천연 고분자 : 녹말, 셀룰로스, 단백질, 천연 고무 등
합성 고분자 : 합성 수지(플라스틱), 합성 고무, 합성 섬유 등
고분자 화합물은 단위체라고 불리는 분자량이 작고 구조가 간단한 작은 분자들이 연속적으로 화학 결합하여 생성된다. 단위체가 다양한 방법으로 결합하여 고분자의 구조가 결정되는데, 단위체에서 고분자가 만들어지는 과정을 중합 반응이라고 하고, 생성된 고분자 화합물을 중합체라고 한다. 중합 반응이 일어날 때 단위체를 구성하는 원자들이 그대로 유지되는지 또는 단위체들 사이에서 간단한 분자가 빠져나오는지에 따라서 첨가 중합 반응과 축합 중합 반응으로 구분할 수 있다.
첨가 중합 : 단위체에 존재하는 탄소 원자 사이의 이중 결합이 끊어지면서 연속적인 첨가 반응이 일어나 알케인의 구조로 되면서 탄소 사슬이 길어져 고분자가 합성되는 반응을 첨가 중합이라고 한다. 이때에는 단위체의 어떤 원자도 빠져나오지 않으므로 단위체 전체의 질량과 고분자 화합물의 질량은 같다.
폴리에틸렌 : 불포화 탄화수소인 에틸렌으로부터 만들어지는 가장 간단한 고분자 화합물이다. 폴리에틸렌은 촉매 존재 하에서 열과 압력을 가했을 때 에틸렌의 이중 결합이 끊어지면서 첨가 반응이 연속적으로 일어나 생성된 첨가 중합제로, 탄소 사슬이 길게 연결되어 있는 포화 탄화수소 구조이다. 폴리에틸렌은 포장용 봉투, 파이프, 전기 절연체, 삼푸병 등에 흔히 이용된다.
HDPE와 LDPE : 가지가 없는 간단한 구조를 갖는 폴리에틸렌은 선형 구조를 이루고 분자들이서로 가깝게 쌓여서 규칙적인 결정 구조를 가질 수 있으므로 고밀도 폴리에틸렌이 생성된다. 고밀도 폴리에틸렌은 단단하고 질겨서 병마개, 우유 용기, 장난감 등에 사용된다.
탄소 사슬에서 탄소 원자에 수소 원자 대신에 다른 폴리에틸렌 사슬이 연결되면 가지형 분자 구조를 갖게 된다. 가지형 구조를 갖는 폴리에틸렌은 분자들이 가깝게 쌓여서 규칙적인 결정 구조를 가지기 어려우므로 저밀도 폴리에틸렌이 생성된다. 저밀도 폴리에틸렌은 고밀도 폴리에틸렌보다 유연하고 잘 구부러지며 녹는점도 낮은데, 주로 포장용 비닐이나 절연 피복 등 유연성이 필요한 제품에 이용된다.
축합 중합 : 단위체들이 반응하여 물, 염화수소 등과 같은 작은 분자가 빠져나오면서 고분자가 합성되는 반응을 축합 중합이라고 하며, 축합 중합에 의해 합성된 고분자를 축합 중합체라고 한다. 축합 중합으로 합성된 고분자의 질량은 단위체 전체의 질량보다 작다.
페트라고 불리는 폴리에틸렌테레프탈레이트는 에틸렌글리콜과 테레프탈산 사이에서 물 분자가 빠져나오면서 축합 중합이 일어나 생성되는 축합 중합체이다.
합성 고분자 화합물인 페놀 수지나 요소 수지, 멜라민 수지 등은 축합 중합체이고, 천연 고분자 화합물인 탄수화물은 포도당의 축합 중합체, 단백질은 아미노산의 축합 중합체이다.
고분자 화합물의 특징
고분자는 거대한 분자 구조를 가지므로 분자량이 작은 물질과는 다른 물리적, 화학적 특징을 나타낸다. 주된 탄소 사슬이 공유 결합으로 이루어진 분자이며, 이온 결합 물질이나 금속과도 다른 성질을 나타낸다.
고분자 화합물은 분자량이나 끓는 점, 녹는 점이 일정하지 않고 분리와 정제가 어렵다.
고분자 화합물은 분자량이 10000 이상이고, 평균 분자량에 따라 녹는점이 달라진다.
