지문해설 | 2025학년도 고3 6평 "플라스틱의 형성 원리" 과학지문 Q8~11

 

2025학년도 고3 6평 속 고분자 화합물, 공유 결합, 에틸렌 중합 과정을 설명합니다. 잘 와닿지 않아 어려웠던 과학기술을 쉽게 이해해 보세요 :)

 

목차

2025학년도(2024년 시행) 고3 6월 평가원 모의고사 Q8~11  플라스틱의 형성 원리 

1문단

 

전 세계적으로 1년 동안 약 5억 톤 가량이 소비되는 플라스틱.

플라스틱은 '열과 압력으로 성형할 수 있는 고분자 화합물'입니다.

고분자 화합물이 무엇을 의미하는지, 아래 지문을 통해 확인해 보도록 합시다.

 

2문단

 

고분자 화합물인 플라스틱은 '단위체인 작은 분자가 수없이 반복 연결되는 중합을 통해 만들어진 거대 분자'로 이루어져 있습니다.

단위체? 중합? 다 너무 낯선 용어이지만 찬찬히 살펴보도록 합시다.

원자들은 '서로 전자를 공유하여 안정한 상태가 되는' 공유 결합을 하여 분자를 이룰 수 있습니다.

두 원자가 전자를 각각 하나씩 내어놓아 한 쌍의 전자를 공유하면 단일 결합, 두 개씩 내어놓아 두 쌍의 전자를 공유하면 이중 결합이라고 합니다.

'대부분의 원자는 가장 바깥 전자 껍질의 전자 수가 8개가 될 때 안정'해지기 때문에, 다른 원자와 전자를 공유하여 안정한 상태가 되고자 합니다.

 

3문단

 

지문에서는 고분자 화합물인 플라스틱의 한 종류로 폴리에틸렌을 소개하고 있습니다.

폴리에틸렌은 에틸렌 분자들이 단위체가 되어, 수없이 반복 연결되는 중합 과정을 거쳐 만들어집니다.

에틸렌의 중합을 통해 형성되는 폴리에틸렌

 

에틸렌은 어떤 분자일까요?

에틸렌은 '두 개의 탄소 원자(C)와 네 개의 수소 원자(H)'의 공유결합으로 이루어진 분자입니다.

 

2문단에서 설명하고 있는 공유 결합과 연결 지어 에틸렌의 구조를 살펴보도록 하겠습니다.

아래 그림과 같이 에틸렌은 '▲두 개의 탄소 원자가 서로 이중 결합을 하고 ▲각각의 탄소 원자는 두 개의 수소 원자와 단일 결합'을 하는 분자입니다.

탄소 원자 하나의 입장에서 생각해 보면, ▲탄소 원자는 다른 탄소 원자 하나랑 이중 결합을 하고, ▲두 개의 수소 원자와 단일 결합을 하는 것입니다.

 

에틸렌을 구성하는 화학 결합이 와닿지 않는다면, 위 그림에서 노란색으로 표시한 탄소 원자 하나를 집중적으로 살펴봅시다.

'가장 바깥 전자 껍질에 4개의 전자(그림에서 하늘색 원으로 표현)'를 가지고 있는 탄소 원자는 안정한 상태(=가장 바깥 전자 껍질의 전자 수가 8개)가 되기 위해서

▲ 다른 탄소 원자와는 가장 바깥 전자 껍질의 전자 4개 중 2개씩을 내어놓고 이중 결합을 이루고,

▲ 두 개의 수소 원자와는 남은 가장 바깥 전자 껍질의 전자 2개가 각각 한 쌍의 전자를 공유하여 단일 결합을 이룹니다.

이로써, 탄소 원자는 가지고 있던 가장 바깥 전자 껍질의 전자 4개 외에 4개의 공유된 전자를 가지기 때문에 안정한 상태의 에틸렌을 이룰 수 있습니다.

 

이때, 지문에서는 '탄소 원자 간의 이중 결합에서는 한 결합이 다른 하나보다 끊어지기 쉽다'는 점을 알려주고 있습니다.

 

4문단

 

앞서 에틸렌 분자의 구조를 살펴보았는데, 에틸렌 분자들은 어떤 과정을 거쳐 폴리에틸렌으로 형성될까요?

지문에서는 에틸렌의 중합을 위해 과산화물 개시제를 사용하는 방법을 소개하고 있습니다.

 

▲ 개시(initiation)

과산화물 개시제는 -O-O- 구조를 가진 화합물로, 폴리에틸렌을 형성시키는 촉매입니다.

과산화물 개시제가 열을 흡수하면 '불안정한 상태의 원자를 가진 분자로 분해'됩니다.

※ 과학 용어로는 자유 라디칼(RO·)이라고 하는데, '가장 바깥 껍질에 7개의 전자'만 있기 때문에 불안정하다는 특성을 가지고 있습니다.

 

2문단에서 원자는 가장 바깥 껍질에 전자를 8개로 만들면서 안정한 상태가 되길 원한다고 했었죠?

