콜로이드 (친수성 vs 소수성)

오늘 적어보고 싶은 것은 콜로이드이다. 단순하게 콜로이드라고 하면 매우 작은 물질 정도로 다들 알고 있는데 매번 그랬듯이 일단 네이버에 검색부터 해보았다.

 

콜로이드 [ colloid음성듣기 ] 요약 보통의 분자나 이온보다 크고 지름이 1nm~1000nm 정도의 미립자가 기체 또는 액체 중에 분산된 상태를 콜로이드 상태라고, 콜로이드 상태로 되어 있는 전체를 콜로이드라고 한다. 생물체를 구성하고 있는 물질의 대부분이 콜로이드이다. 교질(膠質)이라고도 한다. 콜로이드라는 명칭은 19세기 중엽에 영국의 그레이엄에 의해 처음 사용되었다. 그는 확산에 대해 연구하던 중, 물질은 물에 잘 녹아 물속에 확산하기 쉬운 것과 물에 잘 녹지 않아 확산하기 어려운 것이 있다는 것을 알았다. 전자는 보통 볼 수 있는 소금과 같은 결정성(結晶性) 물질들이고, 후자는 젤라틴과 같은 비결정성 물질들이다. 그래서 전자와 같은 것을 정질(晶質), 후자와 같은 것을 콜로이드라고 분류하게 되었다. 자연계에는 콜로이드의 예가 많으며, 특히 생물체를 구성하고 있는 물질의 대부분이 콜로이드 상태로 존재하며 복잡한 기능을 나타내고 있다. 이와 같이 콜로이드의 중요성은 매우 크고 콜로이드에 관한 과학은 최근 급속히 발전하고 있다. 분산질과 분산매 콜로이드입자가 분산하고 있는 것을 분산질, 그것을 둘러싸고 있는 것을 분산매라고 한다. 콜로이드에는 여러 종류가 있으나 분산질과 분산매의 종류에 따라 나누어진다. 또한 일반적으로 액체 중에 액체가 분산해 있는 것을 에멀션(乳濁液), 액체 중에 고체가 분산해 있는 것을 서스펜션(懸濁液)이라 하며, 어느 경우나 분산해 있는 입자가 콜로이드 차원이면 콜로이드라고 할 수 있고, 전자를 에멀션 콜로이드, 후자를 서스펜션 콜로이드라고 한다. 또 분산질의 집합상태에 따라 다음 세 가지로 분류할 수도 있다. ① 분자 콜로이드:단백질이나 고무와 같은 고분자가 분산질이 되기 때문에, 용액이지만 분자의 크기가 콜로이드 차원이 되어 있어 콜로이드의 성질을 띠게 되는 것, ② 미셀 콜로이드(會合 콜로이드):비누나 염료(染料) 같은 것에서 볼 수 있는 것같이 용액 중에서 분자 또는 이온이 많이 모여 회합한 상태로 콜로이드의 성질을 나타내는 것, ③ 입자 콜로이드:단순히 고체 미립자가 콜로이드 차원이 되어 분산하고 있는 것 등이 있다. 분산질의 성질에 따라 다음 두 가지로 분류하는 경우도 있다. ① 친수(親水) 콜로이드:분산질이 녹말 ·단백질처럼 물에 대해 친화성(親和性)인 것(분산매가 물 이외의 액체로서 그 액체에 대해 친화성이 있으면 親液콜로이드라고 한다), ② 소수(疎水) 콜로이드:분산질이 금속 가루와 같이 물에 대해 친화성을 갖지 않는 것(분산매가 물 이외의 액체로서 이에 대해 친화성을 갖지 않으면 疎液콜로이드라고 한다) 등이 있다.  