고분자 화합물은 가열하면 기화되기 전에 열분해되며, 고체나 액체로만 존재하고 결정이 되기 어렵다.
고분자 화합물은 열, 전기를 통하지 않으며, 화학적으로 안정하여 반응성이 작고, 용매에 잘 용해되지 않는다.
합성 고분자 화합물
합성 수지는 화학적으로 합성한 고분자 물질로 플라스틱이라고도 한다. 플라스틱은 우리 생활에 널리 이용되고 있으며, 열을 가했을 때의 특징에 따라서 열가소성 수지와 열 경화성 수지로 구분한다. 플라스틱의 종류에 따라 열에 의 변형되는 성질이 다른 것은 플라스틱 분자의 구조가 다르기 때문이다.
열가소성 수지 : 열에 의해 부드러워지고 쉽게 녹으며, 냉각시키면 다시 단단해지는 성질이 있다. 열가소성 수지는 고분자 사슬들이 사슬 모양으로 나란히 놓여 있고, 약한 힘으로 결합되어 있어서 열이나 압력을 가하면 사슬의 위치가 쉽게 바뀌어 변형이 일어나므로 가공하기 쉽다.
열경화성 수지 : 열경화성 수지는 고분자 사슬이 교차되어 그물 구조를 이루고 있으므로 모든 방향으로 강한 힘으로 결합되어 있어서 단단하며, 가열해도 부드러워지거나 녹지 않아서 열에 의해 재성형할 수 없다.
플라스틱의 처리와 재활용 : 플라스틱은 대부분 자연 상태에서 쉽게 분해되지 않으므로 매립해도 썩지 않고 그대로 남게 된다. 또한 소각해도 완전 연소가 어렵고 냄새가 나며 유독한 가스를 많이 배출하기 때문에 환경 오염을 일으킨다. 따라서 폐플라스틱을 처리할 때에는 매립이나 소각보다는 재활용하는 것이 바람직하다.
플라스틱의 재활용 : 플라스틱을 재활용하는 방법은 열가소성 수지인지 열경화성 수지인지에 따라 달라진다. 열가소성 수지는 낮은 온도에서 가열하여 녹인 후에 재생하여 재활용할 수 있다. 열경화성 수지는 잘게 부수어 건축 자재나 토목 자재로 재활용하거나 공기를 차단하고 높은 온도로 가열하여 단위체로 분해한 후에 재중합을 통해 재활용한다.
합성 섬유
섬유는 매우 길고 가늘며 쉽게 굳힐 수 있는 물질로, 섬유에는 면이나 마, 모, 견과 같은 천연 섬유와 나일론 등의 합성 섬유가 있다. 합성 고분자 화합물 중에는 섬유로 사용되는 것들이 많이 있다. 천연에서 얻어지는 천연 섬유와 합성 섬유는 여러 가지 차이점을 갖고 있지만, 합성 섬유는 천연 섬유를 대신하여 우리 생활에서 많이 이용되고 있다.
폴리아마이드계 섬유 : 카복시기와 아미노기 사이의 축합 중합 반응에 의해 생성되며, 아마이드 결합을 갖고 있다.
6, 6-나일론 : 1935년 미국의 화학자 캐러더스에 의해 최초로 발명되어 상품화되었다.
합성 : 헥사메틸렌다이아민과 아디프산의 축합 중합 반응으로 합성된다.
특성 : 천연 섬유보다 질기지만 흡습성이 작아 땀을 잘 흡수하지 못하며, 마찰에 의해 정전기가 잘 생기고 열에 매우 약하다.
이용 : 흡습성이 작고 정전기가 많이 생겨 옷감으로는 사용하기 적당하지 않지만, 강도가 매우 커서 밧줄이나 그물, 카펫, 전선 절연 재료 등에 이용된다.
아라미드 섬유 : 아마이드 결합이 2개의 벤젠 고리에 직접 결합되어 있는 방향족 폴리아마이드계 섬유이다.
케블라 섬유 : 방향족 다이아민과 염화테레프 탈산의 축합 중합 반응에 의해 합성되는 아라미드 섬유이다.
특성과 이용 : 강도가 매우 높고 질기며, 탄성이 크다. 불에 타거나 녹지 않으므로 방탄 조끼, 방탄 헬멧, 방화복, 골츠패, 테니스 라켓 등을 만들거나 내마모성 자동차 부품과 항공기의 강화 플라스틱 재료로 이용된다.
