화학 ① - 탄소화합물, 연료, 합성고분자 화합물, 천연고분자 화합물

▎화학 ① - 탄소화합물, 연료, 합성고분자 화합물, 천연고분자 화합물

 

 

◈ 연료

 

1. 연료
에너지를 얻기 위해 사용하는 물질을 연료라고 한다.  예를 들면 석유, 천연 가스, 석탄 등이 있다.

 

2. 화석 연료의 종류와 특징
① 석유
바다에 살던 생물들이 죽어 땅 속에 묻힌 다음 오랜 기간 동안 분해되어 만들어진다.  주성분은 탄화수소이고, 원유를 분별 증류하여 여러 가지 물질로 나누어 용도에 맞게 사용한다.

② 액화 천연 가스 (LNG)
석유와 함께 존재하는 기체 혼합물을 냉각 압축하여 액화시킨 것으로 주성분은 메탄이다.
ⓐ 연소 시킬 때 환경오염 물질 배출이 없는 청정 연료이고 발열량도 크다.
ⓑ 액화 석유 가스보다 액화시키기 어려워 운반이나 저장이 불편하다.
③ 액화 석유 가스(LPG) : 원유를 분별 증류하여 얻은 프로판과 부탄을 액화시켜 만든다.
ⓐ 쉽게 액화시켜 용기에 담을 수 있어서 운반, 저장이 용이하다.
ⓑ 냄새와 색깔이 없다.

 

연료의 성질

다음은 액화 천연 가스(LNG)와 액화 석유 가스(LPG)의 성질을 표로 나타낸 것이다.
① 공기의 평균 밀도가 1.18g/L이므로 누출 시 LNG는 위로 확산되고, LPG는 아래쪽에 모여 흩어지지 않으므로 LPG가 폭발의 위험이 더 크다.
② LPG의 끓는점이 LNG보다 높아 액화시키기 쉬우므로 운반이나 저장 측면에서 LPG가
더 편리하다.
③ 발열량은 LNG가 크므로 발열량의 측면에서 LNG가 더 좋다.
결론 : 연료는 각각 장점과 단점을 가지고 있으므로 용도에 맞는 것을 선택하여 사용해야 한다.

④ 석탄
지질 시대에 번성하던 여러 가지 식물들이 땅 속에 퇴적되어 생성된다.  주성분은 탄소이고, 석탄의 질은 탄소의 비율에 의해 결정된다.
ⓐ 화석 연료 중 매장량이 많으나 채광 및 운반이 불편하다.
ⓑ 연소 후 재가 많이 남고, 대기 오염 물질인 이산화황이 많이 발생한다.

 

3. 연소 반응

물질이 산소와 격렬히 반응하여 열과 빛을 내는 반응이다.
① 연소되기 위해서는 탈 수 있는 물질(연료)과 공기(산소)가 있어야 하고, 발화점 이상의 온도가 유지되어야 한다.  연소의 세 가지 조건 중 하나 이상을 제거하면 불이 꺼진다.
② 연소 생성물 : 화석 연료의 주성분은 탄소와 수소이므로 화석 연료를 연소시키면 공통적으로 물과 이산화탄소가 생성된다.
③ 연소 생성물의 확인 :물은 푸른색 염화코발트 종이를 붉게 변화시키고, 이산화탄소는 석회수를 뿌옇게 흐린다.

 

◈ 합성 고분자 화합물

 

1. 고분자 화합물
분자량이 10,000이상인 거대 분자를 이루는 화합물을 고분자 화합물이라고 한다.  고분자 화합물에는 탄수화물, 단백질 등과 같이 자연계에 스스로 존재하는 천연 고분자 화합물과 합성 수지, 합성 섬유와 같이 인공적으로 만들어진 합성 고분자 화합물이 있다.

 

2. 중합 반응
단위체들이 수없이 많이 모여 중합체(고분자 화합물)를 이루는 반응이다.
① 첨가 중합 반응
불포화 결합(이중 결합, 삼중 결합)이 끊어지면서 일어나는 중합 반응이다.  첨가 중합체로 포리에틸렌, 폴리염화비닐, 폴리프로필렌 등이 있다.
② 축합 중합 반응
작용기 사이에서 간단한 분자가 빠져나오면서 일어나는 중합 반응이다.  축합 중합체로는 페놀 수지, 요소 수지 등이 있다.

