작은 분자들이 이어져 플라스틱 같은 고분자가 되는 과정은 어떻게 일어나나요?

Question

안녕하세요~

에틸렌 같은 단량체가 반복적으로 연결되어 폴리에틸렌이 된다고 배우는데, 중합이 진행되는 화학적 단계가 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 에틸렌과 같은 작은 분자들이 반복적으로 연결되어 플라스틱과 같은 고분자가 되는 과정을 중합 반응이라고 합니다. 핵심은 단량체라는 작은 분자의 화학 결합이 변화하면서 새로운 결합이 만들어지고, 그 결과 긴 분자 사슬이 형성된다는 것입니다. 폴리에틸렌의 생성 과정을 이해하려면 먼저 에틸렌 분자의 구조부터 살펴보면 좋습니다. 에틸렌은 탄소 원자 두 개가 이중 결합으로 연결된 분자이며, 이때 이중 결합은 하나의 시그마 결합과 하나의 파이 결합으로 이루어져 있습니다. 이 가운데 파이 결합은 시그마 결합보다 상대적으로 반응하기 쉬워 중합 반응에서 중요한 역할을 합니다. 중합이 진행되면 이중 결합의 파이 결합이 끊어지고, 각 탄소 원자가 다른 에틸렌 분자의 탄소 원자와 새로운 탄소-탄소 단일 결합을 형성할 수 있고, 결과적으로 탄소 원자들이 길게 이어진 사슬이 만들어집니다.

이러한 반응을 첨가 중합이라고 하는데요, 여러 에틸렌 분자가 결합하면서도 물이나 다른 작은 분자가 부산물로 떨어져 나오지 않고, 단량체의 원자들이 대부분 고분자 사슬에 그대로 포함되기 때문입니다. 실제 폴리에틸렌은 매우 많은 에틸렌 분자가 연결되어 만들어지며, 반복 단위가 수백 개에서 수천 개 이상인 사슬도 형성될 수 있습니다. 그렇다면 이 반응은 실제로 어떤 단계로 진행되는지에 대해서, 대표적인 방법인 라디칼 중합을 예로 들면, 먼저 개시 단계에서 열이나 빛 등에 의해 개시제가 분해되어 반응성이 높은 라디칼이 생성됩니다. 라디칼은 짝을 이루지 않은 전자를 가진 화학종으로, 다른 분자와 반응하기 쉽습니다. 생성된 라디칼이 에틸렌의 이중 결합에 반응하면 새로운 탄소-탄소 결합이 만들어지고, 사슬 끝에 새로운 라디칼이 남습니다.

다음은 성장 단계입니다. 사슬 끝에 있는 라디칼이 다른 에틸렌 분자의 이중 결합과 연속적으로 반응하면서 탄소 사슬이 길어집니다. 이 과정이 반복될수록 분자량이 커지고, 작은 단량체들이 거대한 고분자 사슬로 바뀝니다. 마지막으로 종결 단계에서 두 라디칼이 결합하거나 다른 반응을 통해 라디칼이 사라지면 사슬의 성장이 멈춥니다. 다만 폴리에틸렌은 라디칼 중합 외에도 지글러-나타 촉매나 메탈로센 촉매 등을 사용하는 방법으로 제조할 수 있으며, 이때는 촉매의 활성점에서 단량체가 차례로 결합하는 방식으로 사슬이 성장합니다. 이처럼 작은 분자가 고분자로 바뀌면 물질의 성질도 크게 달라지며, 에틸렌은 상온에서 기체이지만, 폴리에틸렌은 긴 사슬 사이의 상호작용과 사슬의 배열 때문에 고체 플라스틱이 됩니다. 감사합니다.

Answer 2

안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.

에틸렌이 폴리에틸렌으로 되는 과정을 사슬중합 반응이라고 합니다.

크게 3가지 단계로 구성이 됩니다.

첫번째로 개시단계 인데 열이나 빛에 의해 분해된 촉매가 불안정한 라디칼을 만들게 되고 이 라디칼이 에틸렌의 탄소간 이중결합을깨고 결합하면서 활성을 가진 새로운 라디칼으 만들게 됩니다.

두번째로 성장 단계인데, 에틸렌 이중 결합이 깨지면서 반응성 높은 탄소 라디칼 끝단에 또다른 에틸렌 분자들이 연쇄적으로 결합하면서 탄소사슬길이 순식간에 수천개로 급격하게 늘어나게 됩니다.

세번째로 정지단계 인데, 계속 성장하던 두개의 고분자 사슬 라디칼이 서로 만나 결합을 정지하거나 수소를 주고받으면서 반응성 유지를 위한 홀전자가 사라져 사슬 성장이 최종적으로 멈추게 됩니다.

그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다:)