계면활성제가 수증기가 거울 표면에 응결될 때 둥근 물방울이 되지 못하게 표면 장력을 낮추어, 얇은 수막을 형성하게 만드는 원리는 무엇인가요?

Question

샤워 전 화장실 거울에 마른 비누를 칠하고 닦아두면 김이 서리지 않습니다. 계면활성제가 수증기가 거울 표면에 응결될 때 둥근 물방울이 되지 못하게 표면 장력을 낮추어, 얇은 수막을 형성하게 만드는 원리는 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

비누를 거울에 문지른 뒤 천으로 닦아내면, 눈에 보이지 않는 매우 얇은 계면활성제 분자층이 거울 표면에 남습니다. 계면활성제 분자는 물과 친한 친수성 머리와 기름과 친한 소수성 꼬리를 동시에 가지고 있으며, ​거울 표면에서 소수성 꼬리는 거울 쪽을 향하고, 극성을 띤 친수성 머리는 공기 쪽을 향해 정렬됩니다.

샤워할 때 발생하는 뜨거운 수증기가 거울 표면에 닿아 냉각되면 물 분자끼리 뭉치려는 성질이 작동하는데, 거울 표면에 배열된 친수성 머리 부분이 응결되는 물 분자와 강한 수소 결합 및 이온-쌍극자 상호작용을 일으킵니다. ​이 상호작용이 물 분자 간의 응집력을 방해하여 물의 높은 고유 표면장력을 떨어뜨려 거울 표면과 물방울 사이의 접촉각이 0도에 가깝게 감소합니다.

비누를 바르지 않은 상태에서는 물의 높은 표면장력 때문에 수억 개의 미세한 볼록거울 모양 물방울이 생성됩니다. 이 물방울들이 입사하는 빛을 온 방향으로 흩뿌리는 난반사를 일으켜 거울이 하얗고 불투명하게 보입니다. 비누를 바른 상태에서는 표면장력이 낮아진 물 분자들은 구형을 유지하지 못하고 거울 전체로 평평하게 퍼져 나갑니다. 미세 물방울들이 서로 합쳐지면서 얇고 고른 연속 수막을 이루고 평평한 수막은 빛을 산란시키지 않고 그대로 투과 및 정반사시키므로 김이 서리지 않고 거울이 선명하게 보입니다.