개념 한 쪽
고분자의 물성은 사슬 구조와 결합 형태에 의해 결정한다. 이중결합의 존재는 기하이성질체를 만들고, 공액 결합은 전기 전도성을 부여하며, 사슬 길이와 분자량 분포는 용해도와 물리적 성질을 좌우한다. 또한 중합 방식과 가교 여부에 따라 열가소성 또는 열경화성으로 구분되어 가공성과 재활용성이 달라진다.
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출제기준 단원 「고분자 물성」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 기하이성질체 판별 | 1 | 이중결합 유무로 기하이성질체 가능성을 가리킨다 |
| 기하이성질체 판단 보충 | 1 | 시스·트랜스 발생 조건을 확인하여 올바른 물질 고르기한다 |
| 전도성 고분자 구별 | 1 | 공액 결합 유무로 전도성 여부를 판정한다 |
고분자에서 기하이성질체란 사슬 내에 남아 있는 이중결합(C=C)에 의해 시스·트랜스와 같은 입체 배열 차이가 생기는 현상이라고 정의한다. 디엔계 고분자들, 예컨대 폴리부타디엔, 폴리클로로프렌, 폴리이소프렌은 사슬 내 이중결합을 포함하므로 기하이성질체를 나타낼 수 있다. 반면 폴리비닐알코올과 같이 포화 결합만 가진 고분자는 기하이성질체가 성립하지 않는다고 본다.
전기 전도성 고분자는 분자 사슬에 공액 결합이 연속적으로 배열되어 전자의 이동이 용이한 구조를 가지며, 도핑을 통해 전하 운반자가 생성되어 전도성이 발현된다고 설명한다. 대표적인 전도성 고분자는 폴리아세틸렌, 폴리티오펜, 폴리피롤이며, 실록산 골격을 가진 폴리실록산은 공액 결합을 갖지 않아 비전도성 고분자에 해당한다고 말한다.
중합 반응 형태에 따라 생성물의 형태와 공정 특성이 달라진다. 현탁중합은 단량체를 물에 현탁시켜 입상 상태로 중합하는 방법으로, 물이 중합열을 흡수하므로 열 제어가 용이하지만 안정제 잔류로 인한 세척·건조 공정이 필요하다고 한다. 텔로머화는 소수의 단량체가 결합해 짧은 사슬의 중합체인 텔로머를 만드는 반응을 가리킨다.
고분자의 열적 분류에서 열가소성 수지는 가열하면 연화·융해하여 성형이 가능하고 냉각하면 다시 굳으며 반복 성형이 가능하다고 정의한다. 열경화성 수지는 일단 경화되면 가열해도 녹지 않아 재성형이 불가능하다고 설명한다. 또한 열가소성 수지는 분자량이 증가하면 분자 간 얽힘과 인력이 커져 용해도가 감소하는 경향을 보인다고 한다.
고분자는 분자량의 분포가 넓기 때문에 여러 평균치가 사용된다. 수평균분자량(Mn)은 개수 기준 평균이고 중량평균분자량(Mw)은 무게 기준 평균으로, 일반적으로 Mn보다 Mw가 크다고 본다.
문제에서 주어진 보기가 폴리부타디엔, 폴리클로로프렌, 폴리이소프렌, 폴리비닐알코올일 때 기하이성질체 판단법은 이중결합 유무를 확인하는 것이다. 이중결합을 지닌 세 가지는 기하이성질체 가능성이 있으므로, 포화 사슬인 폴리비닐알코올이 정답이라고 한다.
전도성 고분자 판별 문제에서는 공액 결합의 존재를 확인한다. 폴리아세틸렌·폴리티오펜·폴리피롤은 공액 시스템을 가지므로 전도성 후보이며, 실록산 골격의 폴리실록산은 전도성과 거리가 먼 물질이라고 본다.
중합법 관련 문제에서는 '입상 생성'과 '중합열 제어가 용이함' 및 '안정제 잔류로 세척 필요' 여부를 기준으로 현탁중합을 식별한다. 텔로머화는 단량체 소수 결합으로 짧은 사슬을 형성하는 경우를 뜻하므로 이를 기억한다.
기하이성질체를 나타내는 고분자가 아닌 것은?
정답 ④ · 고분자 중에서 이중 결합이 사슬에 남아 있어 시스형·트랜스형 기하이성질체를 가질 수 있는 것을 고르는 문제이다. 폴리부타디엔, 폴리크로로프렌, 폴리이소프렌은 모두 디엔계 단량체의 중합으로 만들어지며 사슬 내에 탄소-탄소 이중 결합이 잔존하므로 기하이성질체(cis-1,4, trans-1,4 등)를 나타낸다.
기하이성질체는 이중결합이 남은 고분자에서 발생하므로, 포화 결합만 가진 폴리비닐알코올은 해당되지 않는다.
다음 중 기하이성질체를 나타내는 고분자가 아닌 것은?
정답 ④ · 문항은 기하이성질체(cis-trans)를 나타내는 고분자 여부를 묻고 있다. 기하이성질체는 이중결합의 공간배치를 가지는 불포화 고분자에서 나타나므로 폴리부타디엔, 폴리클로로프렌, 폴리이소프렌은 해당 가능하지만 포화 구조의 폴리비닐알코올은 기하이성질체를 나타내지 않는다.
입체 이성질체 중 기하이성질체는 이중결합의 cis-trans 구조를 가지므로 폴리비닐알코올은 해당되지 않는다.
다음 중 전기 전도성 고분자로 가장 거리가 먼 것은?
정답 ④ · 문항은 전기 전도성 고분자와 거리가 먼 물질을 묻고 있다. 전기 전도성 고분자는 주로 공액된 이중결합을 가진 탄화수소계 고분자로서 폴리아세틸렌, 폴리티오펜, 폴리피롤은 모두 공액구조로 도핑 시 전도성을 보인다.
폴리아세틸렌, 폴리티오펜, 폴리피롤은 공액 결합으로 전도성을 갖지만, 폴리실록산은 비전도성 고분자이다.
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