다는 베이킹 파우더의 주요 성분으로, 열에 의해서 분해되면서 발생되는 이산화탄소는 빵을 부풀리는 데에 이용되기도 한다. 그러므로 100% 순수한 베이킹 소다는 세제로 혹은 빵을 제조할 때에도 이용할 수 있는 것이다.<a name="toc3" style="visibility: hidden;"></a> <div class="t_lv_tit"><h4>과산화수소는 산화제: 소독, 살균, 표백효과	 </h4></div><div class="t_ptype2 btn_img_zoom" style="width: 300px;"><div class="edtitor_img_uio"><img onLoad='miniSelfResize(contents_71,this); if(this.parentNode.tagName=="A"){this.onclick = "";}' title="" alt="" src="http://ncc.phinf.naver.net/20150703_293/14358864936828Vr79_JPEG/06.jpg?type=w646" caption="과산화수소의 화학구조. 과산화수소는 산화제다." data-src="http://ncc.phinf.naver.net/20150703_130/1435885804884lsF1T_JPEG/6.jpg">	 <a href="http://navercast.naver.com/contents.nhn?rid=44&amp;contents_id=93730&amp;leafId=44#"></a>		 	 						과산화수소의 화학구조. 과산화수소는 산화제다.	 </div></div>과산화수소는 가정용 상비약, 치아 미백 크림, 로켓 연료 등으로 다양하게 이용되는 화학물질이다. 용도의 차이는 바로 과산화수소의 농도의 차이에서 온다. 예들 들어 가정용 상비약에서 과산화수소의 비율은 3 퍼센트이지만, 로켓 연료에서는 70 퍼센트에 이른다. 기본적으로 과산화수소는 그것과 접촉하는 물질과 반응이 잘 일어나며, 반응 후에는 물과 산소로 분해된다. 빛이나 열로도 쉽게 분해가 되기 때문에 불투명한 용기에 보관한다.과산화수소와 화학반응을 하면 과산화수소는 환원되고, 그것과 반응하는 화학물질은 산화된다. 자신은 환원이 되면서 반응 물질을 산화시키는 물질을 산화제라 말한다. 즉 과산화수소는 산화제이다. 구체적으로 과산화수소가 다른 물질로부터 전자를 뺏는 능력이 뛰어난 것이다. 과산화수소가 분해되면서 생성되는 라디칼이 바로 산화제로서 역할을 하는 것이다. 라디칼이란 쌍을 이루지 않은 전자를 포함하는 분자 혹은 분자의 일부를 말한다. 일부의 라디칼을 제외하고 거의 대부분 라디칼은 매우 불안정하다. 그러므로 라디칼은 다른 물질로부터 전자를 빼앗아서 전자 쌍을 형성하면서 안정화 되려는 경향이 강하다. 라디칼과 반응하는 물질은 전자를 잃어버리므로 산화되는 것이며, 라디칼은 전자를 얻으므로 환원이 되는 것이다. 이런 반응에서 단순히 전자만 이동하는 것이 아니라 수소 혹은 산소가 동시에 결합 혹은 이탈되기도 한다.과산화수소가 소독 및 살균 효과를 나타내는 것은 박테리아를 비롯한 미생물의 세포 막(membrane)을 이루는 화학물질(다당류 고분자 혹은 지질 단백질등)을 산화시키기 때문이다. 막이 파괴되고 변질이 된 미생물들은 결국에는 죽게 마련이다. 소독 살균제로써 과산화수소가 더욱 더 좋은 점은 기능을 다 한 후에는 물과 산소로 변한다는 점이다. 환경 문제를 염려하지 않아도 되므로 일석이조인 셈이다. 몸 속에서도 필요에 따라서 과산화수소가 생성되기도 한다. 양이 필요이상 많아지면 오히려 해로우므로 제거하는 반응도 효율적으로 진행되고 있다.표백(미백)효과 역시 과산화수소가 색의 원인이 되는 색소 혹은 때를 산화시키기 때문이다. 색이 누렇게 바랜 이는 음식 혹은 차에 포함된 폴리페놀을 비롯한 유기화합물로 이루어진 고분자가 이의 표면 성분인 에나멜에 침착이 되었기 때문이다. 그런 고분자들이 과산화수소에 의해 산화되고 보다 작은 크기의 분자로 변환되거나 분해되면서 에나멜 표면에서 떨어져 버리면 본래 색이 되살아 난다. 치아 미백이다. 마찬가지로 옷에 묻은 각종 기름, 색소 유기화합물 혹은 그것의 고분자도 과산화수소에 의해서 산화되고 분해되어 물에 씻기면 옷감 본래의 색이 나타나는 것이다. 진한 농도의 과산화수소에 직접 접촉이 되면 옷감은 물론 피부도 상할 수 있으니 주의해야 된다.<div class="t_ptype btn_img_zoom" style="width: 646px;"><div class="edtitor_img_uio"><img onLoad='miniSelfResize(contents_71,this); if(this.parentNode.tagName=="A"){this.onclick = "";}' title="" alt="" src="http://ncc.phinf.naver.net/20150703_118/1435885805947dhumf_JPEG/07.jpg?type=w646" caption="과산화수소는 옷에 묻은 각종 때를 산화시켜 원래 색을 살아나게 한다. <출처: gettyimage>" data-src="http://ncc.phinf.naver.net/20150703_60/14358858071417bSv6_JPEG/7.jpg"><a