 

3. 플라스틱(합성수지)
가장 대표적인 합성 고분자 화합물로, 대부분 원유의 분별 증류에서 얻어지는 나프타를 분해한 물질로 만든다.
① 합성수지의 종류
합성수지는 열을 가했을 때의 성질에 따라 열가소성 수지와 열경화성 수지로 나눌 수 있다.
ⓐ 열가소성 수지 : 주로 사슬 모양의 구조를 가진 고분자 화합물이다.  열에 의해 쉽게 부드러워져 일정한 모양으로 성형, 가공할 수 있다.
(예) 폴리에틸렌, 폴리염화비닐(PVC), 폴리스티렌 등
ⓑ 열경화성 수지 : 주로 그물형 구조를 가진 고분자 화합물로 단단하고 강하다.  열에 의해 모양이 변하지 않는다.
(예) 페놀 수지, 요소 수지, 플루오르 수지(테플론)

 

합성수지의 종류

합성수지의 종류에 따른 성질을 알아보기 위해 요구르트병과 단추를 오른쪽 그림과 같이 끓는 물속에 넣어 가열한 다음, 꺼내어 집게로 눌러보고 그 결과를 관찰하였다.
① 요구르트병을 끓는 물속에 넣었더니 모양이 찌그러지고, 집게로 눌렀더니 모양이 변형 되었다.
② 단추를 끓는 물속에 넣었더니 아무 변화가 없었다.  집게로 눌러도 모양이 변하지 않았다.
③ 열가소성 수지로 만들어진 요구르트병은 열에 의해 변형이 쉽고, 열경화성 수지로 만들어진 단추는 열에 의한 변형이 어렵다.
결론 : 합성수지는 열을 가했을 때의 성질에 따라 열가소성 수지와 열경화성 수지로 나눌 수 있다.

② 합성수지의 성질
ⓐ 탄성이 있어 외부의 힘과 충격을 잘 흡수한다.
ⓑ 열과 전기를 잘 통하지 않는다.
ⓒ 화학 약품에 강하여, 산이나 염기에 잘 견딘다.
ⓓ 열을 이용하여 가공하기 쉽다.
ⓔ 대부분 밀도가 작아 가볍고, 광택이 있다.
ⓕ 착색이 용이하고 잘 썩지 않으며 대량 생산이 가능하다.

 

 

4. 플라스틱 재활용
① 폐플라스틱 처리
여러 가지 장점으로 우리 생활에 필수품으로 자리잡고 있는 플라스틱은 사용후 처리 문제가 심각하다.  폐플라스틱을 처리하는 방법은 소각 또는 매립시키는 방법이 있는데 각각 많은 문제점이 있다.
ⓐ 소각 : 완전 연소가 어렵고, 냄새가 많이 난다.  유독 가스를 배출하며 대기를 오염시킨다.
ⓑ 매립 : 미생물에 의해서도 잘 분해되지 않으므로 매립해도 썩지 않아 물과 공기가 침투하지 못하여 토양과 지하수를 오염시킨다.

② 플라스틱 재활용
폐를라스틱을 재활용하면 폐기물로 인한 환경 오염을 줄일 수 있다.
또한 플라스틱의 생산에 필요한 자원과 에너지를 절약할 수 있다.  폐플라스틱의 재활용품은 건축 자재, 공업용 자재, 토목 재료, 농업용 자재, 각종 블록 등이 있다.

③ 플라스틱 분류 표시
플라스틱의 재질에 따른 분류 표시에 따라 수거해야 한다.

 

5. 합성섬유
합성 섬유는 고분자 화합물 중에서 실처럼 가늘게 뽑아 섬유로 사용할 수 있는 것이다.  합성 섬유는 고분자 내에 포함된 특정한 결합에 따라 분류된다.
① 폴리아미드계 합성 섬유
아미노기(-NH₂))와 카르복시기(-COOH) 사이의 탈수 축합 중합 반응에 의해 만들어진 펩티드 결합(아미드 결합)으로 이루어진 합성 섬유이다.
ⓐ 헥사메텐디아민과 아디프산에 의해 만들어진 나일론이 가장 대표적이다.
ⓑ 나일론은 질기지만 땀을 흡수하지 못하고, 정전기가 생긴다.  카펫, 밧줄, 그물, 전선 등에 많이 이용된다.

