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쉽게 배우는 초등상식 “물과 기름은 왜 섞이지 않을까요?”
기름과 물이 섞이면 경계면이 생기면서 물 위에 기름이 둥둥 떠다니는 것을 본 적이 있을텐데요. 기름이 물 위에 뜨는 이유는 물은 밀도가 크고 기름은 …
Source: m.blog.naver.com
Date Published: 3/7/2022
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물과 기름, 마침내 섞이다 – 조선비즈
‘물과 기름’. 서로 어울리거나 화합하지 못하고 따로 노는 것을 비유하는 말이다. 물과 기름은 섞이지 않기 때문이다. 하지만 국내 연구진이 영원히 …
Source: biz.chosun.com
Date Published: 12/10/2021
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물과 기름이 섞이지 않는 이유 – 직장인의 실험실
물은 극성 분자이며 기름은 무극성 분자이기 때문에 서로를 잡아당기는 전기적 힘의 차이가 발생합니다. 따라서 극성이 서로 다른 물과 기름은 서로 섞이기보다는 극성 …
Source: luvlyday.tistory.com
Date Published: 7/17/2022
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물과 기름 (Polarity)/원어스 (ONEUS) – 벅스
… 으로 돌려 너의 말에 용해돼 나는 밤새 물과 기름처럼 우린 섞일 수가 없어 너의 화에 난 데어버렸다 뭐가 그리 잘못된 건지 불과 기름 같았던 우리는 불타버렸지 …
Source: music.bugs.co.kr
Date Published: 11/24/2022
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물과 기름은 어떻게 친해질 수 있을까? – YTN 사이언스
바로 집속초음파 분산기술! 이 기술은 계면활성제 없이 물과 기름을 섞는 기술이다. 물속의 기름입자를 나노미터의 크기를 쪼개고 쪼개진 …
Source: m.science.ytn.co.kr
Date Published: 12/2/2022
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[동향]섞이지 않는 물과 기름? 이제는 옛말
물은 극성 분자이지만 기름은 무극성 분자다. 일반적으로 극성 분자는 극성 분자끼리, 무극성 분자는 무극성 분자끼리 결합하려는 성질 때문에 두 물질은 섞일 수 없었다.
Source: scienceon.kisti.re.kr
Date Published: 2/24/2022
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물과 기름이 섞이지 않는 원리를 이용한 석유화학 공정
일반적으로, 하나의 공정에 물(수용성 액체)과 기름(유기용매)이 섞여 있을 경우, 공정을 운용하는 장치의 효율을 떨어뜨릴 수 있을 뿐만 아니라 장치가 …
Source: www.chemi-in.com
Date Published: 5/10/2022
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물과 기름이 섞이지 않는 이유 | 과학문화포털 사이언스올
물과 기름이 섞이지 않는 이유. 3월 07, 2017 …
Source: www.scienceall.com
Date Published: 4/15/2022
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주제에 대한 기사 평가 물 과 기름
- Author: 다니유치원 DANI
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- Date Published: 2020. 4. 30.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=2WheLn3-5CM
쉽게 배우는 초등상식 “물과 기름은 왜 섞이지 않을까요?”
절대 섞일 수 없는 물과 기름을 섞을 수 있는 방법이 하나 있습니다. 바로 “계면활성제” 입니다.
계면활성제는 기름과 물의 성질을 동시에 갖고 있는데요. 계면활성제가 물과 기름의 경계면에서 완화 역할을 해주면서 극성이 다른 두 액체가 섞이게 되는 것이죠
계면활성제는 일상생활에서 쉽게 찾아볼 수 있는데요. 대표적인 계면활성제는 주방에서 사용하는 주방세제 있습니다. 설거지를 생각하면 쉽게 이해가 되겠죠? 물로 닦아도 지워지지 않는 기름때가 주방세제를 이용했을 때 쉽게 지워는 원리도 바로 계면활성작용 때문이랍니다.
