화학 고3 탄소 화합물과 반응 심화

첨가 중합

이중 결합을 가진 단위체들이 아무것도 떨어져 나가지 않고 그대로 연결되는 중합 반응. 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), PVC, PTFE가 해당한다.

이중 결합을 가진 단위체들이 아무것도 떨어져 나가지 않고 그대로 이어 붙어 긴 사슬을 이루는 중합 반응입니다.

두 손을 맞잡고 있던 사람이 한 손을 풀어 옆 사람에게 내미는 것과 같습니다. 아무도 무엇을 버리지 않았기 때문에, 완성된 줄의 무게는 사람들 무게를 그대로 더한 값입니다.

쉽게 말하면

고분자 화합물을 만드는 두 번째 길입니다. 축합 중합과 달리 빠져나오는 작은 분자가 없습니다. 그 대신 단위체에 이중 결합이 반드시 있어야 합니다.

이유는 결합의 손 개수를 세어 보면 바로 보입니다. 알켄의 $C = C$ 에는 상대적으로 약한 $π$ 결합이 하나 들어 있습니다. 이 $π$ 결합이 끊어지면 두 탄소에 각각 결합의 빈자리가 하나씩 생기고, 그 자리로 이웃 단위체와 손을 잡습니다. 원자를 하나도 버리지 않고도 사슬이 이어지는 것은 이 여분의 결합 덕분입니다.

$n C H_{2} = C H_{2} \to - [C H_{2} - C H_{2}]_{n} -$

그래서 첨가 중합체는 원자 구성이 단위체와 완전히 같고, 분자량도 단위체 분자량의 정수배가 됩니다. 반대로 말하면 단일 결합만 있는 에테인 같은 분자는 아무리 가열해도 중합되지 않습니다. 내밀 손이 없기 때문입니다.

에틸렌으로 폴리에틸렌(PE), 프로필렌으로 폴리프로필렌(PP), 염화 바이닐로 PVC, 테트라플루오로에틸렌으로 PTFE를 만듭니다. 이들이 잘 썩지 않는 이유도 구조에서 나옵니다 — 사슬이 튼튼한 탄소–탄소 단일 결합으로만 이어져 있어, 물을 넣어도 끊어질 자리가 없습니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

폴리에틸렌 — 가장 단순한 첨가 중합체

$n C H_{2} = C H_{2} \to - [C H_{2} - C H_{2}]_{n} -$

에틸렌의 이중 결합이 풀리면서 옆 분자와 이어집니다. 완성된 폴리에틸렌에는 이중 결합이 남아 있지 않고, 탄소–탄소 단일 결합과 수소만 있는 포화 탄화수소가 됩니다. 비닐봉지와 플라스틱 용기의 재료입니다.
예시 2

단위체를 바꾸면 성질이 바뀐다

에틸렌의 수소 하나를 메틸기로 바꾸면 프로필렌이 되어 폴리프로필렌(PP)이, 염소로 바꾸면 염화 바이닐이 되어 PVC가, 수소를 모두 플루오린으로 바꾸면 PTFE가 됩니다. 중합 방식은 똑같은데 곁가지 하나로 단단함·내열성·물이 묻는 정도가 달라집니다.
예시 3

플라스틱이 잘 썩지 않는 이유

축합 중합체(단백질·나일론·폴리에스터)는 만들어질 때 물을 내보냈으므로 물을 넣으면 다시 끊어질 자리가 있습니다. 하지만 첨가 중합체의 사슬은 탄소–탄소 단일 결합뿐이라 가수분해할 지점이 아예 없습니다. 편리함의 대가가 그대로 환경 문제로 돌아온 셈입니다.

첨가 중합과 축합 중합

구분	첨가 중합	축합 중합
단위체의 조건	이중 결합이 있음	작용기가 두 개 이상
빠져나오는 물질	없음	$H_{2} O$ 등 작은 분자
중합체의 실험식	단위체와 같음	단위체와 달라짐
예	PE, PP, PVC, PTFE	나일론, 폴리에스터, 단백질
가수분해로 되돌리기	사실상 불가능	가능

자주 하는 오해

중합한 뒤에도 이중 결합이 남아 있다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움단위체에 이중 결합이 있었으니 폴리에틸렌 사슬에도 이중 결합이 그대로 있다

실제로는이중 결합은 사라집니다. 폴리에틸렌은 단일 결합만 가진 포화 탄화수소입니다.

이중 결합은 없어지려고 끊긴 것이 아니라, 이웃과 이어 붙을 손을 만들기 위해 끊긴 것입니다.

π

결합 하나가 풀리면서 두 탄소에 빈자리가 하나씩 생기고, 그 자리를 옆 단위체가 채웁니다. 이중 결합이 남아 있다면 '첨가'가 일어나지 않은 것입니다. 그래서 폴리에틸렌은 알켄의 성질(첨가 반응, 브로민수 탈색)을 더 이상 보이지 않습니다.

반복 단위와 단위체를 헷갈리기

이렇게 생각하기 쉬움폴리에틸렌 사슬이

- C H_{2} - C H_{2} - C H_{2} -

의 연속이니 단위체는

C H_{2}

다

실제로는단위체는

C H_{2} = C H_{2}

(에틸렌)이고, 반복 단위는

- [C H_{2} - C H_{2}] -

입니다.

C H_{2}

는 혼자서는 존재할 수 없습니다. 단위체는 '실제로 넣어 준 분자'여야 하고, 그 분자에는 반드시 이중 결합이 있어야 합니다. 이 구별이 흐트러지면 분자량 계산이 바로 틀어집니다. 폴리에틸렌의 분자량은 (에틸렌 분자량)

\times n

이고, 여기서

n

은 이어 붙인 에틸렌 분자의 수입니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

고분자 화합물고3 알켄(이중 결합 탄화수소)고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

없음 — 이 개념이 마지막입니다

같은 단원의 개념 — 탄소 화합물과 반응

자주 묻는 질문

Q1첨가 중합과 첨가 반응은 같은 것인가요?

원리는 같지만 규모가 다릅니다. 첨가 반응은 이중 결합에 다른 작은 분자 하나가 붙는 것이고, 첨가 중합은 그 붙는 상대가 '같은 단위체'라서 붙고 또 붙어 사슬이 되는 것입니다. 이중 결합이 풀리며 빈자리를 내준다는 점은 똑같습니다.

Q2벤젠에도 이중 결합이 있는데 왜 중합되지 않나요?

벤젠의 결합은 여섯 개 탄소에 전자가 고르게 퍼져 있어 매우 안정합니다. 그래서 알켄처럼 쉽게 풀리지 않고, 첨가보다 치환 반응을 합니다. '이중 결합처럼 보인다'와 '알켄처럼 반응한다'는 다른 이야기입니다.

Q3첨가 중합체는 재활용이 안 되나요?

화학적으로 단위체까지 되돌리기는 매우 어렵습니다. 가수분해할 결합이 없기 때문입니다. 그래서 보통은 녹여서 다시 굳히는 물리적 재활용을 하는데, 이 과정에서 사슬이 짧아져 품질이 떨어집니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 화학 · 탄소 화합물과 반응 수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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작은 분자를 내놓으며 이어지는 다른 방식과 비교하면 그림이 완성됩니다. 축합 중합을 이어서 보세요.

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