깨끗함의 비밀 비누의 과학

물과 기름은 섞이지 않는다. 그래서 기름때는 물로 헹궈지지 않는다. 비누는 이 둘을 중개한다.

양쪽 성질을 가진 분자

비누 분자는 긴 사슬 모양이다. 한쪽 끝에는 전하를 띤 머리가 있고, 반대쪽은 탄소와 수소로 이루어진 긴 꼬리다.

머리는 물과 잘 어울린다. 꼬리는 기름과 잘 어울리고 물을 피한다. 한 분자 안에 상반된 성질이 함께 있는 구조다.

물에 비누를 풀면 분자들이 꼬리를 안쪽으로, 머리를 바깥으로 향하게 모인다. 공 모양의 이 덩어리를 마이셀이라 한다. 꼬리들이 물을 피해 서로 모인 결과다.

기름때가 있으면 꼬리가 기름 쪽으로 향한다. 기름방울이 비누 분자에 둘러싸이고, 바깥에는 물과 잘 어울리는 머리만 남는다. 이 상태가 되면 물에 씻겨 나간다.

표면장력을 낮춘다

비누는 물의 표면장력도 낮춘다.

물 분자끼리는 서로 강하게 끌어당긴다. 그래서 물방울은 뭉치려 하고, 좁은 틈으로 잘 스며들지 않는다. 비누 분자가 표면에 늘어서면 이 결속이 약해진다.

표면장력이 낮아진 물은 천의 섬유 사이나 피부의 주름으로 잘 스며든다. 세정에서 이 효과도 적지 않은 몫을 한다.

만드는 법

비누는 기름과 강한 염기를 반응시켜 만든다. 이 반응을 비누화라 한다.

기름은 글리세롤에 지방산 세 개가 붙은 구조다. 염기가 이 결합을 끊으면 지방산의 염과 글리세롤이 생긴다. 이 지방산 염이 비누다.

어떤 기름을 쓰느냐에 따라 성질이 달라진다. 사슬이 짧은 지방산이 많으면 거품이 잘 나고, 긴 지방산이 많으면 단단한 비누가 된다.

합성세제와의 차이

비누는 센물에서 효과가 떨어진다. 물에 칼슘이나 마그네슘이 많으면 비누 분자와 결합해 물에 녹지 않는 덩어리를 만든다. 욕조에 남는 흰 자국이 이것이다.

합성세제는 이 문제를 줄이도록 설계된 계면활성제를 쓴다. 머리 부분의 화학 구조를 바꿔 칼슘과 결합해도 침전하지 않게 만든 것이다.

비누는 약한 염기성이고 합성세제는 중성으로 만들 수 있다는 차이도 있다.

바이러스에 작용하는 방식

일부 바이러스는 표면이 지질막으로 싸여 있다. 이 막은 기름 성분이므로 비누 분자의 꼬리가 파고들 수 있다.

막이 흐트러지면 바이러스 입자의 구조가 무너진다. 손 씻기가 권장되는 이유 가운데 하나다.

이 과정에는 시간이 필요하다. 비누를 묻히고 충분히 문지르라는 권고는 분자가 작용할 시간을 확보하기 위한 것이다. 물리적으로 문질러 떼어내는 효과도 함께 작용한다.

남는 문제

계면활성제는 하수로 흘러 들어간다. 분해되기 어려운 종류는 수생 생물에 영향을 줄 수 있다.

과거에 널리 쓰인 일부 성분은 분해가 느려 강에 거품을 남겼고, 이후 분해되기 쉬운 구조로 대체됐다. 세제에 들어가던 인산염은 수질 문제로 여러 나라에서 사용이 제한됐다.