폴리에스터계 섬유 : 카복시기와 하이드록시기 사이의 축합 중합 반응에 의해 합성되며, 에스터 결합을 포함하고 있는 합성 고분자이다.
테릴렌 : 테레프탈산과 에틸렌글리콜의 축합 중합 반응으로 합성된다.
특성과 이용 : 다른 섬유보다 강하고, 탄성이 좋아서 잘 구겨지지 않으며 양모와 비슷한 성질을 갖는다. 와이셔츠나 블라우스, 양복 등의 의류 소재와 사진 필름, 늑음 테이프 등을 만드는 데 이용된다.
폴리바이닐계 섬유 : 바이닐기의 첨가 중합 반응에 의해 합성되는 합성 고분자 화합물이다.
올론 : 아크릴로 나이트릴의 첨가 중합 반응으로 합성된다. 열에 약하고 흡습성이 작지만, 보온성이 크고 값이 싸므로 털실 등에 이용된다.
고무
천연 고무 : 고무의 원액인 라텍스에 아세트산을 가하여 응고시킨 것으로 생고무라고 부른다. 천연 고무를 분해하면 아이소프렌이 얻어지는 것으로 보아 천연 고무는 아이소프렌의 첨가 중합체이다. 천연 고무의 단위체인 아이소프렌에는 이중 결합이 2개 존재하며, 양쪽의 이중 결합이 모두 풀어지고 가운데에 새로운 이중 결합이 형성되면서 중합체가 합성된다.
가황 고무 : 천연 고무는 탄성이 작으며, 여름에는 녹고 겨울에는 부스러지므로 황을 첨가한 가황 고무를 만들어 사용한다. 가황 고무는 탄소 원자 사이에 황의 가교 결합이 형성되어 탄성이 증가된 것이다.
네오프렌 고무 : 클로로프렌의 첨가 중합 반응에 의해 생성되는 합성 고무이다.
네오프렌 고무는 천연 고무와 성질이 매우 비슷하며, 열과 전기, 기름, 마찰에 강하기 때문에 전선의 피복과 석유용 고무 호스, 튜브 등에 이용되고 있다.
부나-S 고무(SBR) : 부타다이엔과 스타이렌의 혼성 중합 반응으로 합성되는 고무이다.
부나-S 고무는 강도와 탄력성이 좋고, 열에 잘 견디며 마모가 잘 되지 않으므로 자동차 타이어와 구두창, 고무 타일 등에 이용되고 있다.
부나-N 고무(NBR) : 뷰타다이엔과 아크릴로나이트릴의 혼성 중합 반응으로 합성되는 고무이다. 부나-N 고무는 극성이 큰 사이안기를 가지고 있어서 무극성인 기름에 강하며 마모가 잘 되지 않으므로 석유용 고무 호스와 롤러, 벨트에 이용된다.
녹말
녹색 식물이 저장하고 있는 탄수화물로, a-포도당의 축합 중합 반응에 의해 물이 빠져나오면서 합성되는 고분자 화합물이다. 녹말은 여러가지 곡물이나 감자류, 빵 등에 많이 포함되어 있다. 녹말은 한 가지 화합물로 된 순물질이 아니라 아밀로스와 아밀로펙틴으로 구성된 혼합물이다.
아밀로스는 200개 이상의 포도당 분자의 1번과 4번 탄소에 결합된 하이드록시기 사이에서 물 분자가 빠지면서 축합 중합 반응이 일어나 1번과 4번 탄소가 에테르 결합으로 연결되어 1,4-글루코사이드 결합을 이루고 있는 고분자로, 분자 내에 수소 결합이 형성되어 나선형의 구조를 가지고 있다.
아밀로펙틴은 나선형 구조의 아밀로스 고분자 사슬들이 1번 탄소화 6번 탄소의 하이드록시기 사이에 축합 반응에 의한 1,6-글루코사이드 결합을 형성하여 아밀로스 나선형 구조에 나선형 가지가 달려 있는 것과 같은 구조를 이루고 있는 고분자이다.
녹말의 성질 : 찬물에는 잘 녹지 않지만 더운 물에는 조금 녹으며, 산을 넣고 가열하거나 효소를 가하면 a-포도당으로 가수 분해된다.