콜로이드 입자는 지름(직경)이 수 nm(나노미터)에서 수㎛(마이크로미터)의 구상입자(球狀粒子)로 되어 있을 때가 일반적으로 안정하다고 하지만, 긴 사슬 모양 분자의 화합물에서는 그 표현이 적합하지 않은 경우가 있다. 따라서, 입자의 크기보다는 입자에 들어 있는 원자의 수에 따라 정의를 내려야 한다는 견해도 있어 1,000∼10억 개의 원자를 포함하는 경우를 콜로이드 입자라고 정의하기도 한다.  성질 콜로이드 용액에 강한 빛을 쬐어 측면에서 보면 빛의 통로가 밝게 나타난다. 이것을 틴들 현상이라고 하며, 콜로이드 용액의 특유한 성질이다. 또한 콜로이드 입자가 용매분자나 다른 분자와 충돌하여 불규칙적으로 돌아다니는 운동을 브라운 운동이라고 하며, 이 운동은 입자가 작을수록 격렬하게 된다. 콜로이드 입자는 일반적으로 대전(帶電)하고 있다. 예를 들면, 금의 콜로이드 같은 것은 음전기를, 구리의 콜로이드 같은 것은 양전기를 띤다. 콜로이드 용액이 안정하게 존재하고 있는 것은 콜로이드 입자가 같은 종류의 전기를 띠고 있어 서로 반발하고 있기 때문이다. 따라서, 콜로이드 용액에 전극(電極)을 넣어 직류를 통하게 하면 양전기를 띤 콜로이드 입자는 음극으로, 음전기를 띤 콜로이드 입자는 양극을 향해서 이동한다. 이 현상을 전기이동이라고 한다. 이와 같이 콜로이드 입자의 전하를 중화할 수 있는 반대부호를 갖는 이온을 함유하는 전해질을 가하면, 그 이온은 콜로이드 입자에 흡착되어 전기를 중화하게 되고 입자가 크게 되어 침전한다. 이와 같은 현상을 응석(凝析)이라고 한다. 친수 콜로이드에서는 입자가 물의 얇은 막으로 덮여 있기 때문에 소량의 전해질을 가하면 전해질이 물 분자를 끌어들이므로 콜로이드 입자에 덮인 수막(水膜)이 소실하여 침전하게 된다. 이 현상을 염석(鹽析)이라고 한다. 또한 소수 콜로이드에 친수 콜로이드를 가하면, 일반적으로 응석하기 어렵게 되어 버린다. 이와 같은 작용을 하는 콜로이드를 보호 콜로이드라고 한다. 예를 들면, 먹물에서는 탄소입자를 아교질이 보호하는 상태의 콜로이드가 되어 탄소입자를 물속에 분산시킨다. 콜로이드 용액을 정제(精製)하는 데는 방광막(膀胱膜) ·셀로판막 등과 같은 반투막(半透膜)이 사용된다. 반투막은 분자나 이온 따위는 자유로이 통과시키나 콜로이드 입자는 통과시키지 못한다. 따라서, 콜로이드 용액은 반투막을 지나서 밖으로 빠져나오지만 콜로이드입자는 그 안에 남게 되어 콜로이드 용액을 정제할 수 있게 한다. 이 방법을 투석(透析)이라고 한다. 콜로이드 용액과 진짜 용액이 다른 점은 투석되는지 그렇지 않은지에 있다. [네이버 지식백과] 콜로이드 [colloid] (두산백과)

