용액을 거품으로 만드는 펌프 용기의 원리는?


 주제에서 말하는 게 뭔지 모르는 사람이 많을 것 같아서 짚고 넘어가도록 하겠습니다. 먼저 펌프 용기는 샴푸통이나 세제통을 떠올리면 됩니다. 머리(헤드) 부분을 눌러주면 펌프질이 되면서 안에 있는 용액이 나오는데, 이러한 용기를 펌프 용기라고 합니다.


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(다양한 곳에서 활용하는 펌프 용기)



 근데 펌프 용기 중에서 펌프질을 했을 때 용액이 거품이 돼서 나오는 게 있습니다. 이번 포스팅에서 알아보고자 하는 내용으로 용액이 어떻게 거품이 돼서 나왔을까요? 결론부터 말하면 펌프 용기에 그 비밀이 숨겨져 있습니다. 우선 의문을 해결하기 위해서 일반 펌프 용기의 원리를 알아보겠습니다.



 펌프 용기의 내부는 위의 그림과 같습니다. 헤드를 눌러주면 용기 내부의 부피가 줄어들고, 보일의 법칙에 따라서 내부 압력은 높아집니다. 압력이 높아지면 유입 밸브는 닫히고, 유출 밸브는 열립니다. 참고로 유입·유출 밸브는 조그마한 구슬이 기능을 하고 있습니다.

 

 그리고 헤드에서 손을 떼주면 스프링에 의해 펌프가 올라가면서 용기 내부의 부피가 커지고, 압력은 낮아집니다. 그러면 눌렀을 때와는 반대로 유입 밸브는 열리고, 유출 밸브는 닫힙니다. 이 과정에서 발생하는 압력 차이로 용기 안의 용액이 튜브를 타고 올라올 수 있고, 펌프질을 반복하면 헤드의 배출구를 통해 나올 수 있습니다.




 그렇다면 거품 펌프 용기는 뭘까요? 이해를 돕기 위해 일반 펌프 용기와 거품 펌프 용기를 구매해서 분해해봤습니다. 분해해서 봤을 때 우리가 딱히 볼 건 없고, 원리나 구조도 거의 비슷합니다. 다만, 차이점이 있다면 거품 펌프 용기는 내부에 공기가 잘 생길 수 있도록 하는 구멍이 있다는 겁니다.


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 근데 본질적으로 거품이 뭘까요? 화학용어사전을 참고해보면 액체의 엷은 막으로 둘러 싸인 기체 입자의 집단입니다. 거품은 주로 두 종류 이상의 물질이 고르게 섞인 액체 혼합물에서 잘 생기는데, 특히 계면활성제를 사용한 제품을 물과 함께 사용할 때 잘 생깁니다.


(계면활성제)



 계면활성제는 물과 친한 친수성과 물과 친하지 않은 소수성 부분이 함께 있는 화합물로 물의 표면장력을 약하게 하는 성질이 있습니다. 여기서 표면장력은 액체가 표면을 최소화하려는 힘을 말하고, 이러한 힘에 의해 물방울은 구체의 모양을 하고 있습니다.


(Wikimedia)


계면활성제가 들어있는 제품은 이런 표면장력을 약하게 합니다. 이때 공기가 주입되면 친수성 부분은 바깥을 향하면서 물과 붙어 있으려고 하고, 소수성 부분은 공기를 감쌉니다. 이렇게 해서 만들어지는 게 거품입니다.



 앞서 봤던 거품 펌프 용기에서 내부에 공기가 잘 생길 수 있도록 하는 구멍이 있는 이유를 이해했을 텐데, 무수한 거품을 만들어내서 외부로 배출하면 하얀 거품으로 나옵니다. 왜냐하면, 무수한 거품에 빛이 산란하면서 난반사를 하고, 빛이 합쳐지면 흰색이 되기 때문입니다.


(용액→거품)



 그렇다면 거품 펌프 용기와 계면활성제, , 공기만 있으면 용액으로 거품을 만들 수 있을까요? 그렇습니다. 물과 세제를 3:1로 섞은 후에 거품 펌프 용기에 담아서 펌프질해보면 용액이 거품이 돼서 나옵니다.


(쉐이킹)


 또한, 굳이 펌프 용기를 사용하지 않더라도 흔들어줬을 때 계면활성제, , 공기가 섞이면서 거품을 만들 수 있고, 만들어 보면 위와 같습니다. 궁금증이 해결되셨나요?

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