물과 기름이 섞이지 않는 이유
물과 기름이 섞이지 않는 이유
물과 기름이 섞이지 않는 이유
물과 섞이지 않는 기름
물과 기름은 섞이지 않습니다. 이는 모두가 다 아는 당연한 사실입니다. 그렇다면 왜 물과 기름은 섞이지 않을까요? 이를 화학적으로 답한다면, 물윽 극성 분자이며 기름은 무극성 분자이기 때문에 서로 섞이지 않습니다 .
기름은 대부분 탄소와 수소로 구성된 분자인데, 탄소와 수소는 전자를 끌어당기는 힘인 전기음성도가 유사한 원소입니다. 이 때문에 기름 분자는 분자 전체에 전자가 고르게 분포되어 있어 양전하를 띄는 부분과 음전하를 띄는 부분이 나뉘지 않는 무극성 분자입니다.
물 분자를 구성하는 산소와 수소의 경우 전기음성도가 서로 다릅니다. 산소는 수소보다 전기음성도가 더 높아, 즉 전자를 더 세게 잡아당겨 산소쪽이 (-)극이 되고 전자를 덜 잡아당기는 수소쪽이 (+)극이 되어 한 분자 내에 두 개의 극이 존재하는 극성 분자가 됩니다.
물은 극성 분자이며 기름은 무극성 분자이기 때문에 서로를 잡아당기는 전기적 힘의 차이가 발생합니다. 따라서 극성이 서로 다른 물과 기름은 서로 섞이기보다는 극성 분자인 물은 물끼리, 비극성 분자인 기름은 기름끼리만 섞이게 됩니다 .
그렇다면 왜 극성 분자와 비극성 분자는 서로 섞이지 않을까요? 물은 수소 결합에 의해 물 분자 사이에 상대적으로 강한 분자간 힘으로 결합되어 있습니다. 기름이 물에 용해되기 위해서는 물의 수소결합을 끊어야 하는데 비극성 분자인 기름은 극성 부분이 없으므로 물의 수소결합을 끊고 섞일 수가 없는 것입니다.
이렇게 서로 섞이지 않는 극성 분자와 비극성 분자의 경계를 활성화시켜 서로 섞일 수 있게 하는 물질을 계면활성제라고 합니다. 우리가 일상생활에서 가장 쉽게 볼 수 있는 계면활성제는 바로 비누입니다. 물로만 씻을경우 기름으로 이루어진 오염물질이나 자국이 지워지지 않지만 계면활성제인 비누를 사용하면 계면활성제에 의해 기름으로 이루어진 오염물질이 물에 녹아 제거됩니다.
물과 기름 (Polarity)/원어스 (ONEUS)
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물과 기름은 어떻게 친해질 수 있을까?
개와 고양이, 자석의 N극과 S극처럼 친해질 수 없는 물과 기름!
물과 기름은 서로 극성과 무극성을 띠고 있어 서로 섞이지 않는다.
물과 기름이 섞이지 않는 성질을 적용한 마블링 아트 등 일반적으로 우리는 물과 기름이 섞이지 않는다고 알고 있다.
하지만 물과 기름은 정말 친해질 수 없는 사이일까?
물과 기름을 친하게 만들어주는 물질이 존재한다?
바로 계면활성제!
계면활성제는 물과 기름을 섞어주는 역할을 하지만 시간이 지나면 계면활성제로 섞은 물과 기름은 결국 분리되고 만다.
그렇다면 계면활성제 없이 물과 기름을 오랫동안 섞을 수는 없을까?
물과 기름을 계면활성제 없이 섞일 수 있는 기술은 존재한다!
바로 집속초음파 분산기술!
이 기술은 계면활성제 없이 물과 기름을 섞는 기술이다.
물속의 기름입자를 나노미터의 크기를 쪼개고 쪼개진 입자는 브라운 운동을 하게 된다.
이 브라운 운동은 물속에 떠오르려는 힘보다 강해서 기름입자가 오랫동안 떠오르지 않아 물과 기름이 섞이게 된다.