 

사실 위의 콜로이드 검색결과를 보고 놀란게... 위의 설명만 다 읽고 이해하면 수질환경기사 시험에 나오는 콜로이드에 관련된 문제는 다 맞출 수 있다. 그렇다 역시 백과사전이란 참 좋은 것... 그래도 조금씩 개념이 다르거나 좀더 눈에 보기 쉽게 정리해두어 나의 미래를 기약하려는 의미에서 쓰는 포스팅이므로(구구절절 이유없는 무덤은 없지) 한번더 정리해본다.

 

용액 중 보통의 분자나 이온보다 크고 지름이 1nm~100nm(0.001~0.1㎛) 정도의 미립자가 액체중에 응집하거나 침전하지 않고 분산된 상태를 콜로이드 상태라고 수질환경기사 책에 나온다. 위의 두산백과에서는 지름이 1nm~1000nm 정도의 미립자가 기체 또는 액체 중에 분산된 상태를 콜로이드 상태라고 한다. 같은 네이버 지식사전에 있는 화학대사전에서는  10^－5~10^－7Cm 지름의 입자가 분산 상태가 안정되는 것이므로, 이 크기를 콜로이드 차원이라 고 나온다. 네이버 지식백과에 있는 내용들을 더 적어 보면 도금기술 용어사전에는 0.001~1㎛정도, 해양과학용어사전에는 점토보다 작은 크기의 입자물질(<0.00024mm), 금속용어사전에서는 대략 0.1μ 이하, 0.001μ 이상, 약과 먹거리로 쓰이는 우리나라 자원식물에는 0.002mm 이하의 미세한 알갱이 등등 거의 모든 사전에서 그 기준이 다르다. 일전에 한번 다룬 적 있는 ... 없다! 내가 이걸 왜 안다뤘지.... 다른 포스트에 포함되었을까... 아니 일단 다시 멘탈을 잡고 본론으로 돌아와서 모래와 자갈의 크기 기준은 지질학에서와 토목, 농업에서 모두 2mm를 기준으로 하고 있다. 그러나 모래와 진흙(mud)의 크기 기준은 모두 제각각이다.(포스팅을 한 적이 없다는데서 멘붕이 와버렸지만 다음에 기회가 되면 사이즈 기준도 간단하게 올리는 걸로....) 이는 각 학문에서 정의하는 기준이 다르기 때문인데 마찬가지로 콜로이드의 크기에 대한 정의도 각 학문에서 정의하기 나름이기 때문에 각 사전별로 제각각일 수 밖에 없다. 그렇다면 당연히 우리는 책을 따라가야 수질환경기사 시험에 나오는 기준을 따라갈 수 있다. 길게 적었지만 결국 콜로이드의 기준은 지름이 1nm~100nm(0.001~0.1㎛)라고 생각해야 한다.

 

기본적으로 수질환경기사 시험에 관해 정리를 하는 것이므로 시험에 출제가 가능한 친수성 콜로이드와 소수성 콜로이드로 나누는 것이 중요하다. 각 콜로이드의 특징을 표로 정리하면 아래와 같다.

 

종류	친수성 콜로이드	소수성 콜로이드
특징	물과 친화성이 강함 녹아서 작아진 콜로이드 녹말, 단백질 등 틴들효과 전무 제거를 위해 다량의 염 소요 (강하게 수화되어 있기 때문) 유탁상태(에멀젼 상태) 표면장력이 용매보다 작고 점도는 용매보다 크다	물과 친화성이 약함 깨져서 작아진 콜로이드 금속가루 등 틴들효과 강함 소량의 염으로 제거 가능 (수화강도 약함) 현탁상태(서스펜션 상태) 표면장력과 점도가 용매와 비슷함.

 

위의 표는 책에 나오는 특징과 더불어 알고보면 좀더 이해하기 쉬운 특징들을 추가로 적어보았다. 위에 나오는 틴들효과란 영국의 물리학자 존 틴들(John Tydall)에 의해 발견된 현상이다. 빛을 산란시켜 빛의 통로가 생기는 현상으로 이를 통해 빛의 진행방향을 알 수 있다. 에멀젼 상태에서 100nm이상의 크기를 가져야 빛의 산란을 확인 할 수 있으므로 콜로이드 상태에서는 에멀젼 상태(친수성 콜로이드)이면 틴들효과를 발견할 수 없고, 서스펜션 상태인 소수성 콜로이드에서 틴들효과를 확인할 수 있다.

 

추가적으로 콜로이드가 응집하거나 침전하지 않고 콜로이드 상태를 유지하기 위한 힘으로 각 입자들이 가지는 +,- 이온들로 인해 서로 반발하는 성질을 제타전위라고 한다. 이 제타전위는 입자와 용액부의 전하량 차, 전하량 차가 유효한 입자를 둘러싼 층의 두께, 매질의 유전상수를 통해 식으로 나타낼 수 있으며 이는 다음과 같다.

 

       x = 4pAB / D 

x:제타전위, A:전하량의 차, B:층의 두께,  D:유전상수

책에는 따로 나오지 않지만 이 식은 Smoluchowski의 식이라고 하는 것같다. 다른 식도 있는 걸 보면 경험식인가 싶은데 여튼 식하나정도 알고 있으면 나중에 시험칠 때 편하므로 알고 있는 걸로.... 그럼 갑작스럽지만 여기까지. (나중에 기회닿으면 제타전위에 대한 것만 정리해보는 것도 괜찮을 듯해 보인다.)