▲ 석유 시추기
땅 속에는 정말 신비한 물질들이 많이 있습니다. 겉으로 보아서는 별로 특별한 것들이 없을 것 같지만 깊은 땅 속으로 들어가면 우리에게 정말 유용한 것들이 많이 있습니다. 건물이나 자동차자 만들 때 많이 쓰이는 철이 있고, 전기가 흐르도록 도와주는 전선 속의 구리도 땅 속에 숨어 있습니다. 그리고 장식품에 많이 쓰이는 금이나 반짝반짝 빛나는 다이아몬드도 땅 속에서 얻어지는 신비한 물질 중의 하나 입니다. 이뿐만 아니라 땅 속에는 우리에게 소중한 에너지원이 되는 물질들도 있는데, 석탄이나 천연가스, 그리고 현대 생활에서 정말 중요한 석유가 있습니다. 에너지원이 되는 다른 물질들도 중요한 역할을 하고 있지만 석유는 그 쓰임새가 다양하다 보니 더 중요한 것이 사실입니다.
석유 속에는 자동차를 붕붕 달리게 하는 휘발유도 들어 있고 보일러에 많이 사용되는 등유, 비행기에 사용되는 연료도 들어 있습니다. 또 자동차가 달리는 도로를 포장할 때 쓰이는 아스팔트도 이 석유에서 얻으며, 기계를 부드럽게 움직이도록 도와주는 윤활유도 숨어있습니다. 게다가 중유도 있고 합성고무에 쓰이는 물질도 들어 있다고 합니다. 이렇게 다양한 물질이 들어있는 석유에는 또 특별한 물질이 있습니다. 바로 에틸렌이라는 것인데요, 어디선가 들어본 듯한 이름인 에틸렌은 정말 많은 곳에서 사용되고 있습니다. 아주 작은 분자인 에틸렌은 우리 석유화학 산업과 정말 밀접한 관련이 있는 물질일 뿐만 아니라 에틸렌은 신비한 능력도 가지고 있습니다. 게다가 한화케미칼하고도 특별한 인연이 있는 물질이기도 하지요. 그래서 오늘 케미칼 스토리에서는 아주 작은 분자이지만 아주 신비하고 중요한 에틸렌에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
▲ 에틸렌의 구조(중앙)와 에틸렌으로부터 얻어지는 다양한 화학물질들
오늘의 주제인 에틸렌은 아주 작은 분자입니다. 탄소 두 개와 수소 네 개로만 이루어져서 작은 분자이지요. 작은 분자인 에틸렌은 아주 낮은 온도가 아니면 평소에는 우리 주변의 공기처럼 기체로 존재합니다. 이 에틸렌은 기체일 때 색은 없어서 눈으로 확인은 할 수 없지만 약간 달콤한 냄새가 나는 것으로 알려져 있습니다.
이 에틸렌이 중요한 이유는 산업에서 많이 쓰이는 물질들을 만드는 데에 원료가 되기 때문입니다. 에틸렌은 화학적인 방법을 이용하면 다양하게 변신 시킬 수가 있는데, 산소를 넣어주면 비누나 샴푸, 설거지나 세탁에 많이 사용되는 세제의 주요 성분인 계면활성제를 만드는 원료로 변신하게 됩니다. 또 염산이나 염소와 반응시키면 에틸렌 다이클로라이드(EDC)라는 물질로 변신하는데, 이 물질은 한화케미칼에서 만드는 물질로 유기 용매로도 쓰이고 PVC를 만들 때 사용되는 물질인 비닐 클로라이드를 만들 때 이용되고 있습니다. 또 에틸렌을 물과 반응시키면 술의 주요 성분인 에탄올이 만들어집니다. 이뿐만 아니라 에틸렌은 화학반응만 이용하면 이외에도 수십가지 물질로 변신 가능한데요, 이렇게 보니 에틸렌은 변신의 귀재라고 할 수 있군요.
이렇게 에틸렌이 다양한 물질로 변신이 가능한 것은 에틸렌이 가지고 있는 구조 때문입니다. 에틸렌은 탄소 두 개가 서로를 두 개의 팔로 잡고 있는 모양의 이중결합을 가지고 있는데, 이 결합은 다른 물질과의 반응을 유용하게 해서 에틸렌이 다양한 물질로 바뀌는 것을 도와주고 있습니다.
