학문
밤하늘의오로라
로션은 어떻게 물과 기름을 동시에 품고 있을까요?
안녕하세요. 피부 보습을 위해 바르는 로션은 물과 기름이 섞인 유화액 상태인데요 이때 서로 섞이지 않는 두 액체가 장기간 안정하게 존재하는 이유는 무엇인지 계면장력 감소와 유화제의 역할을 열역학적으로 어떻게 설명할 수 있을까요?
3개의 답변이 있어요!
안녕하세요.
로션이 물과 기름이라는 본질적으로 섞이지 않는 두 상을 장기간 하나의 균일한 제형으로 유지할 수 있는 이유는 계면장력 감소와 자유에너지 변화라는 열역학적 조건을 인위적으로 유리하게 만들어 놓았기 때문입니다.
우선 물과 기름이 자연 상태에서 분리되는 이유는 열역학적으로 계면 자유에너지가 크기 때문인데요 물 분자는 극성을 가지며 수소결합 네트워크를 이루는 반면, 기름 분자는 비극성이어서 물과 상호작용하지 못합니다. 이로 인해 두 상이 맞닿는 계면에서는 분자들이 불안정한 배치를 취하게 되고, 그 결과 계면당 에너지, 즉 계면장력이 커집니다.
여기서 로션의 핵심 성분인 유화제는 한 분자 안에 친수성 머리와 소수성 꼬리를 동시에 가지고 있어, 물–기름 계면에 선택적으로 흡착되며 이때 소수성 부분은 기름 쪽을, 친수성 부분은 물 쪽을 향해 배열되며, 결과적으로 물과 기름이 직접 맞닿는 것을 차단합니다. 열역학적으로 보면 이는 계면의 분자 배열을 안정화시켜 계면장력 자체를 크게 낮추는 효과를 가집니다. 또 하나 중요한 요소는 엔트로피 변화인데요 유화가 진행되면 기름이 미세한 액적으로 분산되면서 계의 미시적 상태 수가 증가하고, 이는 ΔS 증가로 이어집니다. 유화제가 없는 경우에는 계면 자유에너지 증가가 너무 커서 이 엔트로피 이득을 압도하지만, 유화제가 계면장력을 낮춰 주면 TΔS 항이 상대적으로 의미 있는 기여를 하게 되어 전체 ΔG가 크게 증가하지 않거나 경우에 따라서는 거의 변화가 없는 상태가 됩니다. 이 때문에 로션은 완전히 자발적으로 안정한 단일 상은 아니더라도, 분리로 가는 열역학적 구동력이 매우 약한 상태가 되는 것입니다.
다만 중요한 점은, 대부분의 로션이 열역학적으로 절대 안정한 상태라기보다는 동역학적으로 안정한 상태라는 것인데요 즉, 장기적으로 보면 분리되는 것이 자유에너지 최소 상태일 수 있지만, 유화제가 계면에 치밀한 막을 형성하고, 점증제와 고분자 성분들이 액적의 이동과 충돌을 억제함으로써 액적 합체를 매우 느리게 만듭니다. 이로 인해 실사용 기간 동안에는 상분리가 거의 일어나지 않는 것처럼 보이게 됩니다. 감사합니다.
채택된 답변안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.
로션은 알고 계신데로 기름과 물이 섞인 에멀전 상태 입니다. 실제로 섞일 수 없는 두가지 물질이 계면활성제와 같은 유화제를 사용하여 강제로 섞어서 만들어지게 됩니다.
실제로 유화제는 이중구조 인데 친수성, 친유성을 동시에 가지고 있습니다. 그래서 물과 기름의 계면에 위치하여 기름과 물이 반발하지 않도록 서로 잘 섞게 됩니다.
이는 열역학적으로 보았을 때 무질서도가 안정으로 나아가는 과정입니다. 물과 기름을 서로 섞이지 않기에 섞어 놓아도 시간이 지나면 서로 분리가 되는 방향으로 진행이 됩니다. 하지만 유화제에 의해 언젠가는 분리가 되겠지만 이 분리과정을 최대한 늦춰놓은 상태 입니다.
그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다~! 더 궁금한게 있으시면 언제든지 문의 주십시요:)
안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
로션이 물과 기름을 동시에 품고 안정적으로 존재할 수 있는 이유는 유화제의 계면활성 작용과 그로 인한 열역학적 안정화 때문입니다.
물은 극성 분자이고 기름은 비극성 분자라서 서로 잘 섞이지 않으며, 두 액체가 접촉하면 계면에서 높은 계면장력이 발생합니다. 이때 자연스러운 경향은 물과 기름이 분리되어 각각의 상을 이루는 것입니다. 그러나 로션 속에는 유화제가 존재합니다. 유화제는 한쪽은 친수성, 다른 한쪽은 친유성 구조를 가진 분자로, 물과 기름의 경계면에 배열됩니다. 이렇게 계면에 자리 잡은 유화제는 계면장력을 크게 낮추어 두 액체가 분리되려는 자유에너지를 줄여줍니다.
열역학적으로 보면, 유화제가 없는 경우에는 물과 기름이 분리된 상태가 더 안정적이지만, 유화제가 계면에 존재하면 분산된 상태의 자유에너지가 낮아져 상대적으로 안정성을 갖게 됩니다. 또한 유화제가 전하를 띠거나 고분자 사슬을 형성하면, 기름방울 사이에 정전기적 반발력이나 입체적 장벽이 생겨 서로 뭉치지 못하게 하여 장기간 안정성을 유지할 수 있습니다.
따라서 로션은 본래 섞이지 않는 물과 기름을 유화제가 계면에서 안정화시켜, 계면장력을 줄이고 자유에너지를 낮춤으로써 균질한 유화액 상태로 존재하는 것입니다. 이 덕분에 피부에 발랐을 때 부드럽고 촉촉한 질감을 오래 유지할 수 있습니다.