나뭇잎 교과서

중합 반응과 고분자

비닐봉지, 페트병, 나일론 스타킹은 모두 작은 분자 수천 개가 사슬처럼 이어진 고분자입니다. 단위체를 어떻게 잇느냐에 따라 전혀 다른 성질의 물질이 태어납니다.

본문

중합 반응과 고분자

본문

에틸렌(C₂H₄)은 −104 °C에서 끓는 기체이다. 그런데 에틸렌 분자 수천 개를 사슬처럼 이으면 질기고 늘어나는 비닐봉지가 된다. 같은 원자로 되어 있는데 분자를 길게 잇기만 하면 왜 기체가 질긴 고체로 바뀔까? 그리고 나일론이나 페트병은 어떤 방식으로 작은 분자를 이어 만들까?

그림 1. 에틸렌을 몇 개 이었는지(중합도)에 따른 폴리에틸렌의 분자량과 사슬 길이. 사슬이 길어질수록 분자 사이의 분산력이 커지고 사슬이 서로 엉켜, 기름에서 왁스, 질긴 플라스틱으로 바뀐다.
먼저 알아야 할 것작용기의 반응과 에스터화(작용기의 변화와 반응), 단백질과 DNA의 연결(통합과학), 분산력(물질과 에너지).

3.3.1첨가 중합

작은 분자(단위체)가 수백에서 수만 개 이어져 만든 거대한 분자를 고분자, 이어지는 반응을 중합 반응이라 한다. 에틸렌처럼 탄소 사이에 이중 결합이 있는 단위체는 이중 결합 하나가 열리면서 이웃 단위체와 단일 결합으로 이어진다. 이렇게 빠져나가는 원자 없이 단위체가 그대로 더해지는 것을 첨가 중합이라 한다.

정의 3.3.1 첨가 중합과 축합 중합

첨가 중합은 이중 결합이 열리며 단위체가 그대로 이어지는 반응이다(폴리에틸렌, 폴리염화 비닐). 축합 중합은 두 작용기가 반응하며 물 같은 작은 분자가 빠져나가고 이어지는 반응이다(나일론, 폴리에스터).

그림 1에서 중합도를 바꾸어 보자. 수십 개를 이으면 기름이나 왁스처럼 무르고, 천 개를 넘으면 질긴 플라스틱이 된다. 사슬이 길수록 분자 사이의 분산력이 커지고, 긴 사슬이 실타래처럼 엉켜 쉽게 미끄러지지 않기 때문이다.

3.3.2축합 중합

양 끝에 작용기가 있는 단위체는 끝과 끝이 반응하며 이어진다. 테레프탈산(양 끝에 −COOH)과 에틸렌글리콜(양 끝에 −OH)이 에스터화를 되풀이하면, 물이 빠지며 에스터 결합으로 이어진 폴리에스터(PET)가 된다. 다이카복실산과 다이아민이 이어지면 아마이드 결합(−CONH−)으로 연결된 나일론이 된다. 단백질도 아미노산이 같은 아마이드 결합(펩타이드 결합)으로 이어진 고분자이다.1

첨가 중합n CH₂=CH₂ → (−CH₂−CH₂−)ₙ빠지는 것 없음 축합 중합HOOC−R−COOH + HO−R′−OH → 에스터 결합물이 빠짐 생명의 고분자아미노산 → 단백질 (펩타이드 결합)물이 빠짐
그림 2. 첨가 중합은 단위체가 그대로 더해지고, 축합 중합은 작은 분자가 빠지며 이어진다.

3.3.3예제 풀이

예제 3.3.2

분자량이 280 000인 폴리에틸렌 분자는 에틸렌 몇 개가 이어진 것인가? 사슬 방향으로 에틸렌 단위 하나의 길이를 0.25 nm로 하면 사슬을 곧게 폈을 때 길이는 얼마인가? 또 이 폴리에틸렌 14 g을 만드는 데 에틸렌 기체가 0 °C, 1 atm에서 몇 L 필요한가?