그래서 우리가 직접 찾아가 확인해보았다.
과연 물과 기름은 계면활성제 없이 섞일 수 있을까?
[동향]섞이지 않는 물과 기름? 이제는 옛말
2014-12-18
물과 기름을 섞는 기술이 드디어 개발됐다. 추민철 KRISS 신기능재료표준센터 박사팀이 모두의 염원이었던 해당 기술을 개발하는데 성공한 것이다. 연구가 성공하는 순간 “가슴이 떨리면서 어떻게 그 기분을 표현해야 할지 모르겠더라”며 “제대로 사고하나 쳤구나” 라는 생각을 하게 됐다고 이야기 했다.
물과 기름의 섞임 현상, 작게 쪼개는 기술이 관건
정말 제대로 된 사고다. 과학자 뿐 아니라 일반 대중들도 물과 기름이 섞이지 않는 상충의 관계라는 것은 이미 공공연한 사실이다. 그렇다면 왜 섞이지 않았던 걸까? 이유는 바로 분자구조의 차이에 있다. 물은 극성 분자이지만 기름은 무극성 분자다. 일반적으로 극성 분자는 극성 분자끼리, 무극성 분자는 무극성 분자끼리 결합하려는 성질 때문에 두 물질은 섞일 수 없었다.
하지만 과학은 불가능에 도전하는 학문인만큼 추민철 박사는 포기하지 않고 물과 기름을 섞는 연구에 집중했다. 분자 구조가 다르고 밀도의 크기가 달라 섞이지 않는다면, 이를 조정해주면 해결될 거라 생각했다.
다양한 발상으로 연구에 접근한 결과 그는 나노 크기를 분산하는 방법으로 물과 기름을 섞는데 성공했다. 그것도 실온 및 대기상태에서 두 물질을 섞을 수 있다.
“잘 아시다시피 물과 기름을 섞기 위해서는 유화제, 즉 계면활성제가 필요합니다. 하지만 저희 기술을 이용하면 이 유화제를 사용하지 않아도 두 물질을 혼합할 수 있습니다. 비밀은 바로 기름입자의 크기에 있어요. 물과 기름을 섞기 위해서는 무엇보다 기름입자를 나노 크기(10억분의 1 m) 수준으로 만드는 것이 중요합니다. 그렇지 않을 경우 기름입자는 서로 응집해 짧은 시간 내에 물과 분리되기 쉬워지죠.”
기존에는 두 물질을 섞기 위해 유화제를 첨가한 후 고속 프로펠러를 이용했다. 하지만 그 때 물질의 사이즈는 수십 마이크로로, 추민철 박사의 연구 속 물질 사이즈보다 약 100배 이상이 크다. 해당 사이즈는 지구상 중력을 받고 있는 곳 어디에서라도 둥둥 뜰 수밖에 없는 구조다. 추민철 박사는 입자의 크기를 균질하면서도 매우 작게 만들었으므로 섞인 후에도 분리되지 않고 그대로 유지된다. 즉, 작게 만든 게 핵심인 셈이다.
“작게 만든 방식에도 기술이 숨어있습니다. 바로 초음파 집속장치죠. 사실 기존에도 초음파 방식을 사용하긴 했습니다. 배스(Bath) 형 혹은 혼(Horn) 형이었죠. 이를 이용해서도 기름입자를 분산시킬 수는 있었지만 입자크기가 수 마이크로미터(100만분의 1 m)로 매우 컸습니다. 때문에 기름입자가 서로 응집되고, 수일 내에 물과 분리되는 한계가 있었죠. 또한 섞이는 과정이 매우 시끄럽고 높은 온도를 요구하기 때문에 대량생산에도 한계가 있었습니다.”
