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[화학] 고분자 화합물의 특성

KAIST 화학과를 졸업하고 포스텍에서 박사과정을 수료했다. 고려대 교육대학원에서 화학교육으로 석사과정을 수료한 뒤 현재 파인만학원 과학논술 팀장으로 일하고 있다. 파인만학원과 학림논술, 메가스터디에서 자연계 논·구술을 강의하고 있다.

중합 반응을 이해하고 고분자 화합물의 특성 차이가 어디에서 비롯되는지 알아봅시다.

Q_1
다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.

(가) 플라스틱은 석유나 천연가스에서 얻은 에틸렌, 프로필렌 등을 원료로 해 만든다. 플라스틱은 이들 작은 분자들이 결합해 생성된 고분자 화합물로 합성수지라고도 한다. 작은 분자들이 연속적으로 결합해 고분자 화합물을 만드는 반응을 중합 반응이라고 한다. 이때 작은 분자를 단위체라고 하고, 단위체가 결합돼 만들어진 고분자 화합물을 중합체라고 한다.

작은 분자인 단위체 분자가 계속적으로 첨가되면서 고분자를 생성하는 반응을 첨가 중합이라고 한다. 폴리에틸렌, 폴리염화비닐, 폴리스티렌 등은 첨가 중합으로 생성되는 대표적인 합성수지이다.

반면 단위체 분자들이 반응할 때 물과 같은 작은 분자가 떨어져 나와 고분자를 생성하는 반응을 축합 중합이라고 한다. 요소수지, 페놀수지 등은 축합 중합으로 생성되는 대표적인 합성수지이다.
-고등학교 화학I 교과서

(나) 나일론은 헥사메틸렌디아민과 아디프산의 축합 반응에 의해 만들어진다.


나일론의 중합 반응에서 연결 고리 역할을 하는 -CONH-를 펩티드 결합(아미드 결합)이라고 하며, 이와 같은 아미드 결합을 갖는 합성 섬유를 폴리아미드계 섬유라고 한다. 사용된 두 단위체가 갖고 있는 탄소의 숫자가 각각 6개씩이므로 그 이름을 6,6-나일론이라 부른다. 나일론은 질기고 내구성이 강해 옷감, 밧줄, 어망을 만드는 데 사용한다.

테레프탈산과 에틸렌글리콜을 축합 반응시키면 테릴렌이라는 합성 섬유가 생성된다. 테릴렌에는 에스테르 결합(-COO-)이 수없이 많이 결합돼 있는데 이와 같은 섬유를 폴리에스테르계 섬유라고 한다. 폴리에스테르는 열가소성으로 섬유, 필름, 엔지니어링 세라믹에 이용된다.

(다) 탄수화물과 단백질은 모두 천연 고분자 화합물이다. 단백질은 아미노산 분자들의 연속적인 펩티드 결합에 의해 긴 사슬 모양의 구조를 이루고 있다. 아미노산의 종류는 불과 20가지뿐이지만 그 종류나 배열순서가 달라지면 다른 종류의 단백질이 만들어진다.

탄수화물은 우리가 살아가는 데 가장 중요한 에너지원이다. 녹말과 셀룰로오스의 단위체인 포도당은 분자식이 C6H12O6으로 구조에 따라 α-포도당, 사슬모양의 포도당, β-포도당이 있다. 녹말의 단위체인 α-포도당은 1번과 4번 탄소에 붙은 -OH가 같은 방향을 향하기 때문에 포도당 분자간 축합 반응에 의해 생긴 -O- 결합이 같은 방향에 계속 생긴다. 반면 셀룰로오스의 단위체인 β-포도당은 1번과 4번 탄소에 붙은 -OH가 서로 반대 방향을 향하기 때문에 포도당 분자간 축합 반응에 의해 생긴 -O- 결합이 번갈아가며 다른 방향에서 계속 생긴다.

(라) 고무나무에 상처를 내면 수액이 흘러나오는데 이것을 라텍스라고 하며 라텍스에 아세트산을 가해 응고시킨 물질을 천연고무 또는 생고무라고 한다. 천연고무를 분해하면 이소프렌이 얻어지므로 천연고무는 이소프렌의 첨가중합체이다. 천연고무는 더운 날씨에 녹아서 끈적해지고 추운 날씨에는 부스러지며 탄성이 작다는 단점이 있어 잘 이용하지 않았다. 그러나 지금은 황을 첨가해 만든 가황고무가 개발돼 다양한 용도로 쓰인다.

합성고무는 이소프렌을 원료로 처음 합성된 이후 클로로프렌, 부타디엔 등을 이용해 천연고무와 비슷한 구조를 가지면서 더 우수한 성질을 가진 제품들이 개발되고 있다.

1-1) 나일론과 단백질은 펩티드 결합을 공통적으로 갖는 고분자이다. 나일론은 펩티드 결합 사이에 -(CH2)n- 사슬을 갖는다(6,6-나일론의 경우 n은 4개 또는 6개). 공업적으로 사용되는 나일론 베어링은 물의 흡수를 방지하기 위해 아주 긴 -(CH2)n- 사슬을 도입하는데 그 이유를 설명하라.

1-2) 나일론은 밧줄이나 어망에 쓰일 정도로 질긴 섬유이다. 이런 나일론의 성질이 나타나는 이유를 설명하라. 또 6,6-나일론에 나타나는 질긴 성질이 7,7-나일론에서는 작게 나타나는 이유를 그림을 그려 설명하라.

2) 제시문에 주어진 합성 고분자와 천연 고분자의 차이점은 무엇인지 단위체의 구조적인 관점에서 설명하라.