녹말 검출 반응 : 녹말 용액과 아이오딘 용액이 만나면 아이오딘 분자가 녹말의 나선형 구조에 끼어들어가 청남색으로 변하는 정색 반응을 하는데, 이것을 아이오딘-녹말 반응이라고 한다. 아이오딘-녹말 반응은 녹말을 검출하는 데 이용된다.
셀룰로스 : 식물 세포벽의 주성분으로, B-포도당의 축합 중합체이다. 물에 잘 녹지 않으며 면, 마 등의 옷감이나 종이의 원료로 사용된다. 산을 가해 가수 분해시키면 B-포도당으로 분해되는데, 녹말과는 달리 뜨거운 물에도 녹지 않는다. 사람은 초식 동물과 달리 셀룰로스 소화 효소를 가지고 있지 않아 셀룰로스를 소화시키지 못하며 그대로 배설한다. 셀룰로스를 식이 섬유라고 부르며, 셀룰로스가 포함된 음료는 배설 작용을 돕는 역할을 한다.
셀룰로스는 녹말과 달리 분자 내 수소 결합으로 나선 구조를 이루지 않으며, 분자 간 수소 결합을 하고, 수소 결합 사이에 물 분자가 들어가 새로운 수소 결합을 이룰 수 있기 때문에 흡습성이 크다.
단백질
단백질은 C, H, O, N, S 등의 원소로 구성된 고분자 물질로, 모든 생물에 존재하는 거대한 생체 분자이다. 단백질은 아미노산 단위체가 축합 중합되어 생성된 펩타이드 결합에 의해 이루어진 고분자로 근육과 피부, 모발, 생체 효소, 호르몬을 이루는 성분이다.
아미노산
단백질의 단위체로서 한 분자 내에 염기성을 나타내는 아미노기와 산성을 나타내는 카복시기를 모두 가지고 있는 양쪽성 물질이므로 수용액의 액성에 따라 세 가지 형태로 존재한다.
중성 상태에서 아미노산은 카복시기의 수소 이온이 아미노기에 붙어 있는 상태로 주로 존재하는데, 산성 용액에서는 수소 이온의 농도가 크기 때문에 중성 상태의 아미노산이 수소 이온을 받아 들이게 되며, 염기성 용액에서는 수산화 이온의 농도가 크기 때문에 아미노기에 붙어 있던 수소 이온이 수산화 이온과 중화 반응하여 제거된 형태로 존재한다.
단백질의 합성
단백질은 여러 가지 종류의 아미노산이 축합 중합 반응을 하여 이루어진 고분자이다. 한 아미노산의 아미노기와 다른 아미노산의 카복시기 사이에서 한 분자의 물이 빠져나오면서 두 아미노산이 펩타이드 결합을 이루게 된다. 페바이드 결합을 많이 가진 폴리펩타이드가 단백질 분자이다.
단백질 나선 구조와 변성
단백질은 분자 내 수소 결합에 의해 a-나선 구조를 이루고 있다. 높은 열과 강한 산성 물질, 자외선, 알코올, 중금속, 생물학적 원인 등에 의해 a-나선 구조의 수소 결합이 끊어지면 단백질의 입체 구조가 변화되어 단백질의 변성이 일어난다.
단백질의 검출 : 뷰렛 반응과 크산토프로테인 반응을 이용한다.
뷰렛 반응 : 단백질에 수산화나트륨 수용액을 가하고, 황산구리 수용액을 떨어뜨리면 보라색으로 변화된다.
크산토프로테인 반응 : 벤젠 고리를 가진 아미노산을 포함한 단백질에 진한 질산을 넣고 가열하면 벤젠 고리가 나이트로화되어 노란색을 띠게 된다.
녹말
녹색 식물이 저장하고 있는 탄수화물로, a-포도당의 축합 중합 반응에 의해 물이 빠져나오면서 합성되는 고분자 화합물이다. 녹말은 여러가지 곡물이나 감자류, 빵 등에 많이 포함되어 있다. 녹말은 한 가지 화합물로 된 순물질이 아니라 아밀로스와 아밀로펙틴으로 구성된 혼합물이다.
아밀로스는 200개 이상의 포도당 분자의 1번과 4번 탄소에 결합된 하이드록시기 사이에서 물 분자가 빠지면서 축합 중합 반응이 일어나 1번과 4번 탄소가 에테르 결합으로 연결되어 1,4-글루코사이드 결합을 이루고 있는 고분자로, 분자 내에 수소 결합이 형성되어 나선형의 구조를 가지고 있다.