이러한 한계를 해결하기 위해 추민철 박사는 초음파 집속장치를 만들었다. 초음파 방식의 원리를 이용해 그 핵심사항을 증폭시킨 결과물이다. 초음파로 입자를 분산하는 방식의 핵심은 결국 폭발이다. 초음파를 적용할 때 공동 현상(cavitation)이 발생하면서 이곳에 작은 기공이 발생하고 폭발이 일어나는 것이다.
“고민 끝에 입자를 쪼개는 핵심인 폭발력을 집중시키면 어떨까 싶었어요. 폭발시키는 힘이 한 번에 응집된다면 짧은 시간에 더욱 작게, 그리고 균질하게 쪼갤 수 있을 거라고 생각했죠. 원통형의 초음파 센서를 이용해 가운데로 강력하게 응집되게 했습니다. 그 때 초음파가 가운데로 모이고 강력한 에너지가 집속돼 입자는 매우 작게 깨지게 되는 거죠. 원통형 압전자를 이용해 제작된 해당 장치는 물과 기름의 혼합 용액에 약 500 kHz의 고주파수를 조사합니다. 이를 통해 원통 중앙에 강력한 에너지를 집속시키죠.”
연구의 핵심, 초음파 집속장치
한 물질이 다른 물질에 안정되기 고루 퍼진 상태를 분산이라고 한다. 입자크기가 작고 균일하게 분산될수록 안정성이 높아져 긴 시간동안 서로 상 분리가 일어나지 않는다. 추민철 박사는 “분산이 중요하다”며 “일례로 우리가 디스플레이의 색상을 보는 것도 안료를 통한 것인데, 이게 뭉쳐있다면 균질한 화면을 접할 수 없을 것”이라고 운을 뗐다.
“모든 산업에 있어 기본은 분산기술입니다. 모든 기과 혹은 기업이 자체적인 공정기술로 갖고 있는 게 바로 분산기술인 거죠. 화장품을 예로 들어볼까요? 나노 입자 크기의 좋은 성분이 화장품 안에 들어가 있다면, 피부에 얼마나 좋을까요. 같은 1g이라고 해도 입자 크기에 따라 피부가 받아들이는 효과는 천차만별일 것입니다. 작아질수록 표면적이 넓어지면서 활동 범위가 커지잖아요. 화장품 용어로는 ‘흡수가 잘 된다’ 라고 하죠.(웃음) 그래서 나노가 위대하다고 이야기 하는 것입니다. 바로 여기에 경쟁력이 있죠.”
이러한 중요성 때문에 수많은 나노 물질이 개발되고 있지만 사실 제대로 상용화가 이뤄진 사례는 거의 없다. 왜냐하면 나노 물질의 응집현상을 해결하지 못했기 때문이다. 나노입자 상용화를 가로막는 가장 큰 걸림돌이 바로 응집 현상이다. 작은 정전기에도 달라붙을 정도로 나노입자의 응집현상은 해결이 매우 어려운 과제 중 하나다. 하지만 이처럼 응집이 일어나면 마이크로 입자와 별 차이가 없는 셈이 된다. 추민철 박사는 이 모든 과정을 고민한 끝에 작게 분산하면서도 응집되지 않는 기술을 만든 것이다.
실제로 추민철 박사가 올해 4월 초음파 집속장치를 통해 화장품 성분으로 많이 쓰이는 세티올(Cetiol) 오일과 천연 올리브 오일을 계면활성제를 사용하지 않고 각각 증류수와 섞은 결과, 6개월이 지난 현재까지 나노에멀전 형태로 안정되게 분산돼 있는 것을 확인할 수 있었다.
“기존의 한계를 해결하기 위해 비접촉식 초음파 기술을 적용했습니다. 기존 초음파 원리로부터 시작해 고민을 많이 했어요. 이런 저런 시행착오도 겪었죠. 결국, 이렇게 우리 손으로 획기적인 연구결과를 얻게 됐네요.”