에틸렌 C₂H₄의 분자량은 28이고, 첨가 중합은 빠지는 원자가 없으므로 중합도는 \(\dfrac{280\,000}{28} = 10\,000\)이다. 곧게 편 길이는 \(10\,000 \times 0.25 = 2500\) nm, 곧 2.5 μm이다. 굵기는 0.5 nm도 안 되니, 길이가 굵기의 5000배가 넘는 가는 실이다.

폴리에틸렌 14 g에는 에틸렌 단위가 \(\dfrac{14}{28} = 0.50\) mol 들어 있으므로 에틸렌 0.50 mol, 곧 \(0.50 \times 22.4 = 11.2\) L가 필요하다. 기체 11 L가 손바닥만 한 비닐 몇 장으로 바뀐다. 그런데 이렇게 튼튼한 사슬은 자연에서 잘 분해되지 않아 수백 년 동안 남는다. 그래서 플라스틱의 재활용과 분해되는 고분자의 개발이 중요한 과제가 되었다.

아래 탐구 카드에서 작은 분자를 이어 비닐과 나일론을 만드는 과정과, 단백질과 DNA가 단위를 이어 붙이는 방식을 비교해 보자.

  1. 나일론은 1935년 캐러더스가 처음 만들었다. 비단보다 질기고 값이 싸 스타킹과 낙하산에 쓰이며 '석탄과 물과 공기로 만든 실'이라는 광고로 유명해졌다.
마무리

단위체가 수천 개 이어진 고분자는 이중 결합이 열리며 그대로 더해지는 첨가 중합이나, 작용기끼리 반응하며 물 같은 작은 분자가 빠지는 축합 중합으로 만든다. 그래서 처음 질문의 에틸렌은 수천 개가 이어져 사슬이 길어지면 분산력이 커지고 사슬이 엉켜, 기체에서 질긴 비닐봉지로 바뀐다.

탐구 1

단백질과 DNA는 작은 단위를 어떻게 이어 붙일까?

아미노산 · 뉴클레오타이드 · 서열의 다양성
만들 것
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가능한 서열 수
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단백질을 이루는 아미노산은 20종이며, 여기서는 그 가운데 6종만 버튼으로 두었다. 사슬의 모양은 모식이고, 실제 단백질은 접혀서 입체 구조를 이룬다. 최대 12개까지 이을 수 있다.

  1. 질문사람 몸에는 수만 종류의 단백질이 있다. 그런데 단백질을 이루는 아미노산은 20종뿐이다. 적은 종류의 단위로 어떻게 그렇게 많은 물질을 만들까?
  2. 복원탄소는 결합을 4개 만들 수 있어 다른 원자와 사슬, 고리 모양으로 길게 이어진다. 그래서 생명체의 큰 분자는 대부분 작은 단위체가 반복해서 이어진 중합체이다.
  3. 설명아미노산은 한쪽 끝의 카복실기(−COOH)와 다음 아미노산의 아미노기(−NH₂)가 만나 물 한 분자가 빠지며 펩타이드 결합으로 이어진다. 한편 DNA는 당, 인산, 염기로 된 뉴클레오타이드가 당과 인산을 번갈아 이어 긴 가닥을 이루고, 두 가닥의 염기가 A와 T, G와 C로 짝지어 수소 결합한다.
  4. 연결단위 n개를 이으면 결합은 n − 1개이다. 그런데 서열의 가짓수는 단위 종류의 n제곱이라, 아미노산 10개짜리 사슬만 해도 20¹⁰ ≈ 10조 가지이다. 그래서 무엇이 어떤 순서로 이어졌는가가 단백질의 모양과 기능을, DNA에서는 유전 정보를 정한다.
  5. 적용아미노산을 몇 개 이어 보고 빠져나온 물 분자가 결합 수와 같은지 세어 보자. DNA로 바꿔서 한 가닥을 만들면 맞은편 가닥은 짝짓기 규칙으로 저절로 정해진다. A와 T의 개수, G와 C의 개수도 비교해 보자.
  6. 판단규산염 광물과 생명체의 분자는 ‘단위체를 규칙적으로 잇는다’는 점에서는 닮았지만 다른 점도 있다. 광물은 같은 단위가 규칙적으로 반복되어 구조가 정해지고, 단백질과 DNA는 단위의 순서 자체가 정보가 된다. 또 DNA의 A = T, G = C는 두 가닥을 합쳐 셀 때 성립하고, 한 가닥만 보면 성립하지 않는다.

