친수성과 소수성

물과 친한 친구, 물을 피하는 친구

비 오는 날 방수 재킷을 입으면 빗방울이 스며들지 않고 동글동글하게 맺혀 또르르 굴러떨어져요. 반대로 면 티셔츠를 입고 비를 맞으면 옷감이 순식간에 물을 흠뻑 빨아들이며 축축하게 젖어 들죠.

면 섬유는 물과 잘 달라붙는 성질을 가지고 있어서 닿는 물방울을 넓게 퍼뜨리며 안으로 끌어당겨요. 반면에 방수 재킷 표면은 물을 꺼리는 소수성 표면으로 가공되어 있어서 물방울이 퍼지지 못하고 둥글게 뭉쳐 튕겨 나가요.

우리 일상 속 물질들은 물과 어떻게 반응하느냐에 따라 크게 두 편으로 갈려요. 유리창에 물이 얇게 퍼지는 현상이나 설탕이 물에 사르르 녹아드는 것, 연잎 위에서 이슬이 구슬처럼 굴러다니는 모습 모두 친수성과 소수성이 만들어내는 마법이에요.

자석 같은 극성의 비밀

물 분자는 산소 원자 하나와 수소 원자 둘이 결합한 구조인데, 산소 쪽은 음전하(-)를 띠고 수소 쪽은 양전하(+)를 띠는 아주 작은 자석과 같아요. 이렇게 분자 안에서 전하가 한쪽으로 치우쳐 있는 상태를 분자의 극성이라고 불러요.

자석의 다른 극끼리 찰칵 달라붙듯, 극성을 띤 다른 분자나 이온(전기를 띤 원자)은 물 분자와 강한 끌림을 느껴요. 물과 손을 잡는 친수성 물질들은 물 분자와 수소 결합(수소가 매개가 되는 강한 인력)을 이루며 자연스럽게 섞여요.

반면에 참기름이나 식용유 같은 기름은 전하가 골고루 퍼져 있는 무극성 물질이에요. 조금 더 정확히 말하면, 물이 기름을 억지로 밀어낸다기보다는 물 분자끼리 서로 끌어당기는 힘이 워낙 강해서 기름 분자가 그 사이에 끼어들 틈을 찾지 못하고 밖으로 쫓겨나는 것에 가까워요.

양손잡이 분자가 부리는 마술

삼겹살을 굽고 난 프라이팬은 찬물로 아무리 헹궈도 미끈거리는 기름때가 그대로 남아 있어요. 물과 기름은 서로 어울리지 않는 소수성 관계이기 때문이에요. 하지만 주방 세제를 단 한 방울만 떨어뜨리면 기름때가 마법처럼 씻겨 나가요.

비누나 세제 속에는 아주 특별한 분자가 들어 있어요. 머리 부분은 물을 좋아하는 친수성이고, 꼬리 부분은 기름과 친한 소수성을 띤 양손잡이 구조예요. 이런 물질을 계면활성제라고 불러요.

세제 분자들은 기름때를 만나면 소수성 꼬리로 기름을 둘러싸 안쪽으로 꽁꽁 가두고, 겉면은 물과 친한 친수성 머리로 둘러싼 둥근 공 모양을 만들어요. 이 캡슐 구조를 미셀(micelle)이라고 불러요. 겉모습이 친수성으로 포장되었기 때문에 기름때가 물속에 둥둥 뜬 채로 물길을 따라 깨끗하게 씻겨 나가는 원리예요.

놀랍게도 우리 몸의 모든 세포를 감싸고 있는 세포막도 이와 똑같은 원리로 작동해요. 친수성 머리와 소수성 꼬리를 가진 인지질 분자들이 이중으로 벽을 쌓아, 몸속 물 환경 속에서 세포 내부를 안전하게 지켜내고 있답니다.