이번 연구에서 가장 많은 관심을 받는 내용은 바로 상용화다. 화장품과 세제, 탈취제 등 다양한 분야에서 사용할 수 있는 만큼 언제부터 계면활성제가 필요 없게 될 지에 많은 사람들의 이목이 집중되고 있다. 추민철 박사는 “우리 팀은 장치를 개발한 것”이라며 “실제로 생산 과정에 들어간다면 장비 셋업 기간까지 고려해 짧게는 2~3년 정도의 시간이 필요할 것”이라고 이야기 했다.
앞으로 이 기술을 이용할 경우 우리가 사용하는 화장품에서 계면활성제는 사라질 수 있다. 계면활성제 없이도 물속에 오일을 나노 크기로 분산(나노에멀전)할 수 있어 친환경 화장품, 제약 및 의약 분야에 새로운 개념의 신제품 개발에 적용이 가능할 것으로 기대되고 있다.
추민철 박사의 연구는 현재 많은 화장품 회사로부터 러브콜을 받고 있다. 뿐만 아니라 나노입자의 분산에도 적용 가능한 기술로 반도체, 페인트, 잉크, 의․제약, 음료 및 약물전달물질(DDS: Drug Delivery System) 등 다양한 분야에서도 이를 기대하고 있다.
연구책임자인 추민철 박사는 “이번 성과는 물과 기름을 실온에서 계면활성제를 전혀 사용하지 않고 안정적으로 혼합할 수 있는 현존 유일의 기술”이라며 “인체 친화적 화장품뿐만 아니라 의료, 식품분야에서도 쓰일 수 있기 때문에 산업적․사회적 파급효과가 매우 큰 성과”라고 이야기 했다.
물과 기름이 섞이지 않는 원리를 이용한 석유화학 공정
물과 기름이 섞이지 않는다는 간단한 사실은 모두가 잘 알고 계실 겁니다. 그런데 기름을 원료로 사용하는 정유·석유화학 공장에도 물에 녹는 수용성 물질은 존재합니다. 그렇다면 물과 기름처럼 서로 섞이지 않는 성질의 액체들이 같은 공정 안에 공존할 수 있을까요? 만약 공존한다면, 어떤 일이 벌어질까요?
01
물과 기름, 섞이지 않는 두 액체의 공존
일반적으로 물에 녹는 성질을 가진 수용성 액체와 기름과 잘 섞이는 유기용매 물질은 잘 섞이지 않습니다. 이를 실생활에서 가장 쉽게 볼 수 있는 방법 중 하나는 바로 샐러드드레싱인데요. 발사믹 드레싱을 오랫동안 가만히 놔두면, 물층은 가라앉고, 올리브유는 위로 떠올라 두 층으로 나누어지게 되죠!
석유화학 공정 과정에서도 샐러드드레싱처럼 서로 잘 섞이지 않는 성질을 가진 여러 액체가 공존할 수가 있는데요. 일반적으로, 하나의 공정에 물(수용성 액체)과 기름(유기용매)이 섞여 있을 경우, 공정을 운용하는 장치의 효율을 떨어뜨릴 수 있을 뿐만 아니라 장치가 부식되거나 막히는 원인이 될 수도 있습니다. 따라서 특별한 경우가 아니라면 물 성분과 기름 성분을 분리해 공정을 진행하는 하는 편이 좋은데요. 그렇다면 두 성분을 어떻게 분리할 수 있을까요?
02
두 층으로 나뉜 기름과 물 분리하기
물과 기름을 분리하기 위해서 일반적으로 사용되는 장치는 무거운 물은 아래로 가라앉고 가벼운 기름은 위로 뜬다는 간단한 원리를 직접 이용하고 있습니다. 샐러드드레싱과 다른 점이라면, 이 장치의 왼쪽에서는 물과 기름이 섞인 혼합물이 계속 유입된다는 점입니다. 처음 유입된 혼합물은 오른쪽으로 흘러가면서 자연스럽게 두 개의 층으로 나누어지게 되고, 장치의 오른쪽 끝 하단에서 물 성분을, 오른쪽 끝 상단에서 기름 성분을 분리해 내면 됩니다.