 

6. 합성 고무
이소프렌이나 다른 물질을 이용하여 고무를 인공적으로 만들 수 있는데, 이렇게 만든 고분자 화합물을 합성 고무라고 한다.
① 천연 고무
라텍스(고무나무의 수액)에 아세트산을 가하여 응고시킨 천연 고분자 화합물로, 이소프렌의 첨가 중합체이다.

 

② 합성 고무의 종류
ⓐ 부나-S(SBR) 고무 : 부타디엔과 스티렌의 첨가 중합 반응(혼성 중합 반응)에 의해 만들어진다.  강도와 탄력, 내마모성이 좋아 자동차의 타이어나 구두창에 이용된다.
ⓑ 부나-N(NBR) 고무 : 부타디엔과 아크릴로니트릴의 첨가 중합 반응(혼성 중합 반응)에 의해 만들어진다.
ⓒ 네오프렌 고무 : 클로로프렌의 첨가 중합 반응에 의해 만들어진다.  화학 약품, 기름, 열, 공기, 빛에 잘 견디므로 호스, 테이프, 전선의 피복 등에 이용된다.

 

③ 합성고무 폐기물

합성 고무의 폐기물은 환경에 큰 영향을 미치는데 특히 자동차에서 나오는 폐타이어의 문제가 가장 심각하다. 놀이터 등에 이용되기도 하지만, 버려진 많은 폐타이어들이 환경을
오염시키고 있다.

 

 

◈ 천연 고분자 화합물

 

1. 탄수화물
탄소, 수소, 산소로 이루어진 천연 고분자 화합물로 여러 개의 포도당 분자가 결합하여 만들어졌다.  어떤 포도당에 의해 만들어졌느냐에 따라 크게 녹말과 셀룰로오스로 나눌 수 있다.

 

① 녹말(전분)
일반식은 (C₆H₁₀O₅)_n이며 찬물에 녹지 않고 뜨거운 물에 녹는다. 가수 분해되면 α-포도당이 생성된다.
ⓐ 식물이 저장하고 있는 탄수화물로 우리 몸의 에너지원으로 사용된다.
ⓑ 요오드 녹말 반응 : 녹말 용액에 요오드 용액을 가하면 보라색으로 변하는 반응으로 녹말의 검출에 이용된다.

② 셀룰로오스

일반식은 (C₆H₁₀O₅)_n이며, 찬물이나 뜨거운 물에 모두 녹지 않는다. 가수 분해되면 β-포도당이 생성된다. 식물 세포벽의 주성분으로 섬유소라고도 한다.

 

2. 단백질
탄소, 수소, 산소 외에 질소, 황 등을 포함한 천연 고분자 화합물이다.  생물체를 구성하고 생명 활동을 유지시켜 준다.
① 우리 몸의 근육, 피부, 힘줄, 호르몬, 항체, 효소 등을 이룬다.
② 여러 개의 아미노산의 펩티드 결합에 의해 만들어졌다.
③ 아미노산 : 한 분자 속에 산성을 나타내는 카르복시기(-COOH)와 염기성을 나타내는 아미노기(-NH₂)를 모두 가지는 물질이다.  아미노산은 중심 탄소에 붙어 있는 R(알킬기)에 따라서 그 종류가 달라진다.

 

3. 단백질의 일반적 성질
가수 분해하여 아미노산이 된다.  열이나 알코올, 중금속 등에 의해 굳는다(단백질의 변성).  분자 내의 수소 결합으로 나선형 구조를 이룬다.

 

 

 

1.포스팅에 사용된 모든 이미지의 1차 저작권은 해당업체에 있으며 독자의 이해를 돕기 위해 편집하였음을 밝힙니다. 2.이미지 편집에 대한 2차 저작권은 Dr.Leepark에게 있으며 사용 서체는 상업적 이용이 허가된 나눔체, 서울남산체, 서울한강체, 즐거운서체입니다. 3.공개 백과사전에서 인용한 부분은 별도의 주석을 생략합니다. (illustrator : Dr.Leepark, owner : Kim SaBu, http://kimsabu.tistory.com)

공감 클릭은 로그인이 필요하지 않습니다. 하지만 포스팅에 큰 힘이 됩니다.