스티로폼에 아세톤을 부으면 순식간에 부피가 줄어드는 현상은 왜 그런것인 가요?

Question

스티로폼에 아세톤을 부으면 순식간에 부피가 줄어드는 현상을, 폴리스티렌 고분자 사슬이 유사한 극성을 가진 아세톤 용매에 용해되면서 가두고 있던 공기층이 붕괴되는 물리화학적 과정을 들어 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

스티로폼에 아세톤을 부었을 때 순식간에 녹아내리는 것처럼 보이는 현상은 화학적 연소나 분해가 아니라, 고분자가 용매에 녹아 들어가는 물리화학적인 용해 과정입니다.

​스티로폼의 본체인 폴리스티렌은 수많은 스티렌 분자가 사슬처럼 길게 연결된 고분자 물질입니다. 제조 과정에서 이 고분자 속에 공기를 불어넣어 부피를 팽창시키는데, 실제 스티로폼 부피의 95% 이상은 미세한 방(cell) 안에 갇혀 있는 공기층이 차지하고 있습니다. 우리가 보는 흰색 덩어리는 사실 아주 적은 양의 플라스틱이 거대한 공기 주머니들을 붙들고 있는 구조인 셈입니다.

​여기에 아세톤을 부으면 '끼리끼리 녹는다'는 유기화학의 원리가 작용합니다. 폴리스티렌 사슬과 아세톤 분자는 서로 극성이 유사하여 인력이 작용하는데, 아세톤 분자들이 폴리스티렌 사슬 사이사이로 침투하여 단단하게 엉켜 있던 사슬들을 풀어버립니다.

​사슬의 결합이 느슨해지면서 공기를 가두고 있던 미세한 벽들이 힘없이 무너지게 되고, 그 안에 갇혀 있던 막대한 양의 공기가 한꺼번에 빠져나가게 됩니다. 결과적으로 공기층이라는 지지대를 잃은 고분자 사슬들이 아세톤에 녹아 끈적한 액체 상태로 뭉치게 되면서, 눈 깜짝할 사이에 부피가 수십 분의 일로 줄어드는 극적인 변화가 나타나는 것입니다.