03
의도적으로 물과 기름을 섞어, 다시 분리한다?
하지만 단순히 공정에 존재하는 물과 기름을 분리하는 것에서 더 나아가, 어떤 목적을 위하여 일부러 수용성 액체인 물과 유기용매인 기름, 두 액체를 섞어주는 경우도 있습니다.
이렇게 두 물질을 의도적으로 섞는 이유는, 한 가지 액체 안에 존재하는 물질을 추출하기 위한 목적인 경우가 많습니다. 가장 간단한 예로 원유 내 포함된 염분을 제거하기 위한 장치가 있는데요. 땅속에서 추출한 원유에는 기름 성분 외에도 각종 염분, 수분 등의 불순물들이 많이 포함되어 있습니다. 이러한 성분들을 제거하지 않고 바로 원유를 처리하는 공정을 진행하면, 염분에 의해 장치 부식이나 마모 등의 다양한 문제가 일어나게 됩니다.
그래서, 원유 처리 공정에 앞서 불순물을 제거하는 과정은 필수인데요. 바로, 기름에 물을 섞어 불순물을 없앨 수 있습니다. 염분 등은 기름보다 물에 훨씬 더 잘 녹기 때문에, 기름에 물을 잘 섞어주면 물에 녹아 나오게 됩니다. 이렇게 불순물이 녹은 물은 앞에서 이야기했던 것과 마찬가지로 자연스럽게 기름층과 분리되기 때문에, 이를 장치의 아래쪽에서 받아 내 제거해 주면 됩니다.
04
제 3의 물질로 두 종류의 액체 분리하기
앞선 공정에서는 기름 내의 불순물을 물을 이용해 제거하는 장치를 소개하였지만, 사실 섞이지 않는 두 종류의 액체와 두 액체 중 한 가지 액체에서만 훨씬 더 잘 녹는 물질이라는 조건만 성립한다면 이 같은 원리는 훨씬 더 다양한 경우에 응용할 수 있습니다.
예를 들어, 고순도의 아세트산을 생산해야 하는데, 아세트산이 물과 섞여 있어서 두 액체를 분리해야 하는 경우를 생각해 봅시다. 다양한 방법들이 있지만, 그중 한 가지 방법은 두 액체가 섞인 혼합물에 제3의 액체인 에틸 아세테이트(ethyl acetate)를 섞어주는 것입니다. 에틸 아세테이트는 마치 기름처럼, 물과 잘 섞이지 않는 액체인데요. 동시에, 물보다 아세트산을 더 잘 녹이는 특성이 있습니다. 이 때문에 세 액체를 ‘추출탑’이라는 장치에 넣어주면 에틸 아세테이트와 물은 층이 나뉘게 되고, 동시에 물속에 녹아있던 아세트산이 에틸 아세테이트로 녹아 나오게 됩니다.
최종적으로 탑의 위쪽에서 에틸 아세테이트와 아세트산의 혼합물이 나오면 다시 두 물질을 쉽게 분리하여 순수한 아세트산을 얻을 수 있습니다. ‘물에서 아세트산을 직접 분리하면 되는 거 아냐?’라고 생각하실 수 있는데요. 직접 분리하는 방식도 물론 가능하지만, 에틸 아세테이트라는 제3의 물질을 사용해 앞서 설명한 방식으로 아세트산을 얻을 경우 더 안전하고 에너지 비용을 절감할 수 있는 운전이 가능하답니다.
오늘은 물과 기름이 섞이지 않는 간단한 원리가 석유화학 공정에서 다양하게 응용되는 방식에 대해 알아보았습니다. 식탁 위에서 볼 수 있는 간단한 화학의 원리를 수십 미터 높이의 거대한 석유화학 장치에서도 그대로 볼 수 있다는 점이 재미있는 것 같습니다. 다음에도 더 흥미로운 석유화학과 과학 이야기로 돌아오겠습니다!
(글 : 한화토탈 공정연구팀 김정훈)
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