플라스틱이 잘 분해되지 않는 이유를 거대 분자의 화학적 결합 안정성 관점에서 설명해 주세요.

Question

플라스틱은 가볍고 단단하며 가공이 쉽다는 장점이 있지만, 자연 상태에서 잘 분해되지 않는다는 치명적인 단점이 있습니다. 플라스틱이 잘 분해되지 않는 이유를 거대 분자의 화학적 결합 안정성 관점에서 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

플라스틱이 자연 상태에서 잘 분해되지 않는 이유는 그 분자 구조가 매우 안정적이기 때문입니다. 플라스틱은 수많은 작은 단위인 모노머가 공유 결합으로 길게 연결된 거대 분자, 즉 고분자 물질입니다. 이 고분자의 기본 골격은 주로 탄소-탄소(C–C) 결합과 탄소-수소(C–H) 결합으로 이루어져 있는데, 이러한 결합은 결합 에너지가 크고 매우 안정적이어서 자연적인 빛, 열, 미생물의 효소 작용으로는 쉽게 끊어지지 않습니다.

또한 플라스틱은 대부분 비극성 구조를 가지고 있어 물에 잘 녹지 않고, 효소와 같은 생체 촉매가 접근하거나 작용하기 어렵습니다. 일부 플라스틱은 결정성이 높아 분자들이 치밀하게 배열되어 있어 외부 물질이 내부 결합에 도달하기도 힘듭니다. 이런 특성 때문에 플라스틱은 자연계의 일반적인 분해 메커니즘에 저항성을 가지며, 수십 년에서 수백 년 동안 환경에 남아 축적되는 결과를 낳습니다.

즉, 플라스틱이 잘 분해되지 않는 근본적인 이유는 거대 분자의 안정한 화학적 결합과 구조적 특성 때문이라고 할 수 있습니다.

Answer 2

안녕하세요.

질문해주신 것처럼 플라스틱이 잘 분해되지 않는 이유는 매우 안정적인 고분자인데다가 이를 구성하는 화학 결합 자체가 에너지적으로 깨지기 어려운 구조이기 때문입니다. 플라스틱은 수천~수십만 개의 반복 단위가 연결된 고분자 사슬이며 대표적으로 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌과 같은 물질은 대부분 탄소-탄소 단일결합으로 이루어져 있습니다. 탄소간의 단일 결합은 결합 에너지가 매우 높고 비극성이며 반응성이 낮기 때문에 자연 환경에서 쉽게 끊어지지 않는 것입니다. 또한 자연에서 유기물이 분해될 때는 주로 가수분해나 산화 반응이 일어나야 하는데, 이러한 반응은 보통 극성 결합이나 반응성이 높은 작용기가 있어야 하지만 폴리에틸렌 같은 플라스틱은 거의 순수한 탄화수소 구조이다보니 물이 공격할 반응 지점이 적습니다. 또한 플라스틱 사슬은 서로 얽혀 있고, 일부는 결정성 구조를 형성하여 매우 촘촘하게 배열되어 있다보니 물이나 산소, 심지어 미생물의 효소조차 내부까지 침투하기 어렵습니다. 미생물이 분해하는 것도 어려운데요, 자연계의 미생물은 특정 화학 구조를 인식하고 효소로 분해하는데, 플라스틱은 자연에 거의 존재하지 않았던 인공 구조이기 때문에 이를 효율적으로 분해할 효소가 충분히 진화하지 않았습니다. 물론 시간이 매우 오래 지나면 자외선에 의해 산화가 일어나거나 물리적으로 부서지면서 점차 작은 조각으로 쪼개지기는 하지만 이 역시 미세 플라스틱으로 쪼개지는 경우가 많습니다. 감사합니다.