3) 두툼한 고무밴드나 고무장갑 등을 힘을 가해 순간적으로 잡아당긴 직후 온도를 측정하면 온도가 올라가며, 잡아당긴 상태를 유지하며 상온으로 식힌 뒤 다시 원래 상태로 되돌리면 온도가 내려간다. 이런 현상을 논리적으로 설명하라.

전문가 클리닉
이번 호 문제는 화학I 중 ‘생활 속의 화합물’ 단원에서 배우는 고분자와 관련된 문제입니다. 고분자는 분자량이 1만 이상 되는 탄소화합물을 일컫는 말로, 고분자 화합물 중에서 열과 압력을 가했을 때 쉽게 변형되는 물질을 플라스틱이라 합니다. 고분자를 형성하는 반응을 중합 반응이라 하는데 중합 반응은 일반적인 화학 반응과는 방법적인 면이나 반응의 수적인 면에서 차이가 있습니다. 1)번은 나일론의 구조를 이용해 그 특성을 논리적으로 설명하는 문제입니다. 2)번은 합성 고분자와 천연 고분자의 차이점을 중합 반응의 종류, 단위체의 구조로부터 분석하는 능력을 평가하는 문제이며, 3)번은 외부 힘에 의해 고무의 형태 변화가 일어날 때 열의 출입이 발생하는 이유를 열역학적인 측면으로 추론하는 문제입니다.

예시답안
1-1) 나일론의 펩티드 결합 부분은 물과 수소결합이 가능하므로 친수성 부분이며, 펩티드 결합 사이에 있는 -(CH2)n- 사슬은 탄소와 수소 사이의 전기음성도 차이가 거의 없으므로 무극성에 가까워 물과의 친화력이 작은 소수성 부분이다. 나일론 내의 -(CH2)n- 결합이 길어질수록 친수성 부분에 대한 소수성의 상대적 비율이 높아지며 물의 흡수, 즉 물과의 친화력이 감소한다.

1-2) 나일론은 펩티드 결합으로 연결된 사슬형의 고분자이다. 이런 사슬 내의 펩티드 결합은 수소결합을 형성할 수 있는 N-H 결합의 수소와 C=O의 산소를 모두 갖고 있다. 단백질에서는 펩티드 결합 간의 분자 내 수소결합으로 α-나선구조나 β-병풍구조를 형성하나, 나일론에서는 펩티드 결합 간의 분자 간 수소결합에 의해 훨씬 더 강한 분자 간의 인력을 형성한다. 따라서 외부의 힘에 대해 잘 끊어지지 않는 질긴 성질을 갖는다.

6, 6-나일론은 <그림 3>처럼 나일론 고분자 간에 수소결합이 적절한 위치에서 일어나고 있으나 7, 7-나일론은 구조적으로 분자 간 수소결합이 연속적으로 일어나지 못한다. 따라서 7,7-나일론은 6,6-나일론보다 질기지 않다.


2) 고분자를 만드는 방식에서 합성 고분자와 천연 고분자는 차이점을 갖는다. 단위체가 이중결합을 갖고 있으면 첨가 중합 방식으로, 단위체에 축합 중합을 할 수 있는 작용기를 갖고 있을 경우에는 축합 중합 방식으로 합성 고분자가 만들어진다. 반면 천연 고분자의 단위체는 첨가 중합 방식을 사용하지 않고 축합 중합의 방식으로만 천연 고분자를 합성한다.

합성 고분자나 천연 고분자를 축합 중합에 의해 합성하는 방식은 단위체가 갖는 작용기 간의 반응에 의해 물과 같이 작은 분자가 빠져 나오면서 결합하는 방식이라는 면에서는 공통점을 가진다. 히드록시기(-OH)와 카르복시기(-COOH) 간에 형성되는 에스테르 결합(-COO-), 아미노기(-NH2)와 카르복시기(-COOH)간에 형성되는 펩티드 결합(-CONH-), 히드록시기(-OH)와 히드록시기(-OH) 간에 형성되는 에테르 결합(-O-) 등을 중합 방식으로 이용한다. 그러나 천연 고분자의 경우에는 단위체 한 분자 내에 축합 반응을 할 수 있는 두 개의 작용기를 함께 갖고 있지만 합성 고분자는 한 단위체 안에 한 종류의 작용기를 가지므로 축합 중합을 위해 두 종류의 단위체가 필요하다. 단백질의 단위체인 아미노산은 한 아미노산 안에 아미노기와 카르복시기를 모두 갖지만 6,6-나일론의 경우에는 헥사메틸렌디아민과 아디프산 두 종류의 단위체가 필요하다. 따라서 두 종류의 단위체 1개씩 축합 반응에 의해 연결된 형태가 천연 고분자의 한 단위체와 같은 형태를 띠게 된다.

3) 고무밴드나 고무장갑을 구성하는 고분자인 고무는 분자 간의 배열이 규칙적으로 차곡차곡 쌓여 있는 형태를 갖고 있지 않다. 긴 사슬 형태의 고무는 사슬이 얽히고 무질서하게 배열돼 있다. 외부에서 고무에 힘을 주면 고무가 늘어나면서 고분자의 사슬이 펴지고 일정한 배열로 변한다. 무질서도가 감소하므로 그 차이만큼 열이 방출돼 고무의 온도가 상승한다. 반대로 늘어나 있던 고무를 다시 원래의 무질서한 배열로 되돌리면 그 차이만큼의 열이 흡수되면서 온도가 내려간다. 그러므로 고무 고분자의 경우에는 외부 온도가 올라가면 고무가 수축하고 온도가 내려가면 고무가 팽창한다.

글 : 이준호 porphy1970@paran.com

과학동아 2008년 11월호

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