href="http://navercast.naver.com/contents.nhn?rid=44&amp;contents_id=93730&amp;leafId=44#"></a>	 과산화수소는 옷에 묻은 각종 때를 산화시켜 원래 색을 살아나게 한다. &lt;출처: gettyimage&gt;	</div></div><a name="toc4" style="visibility: hidden;"></a> <div class="t_lv_tit"><h4>구연산의 킬레이팅 효과	 </h4></div><div class="t_ptype2 btn_img_zoom" style="width: 300px;"><div class="edtitor_img_uio"><img onLoad='miniSelfResize(contents_71,this); if(this.parentNode.tagName=="A"){this.onclick = "";}' title="" alt="" src="http://ncc.phinf.naver.net/20150703_260/1435885808152sNvbl_JPEG/08.jpg?type=w646" caption="구연산의 화학구조" data-src="http://ncc.phinf.naver.net/20150703_61/1435885809122MCsw7_JPEG/8.jpg">	 <a href="http://navercast.naver.com/contents.nhn?rid=44&amp;contents_id=93730&amp;leafId=44#"></a>		 	 						구연산의 화학구조	 </div></div>세제와 별도로 판매되거나 혹은 세제에 미리 혼합된 구연산도 그 역할이 있다. 구연산은 과일과 채소 등에 많이 포함된 유기산이다. 앞선 설명처럼 물에는 칼슘 이온을 비롯한 각종 금속 양이온들이 녹아 있고, 세제의 성능이 100 퍼센트 발휘되려면 세제와 금속 이온이 반응하는 것을 우선적으로 막으면 된다. 금속 양이온이 세제 보다 먼저 반응하여 물에 녹지 않는 침전 혹은 금속 복합물(complex)이 형성된다면 세제와 반응하여 세제의 성능을 떨어뜨리는 일이 원천적으로 봉쇄될 것이다. 일반적으로 금속 이온은 리간드라 부르는 독특한 특성을 지닌 유기/무기 화합물과 반응하여 금속 복합물을 형성한다. 리간드(중성 분자 혹은 음이온)의 독특한 성질이란 비 공유 전자쌍을 포함하고 있다는 것이다. 예를 들어서 카르복실 기(COO-)의 산소는 음이온의 특성을 갖추고 있어서 금속 양이온과 결합하여 금속 복합물을 형성하는 데 안성맞춤이다.구연산에는 3개의 카르복실 기가 있으므로 금속 복합물을 쉽게 형성할 수 있다. 식초의 주요 성분인 아세트 산은 1개의 카르복실 기가 있다. 그러므로 카르복실 기를 3개나 갖고 있는 구연산은 금속 이온과 잘 결합할 수 있는 특징을 이미 갖추고 있는 셈이다. 세탁과정에서 물에 구연산을 첨가하는 것은 물을 연수로 변환시키며, 동시에 때에 포함되어 있을 금속 양이온과 결합하여 물에 녹는 금속 복합물을 형성시키는 것이다. 목욕탕 혹은 부엌 싱크대의 물 때도 구연산 용액(혹은 아세트산 용액)으로 문지르면 잘 닦이는 것도 같은 이유이다. 때에 포함된 칼슘 이온을 비롯한 금속이온들과 반응하여 형성된 구연산 복합물 혹은 아세트산 복합물은 물에 잘 녹기 때문에 자연스레 물에 녹아 사라지는 것이다. 주전자 혹은 가열 방식의 가습기에 낀 물 때 역시 아세트산 혹은 구연산을 이용한다면 손이 닿지 않은 부분까지도 비교적 쉽게 제거할 수 있다. 힘으로 문지르지 않아도 손 쉽게 때를 제거할 수 있는 방법이다. 출처 : 네이버 화학산책 <dl class="cp_detail1"><dt>글</dt><dd><a href="http://navercast.naver.com/author_contents_list.nhn?acknowledgeType=author&amp;acknowledgeId=au35">여인형</a> | 동국대 화학과 교수</dd><dd class="dsc">서강대학교 화학과를 졸업하고, 미국 아이오와 주립대학교에서 박사학위를 받았다. 현재 동국대 화학과 교수이다. 일반인을 위한 저서로 [퀴리부인은 무슨 비누를 썼을까?](2007), [공기로 빵을 만든다고요?](2013), [퀴리부인은 무슨 비누를 썼을까? 2.0](2014)가 있다.</dd><dd class="link"><a href="http://book.naver.com/search/search.nhn?query=%EC%97%AC%EC%9D%B8%ED%98%95&amp;frameFilterType=1&amp;frameFilterValue=5000011816" target="_blank">저자의 책 보러가기</a>		 |		 <a href="http://search.naver.com/search.naver?where=nexearch&amp;sm=tab_hty.top&amp;ie=utf8&amp;pkid=1&amp;query=%EC%97%AC%EC%9D%B8%ED%98%95&amp;os=168591" target="_blank">인물정보 더보기</a> </dd></dl><div class="t_ptype btn_img_zoom" style="width: 646px;"><div class="edtitor_img_uio"></div></div>

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