확인조건이 달라지면

아미노산 100개가 한 줄로 이어진 단백질이 만들어질 때 빠져나오는 물 분자의 수는?

탐구 2

작은 분자를 이으면 어떻게 비닐과 나일론이 될까?

첨가 중합과 축합 중합
단위체 → 반복 단위
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중합 방식 · 빠져나오는 분자
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고분자 한 분자의 분자량 (대략)
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쓰임
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실제 고분자는 사슬마다 길이가 달라 분자량이 평균값으로 나타난다. 그림에는 처음 몇 개의 반복 단위만 그렸다.

  1. 질문에틸렌(C₂H₄)은 끓는점이 −104 °C인 기체이다. 그런데 이 분자 수천 개를 이으면 질기고 유연한 비닐봉지가 된다. 분자가 어떻게 이어지고, 이어지면 왜 성질이 이렇게 달라질까?
  2. 복원이중 결합에는 다른 원자가 붙는 첨가 반응이 일어나고, 카복실산과 알코올은 물을 내놓으며 에스터로 이어진다(에스터화). 녹말과 단백질도 작은 단위가 이어진 고분자이다(통합과학).
  3. 설명작은 분자(단위체)가 수백~수만 개 이어져 만들어진 거대 분자를 고분자라 한다. 이중 결합이 열리며 단위체가 그대로 이어지는 것을 첨가 중합이라 하고(폴리에틸렌, PVC, 폴리스타이렌), 작용기 두 개를 가진 단위체들이 물 같은 작은 분자를 내놓으며 이어지는 것을 축합 중합이라 한다(나일론은 아마이드 결합, PET는 에스터 결합). 사슬이 길어지면 분자 사이의 인력이 매우 커지므로 기체나 액체였던 물질이 튼튼한 고체가 된다.
  4. 연결단위체의 곁가지는 성질을 바꾼다. Cl이 붙은 PVC는 불에 잘 타지 않고 단단해 수도관으로 쓰이고, 벤젠 고리가 붙은 폴리스타이렌은 투명하고 딱딱하거나 부풀려 스티로폼이 된다. 나일론의 아마이드 결합은 사슬 사이에 수소 결합을 만들어 질긴 섬유가 된다. 1935년 캐러더스가 만든 나일론은 ‘석탄과 물과 공기로 만든, 거미줄보다 가늘고 강철보다 강한 섬유’로 광고되었다.
  5. 적용다섯 고분자를 첨가 중합과 축합 중합으로 나누어 보자. 나일론 6,6에서 반복 단위 1000개가 생기는 동안 물 분자는 몇 개 빠져나올까? n을 10에서 10000으로 늘리면 분자량은 어떻게 될까?
  6. 판단합성 고분자의 튼튼함은 장점이자 문제이다. 자연에서 잘 분해되지 않아 수백 년 동안 남고, 잘게 부서진 미세 플라스틱이 바다와 생물 몸속에 쌓인다. 그래서 축합 중합체(PET 등)를 가수 분해로 단위체로 되돌리는 화학적 재활용이 연구되고 있으며, 이는 다음 읽기에서 다룬다.

확인조건이 달라지면

다음 중 단위체 한 종류만으로 축합 중합을 하려면 그 단위체가 가져야 할 조건은?

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