분해된 분자에 있는 불안정한 상태의 원자(자유 라디칼) 역시 '안정해지기 위해' 전자 하나를 공유받아야 하는데,

그 과정에서 3문단에서 언급된 것처럼 '에틸렌이 가진 탄소의 이중 결합 중 더 약한 결합'은 끊어지고,

원래는 끊어진 결합에 공유되던 전자가 불안정한 상태의 원자(자유 라디칼)와 공유되는 '단일 결합'을 하게 됩니다.

 

▲ 성장(propagation)

그러면 '다른 쪽 탄소 원자는 공유되지 못한, 홀로 남은 전자를 갖게' 되는데, 다시 말하면 다른 쪽 탄소 원자가 다시 '불안정한 탄소 원자'가 되었기 때문에 다른 전자를 공유받아 가장 바깥 껍질의 전자를 8개로 채우고 싶어 합니다.

앞선 과정에서 그랬듯이 이 불안정한 탄소 원자는 '다른 에틸렌 분자와 반응'하며 에틸렌 분자의 이중 결합 중 하나를 끊고 새로운 단일 결합을 형성합니다.

이와 같은 반응이 이어지면 '불안정해지는 탄소 원자가 계속 생성'되는데, 새로운 단일 결합을 형성하는 과정을 반복하여 '사슬 형태'를 이루며 '지속적으로 성장'합니다.

 

▲ 정지(termination)

그렇기 때문에 '사슬의 끝에는 불안정한 탄소 원자가 존재'하는데,

'성장하는 두 사슬의 끝이 서로 만나 결합'하면 탄소 원자를 포함하여 모든 원자들이 안정한 상태를 유지할 수 있게 됩니다.

이로써 '안정한 상태가 되면 반복적인 반응이 멈추고', 단위체(에틸렌)가 공유결합으로 수없이 반복 연결되어 있는 '폴리에틸렌이라는 고분자 화합물'이 형성됩니다.

 

5문단

 

사슬들이 서로 만나 결합하고 있는 플라스틱에는 '사슬들이 일정한 방향으로 나란히 배열되어 있는' 영역이 있습니다.

이를 '결정 영역'이라고 하는데, 플라스틱에서 결정 영역이 차지하는 부분의 비율을 조절하면 플라스틱의 물성이 다른 다양한 종류의 플라스틱을 만들 수 있습니다.

 

예를 들어, 결정 영역이 많아 사슬이 일정한 방향으로 나란히 배열된 플라스틱은 ▲유연성이 낮고 ▲불투명해지지만, ▲밀도가 높으며 ▲화학 물질에 대한 민감성이 낮고 ▲열에 의해 잘 변형되지 않는 특성을 가집니다.

 

10번 문제 해설

문제 10번의 <보기>에서  ㉮ 가지를 친 구조의 사슬들과 ㉯ 직선형 구조의 사슬들이 언급되는데,

㉮와 ㉯는 각각 결정 영역의 비율이 어떠한 폴리에틸렌이며, 어떤 물성을 가질까요?

 

지문에서 ¹ 결정 영역은 사슬들이 일정한 방향으로 나란히 배열되어 있는 것이며, ² 결정 영역이 많을수록 플라스틱의 밀도가 높아진다고 하였으므로, <보기>에서 '한 방향으로 서로 나란히 조밀하게 배열'된 사슬 ㉯는 결정 영역이 많은 폴리에틸렌을 가리킨다는 점을 알 수 있어야 합니다. 이와 대조적으로, '가지를 친 구조'로 만들어져 '조밀하게 배열되기 힘든' 사슬 ㉮는 결정 영역이 적은 폴리에틸렌이겠죠?

 

5문단에서 언급한 결정 영역이 많은 플라스틱의 특성이 사슬 ㉯에 해당한다는 점을 참고하여 문제를 풀면 됩니다.

 

※ 참고로, 폴리에틸렌은 실제로 아래 그림과 같이 사슬이 가지를 친 구조 또는 직선형 구조를 이루고 있습니다. 가지를 친 구조는 밀도가 낮아 저밀도 폴리에틸렌(Low-Density Polyethylene, LDPE), 직선형 구조는 밀도가 높아 고밀도 폴리에틸렌(High-Density Polyethylene, HDPE)으로 명명됩니다.

사슬 구조에 따른 폴리에틸렌의 유형

 

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 요약 

플라스틱은 단위체가 수없이 반복 연결되는 중합을 통해 만들어진 고분자 화합물입니다.

플라스틱의 한 종류인 폴리에틸렌은 에틸렌이 중합 과정을 거쳐 고분자 화합물로 형성됩니다.

• 에틸렌 분자는 공유 결합을 통해 안정된 상태를 이루고 있음
• 과산화물 개시제가 열을 흡수하면 불안정한 상태의 원자가 생성됨 → 에틸렌이 가진 탄소의 이중 결합 중 하나가 끊어지고 새로운 단일 결합을 형성하는 과정을 반복하여 사슬 형태로 성장함 → 성장하는 사슬의 끝이 서로 만나 결합하여 안정된 상태가 되면서 반복 반응이 멈춤

사슬이 일정한 방향으로 나란히 배열되어 있는 부분의 비율에 따라 플라스틱의 물성이 결정됩니다.