아밀로펙틴은 나선형 구조의 아밀로스 고분자 사슬들이 1번 탄소화 6번 탄소의 하이드록시기 사이에 축합 반응에 의한 1,6-글루코사이드 결합을 형성하여 아밀로스 나선형 구조에 나선형 가지가 달려 있는 것과 같은 구조를 이루고 있는 고분자이다.
녹말의 성질 : 찬물에는 잘 녹지 않지만 더운 물에는 조금 녹으며, 산을 넣고 가열하거나 효소를 가하면 a-포도당으로 가수 분해된다.
녹말 검출 반응 : 녹말 용액과 아이오딘 용액이 만나면 아이오딘 분자가 녹말의 나선형 구조에 끼어들어가 청남색으로 변하는 정색 반응을 하는데, 이것을 아이오딘-녹말 반응이라고 한다. 아이오딘-녹말 반응은 녹말을 검출하는 데 이용된다.
셀룰로스 : 식물 세포벽의 주성분으로, B-포도당의 축합 중합체이다. 물에 잘 녹지 않으며 면, 마 등의 옷감이나 종이의 원료로 사용된다. 산을 가해 가수 분해시키면 B-포도당으로 분해되는데, 녹말과는 달리 뜨거운 물에도 녹지 않는다. 사람은 초식 동물과 달리 셀룰로스 소화 효소를 가지고 있지 않아 셀룰로스를 소화시키지 못하며 그대로 배설한다. 셀룰로스를 식이 섬유라고 부르며, 셀룰로스가 포함된 음료는 배설 작용을 돕는 역할을 한다.
셀룰로스는 녹말과 달리 분자 내 수소 결합으로 나선 구조를 이루지 않으며, 분자 간 수소 결합을 하고, 수소 결합 사이에 물 분자가 들어가 새로운 수소 결합을 이룰 수 있기 때문에 흡습성이 크다.
단백질
단백질은 C, H, O, N, S 등의 원소로 구성된 고분자 물질로, 모든 생물에 존재하는 거대한 생체 분자이다. 단백질은 아미노산 단위체가 축합 중합되어 생성된 펩타이드 결합에 의해 이루어진 고분자로 근육과 피부, 모발, 생체 효소, 호르몬을 이루는 성분이다.
아미노산
단백질의 단위체로서 한 분자 내에 염기성을 나타내는 아미노기와 산성을 나타내는 카복시기를 모두 가지고 있는 양쪽성 물질이므로 수용액의 액성에 따라 세 가지 형태로 존재한다.
중성 상태에서 아미노산은 카복시기의 수소 이온이 아미노기에 붙어 있는 상태로 주로 존재하는데, 산성 용액에서는 수소 이온의 농도가 크기 때문에 중성 상태의 아미노산이 수소 이온을 받아 들이게 되며, 염기성 용액에서는 수산화 이온의 농도가 크기 때문에 아미노기에 붙어 있던 수소 이온이 수산화 이온과 중화 반응하여 제거된 형태로 존재한다.
단백질의 합성
단백질은 여러 가지 종류의 아미노산이 축합 중합 반응을 하여 이루어진 고분자이다. 한 아미노산의 아미노기와 다른 아미노산의 카복시기 사이에서 한 분자의 물이 빠져나오면서 두 아미노산이 펩타이드 결합을 이루게 된다. 페바이드 결합을 많이 가진 폴리펩타이드가 단백질 분자이다.
단백질 나선 구조와 변성
단백질은 분자 내 수소 결합에 의해 a-나선 구조를 이루고 있다. 높은 열과 강한 산성 물질, 자외선, 알코올, 중금속, 생물학적 원인 등에 의해 a-나선 구조의 수소 결합이 끊어지면 단백질의 입체 구조가 변화되어 단백질의 변성이 일어난다.
단백질의 검출 : 뷰렛 반응과 크산토프로테인 반응을 이용한다.
뷰렛 반응 : 단백질에 수산화나트륨 수용액을 가하고, 황산구리 수용액을 떨어뜨리면 보라색으로 변화된다.
크산토프로테인 반응 : 벤젠 고리를 가진 아미노산을 포함한 단백질에 진한 질산을 넣고 가열하면 벤젠 고리가 나이트로화되어 노란색을 띠게 된다.
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