▲ 크래킹 모식도
그렇다면 마치 카멜레온처럼 변신이 가능한 에틸렌은 어떻게 만들어지고 있을까요? 앞서 이야기 한 것처럼 에틸렌은 석유에서 만들어집니다. 석유는 다양한 물질이 섞여있는 혼합물인데, 이 중에서 원하는 물질을 얻기 위해서 정제과정을 거치게 됩니다. 이러한 정제과정 중에는 큰 분자를 작은 분자로 만드는 크래킹(Cracking)이라고 불리는 과정이 있습니다. 뜨거운 열이나 촉매를 이용해서 분자를 작게 만드는 이 크래킹 과정에서 바로 이 에틸렌이 만들어지는 것이지요. 또 다른 방법으로는 에탄올을 황산과 반응시키면 에틸렌을 얻을 수가 있는데, 실제로 산업에서는 앞서 이야기한 석유에서 얻는 방법이 더 많이 이용되고 있다고 합니다.
에틸렌은 카멜레온처럼 다양한 물질로 변신이 가능하다는 것을 이제는 아셨죠? 그런데 알고 보면 에틸렌은 변신 능력외에도 신비한 능력을 가지고 있는데, 첫 번째가 마취 능력입니다. 가벼운 병을 앓았다면, 병원에서 진찰을 받고 약을 먹고 휴식을 취하면 대부분이 회복을 하지만 특별한 경우에는 수술을 하기도 합니다. 이러한 수술 과정에서 마취는 중요한 비중을 차지하는데, 마취가 중요한 것은 수술도중 겪는 고통을 환자가 느낄 수 없게 해주고 수술을 마치도록 해주기 때문에 입니다. 이렇게 중요한 것이 마취제인데, 에틸렌이 수술에서 꼭 필요한 마취제로 그 역할을 할 수 있습니다. 이러한 능력을 가질 수 있는 것은 대부분 마취제들이 작용하는 것처럼 고통을 뇌로 전달하는 과정에서 신경세포에 작용하여서 이 고통이 뇌로 전달되는 것을 막아주기 때문입니다.
또 다른 에틸렌의 능력은 식물에게 성장 촉진제로 작용하는 것입니다. 사람도 성장호르몬이라고 부르는 호르몬이 있어서 성장이 활발한 청소년기에 몸이 성장하도록 촉진하는데요, 식물에 경우에도 이러한 호르몬으로 에틸렌을 사용하고 있습니다. 식물은 씨앗이 땅에 떨어지게 되면 싹을 틔우는 발아 과정을 거치는데, 이 때 에틸렌이 발아를 촉진합니다. 또 꽃이 피거나 지는 것, 잎이 자라서 떨어지는 과정, 과일이 숙성하는 것에도 에틸렌이 작용합니다. 이러한 에틸렌 작용을 알게 된 이후로 농산물 수확에 많이 이용되고 있습니다. 먼 나라에서 오는 수입 과일이나 장기간 과일을 보관해야 하는 경우 과일이 익은 상태에서 보관이 힘든데요, 너무 오랜 시간 보관하게 되면 과일이 변하게 되어서 문제가 되기 때문입니다. 그래서 완전히 익은 상태보다는 덜 익은 과일 보관하였다가 에틸렌 기체를 이용해서 과일을 숙성시켜서 필요한 시기에 이용하게 됩니다. 대표적으로 동남아에서 많이 수입되는 바나나에 경우 초록색으로 덜 익은 상태로 들어오다가 나중에 숙성시켜서 판매가 된다고 합니다.
지금까지 다양한 곳에 이용될 뿐만 아니라 신비한 능력조차 가지고 있는 에틸렌에 대해서 알아보았습니다. 이 외에 에틸렌이 중요한 이유가 하나 더 있습니다. 우리가 많이 사용하는 플라스틱 중에는 에틸렌으로 만드는 플라스틱이 있는데, 이것이 바로 폴리에틸렌입니다. 케미칼 스토리에서 많이 소개해드렸던 폴리에틸렌 또한 사용되는 곳이 정말 다양합니다. 핸드폰에 사용되는 보호 필름, 각종 포장지, 쇼핑백에도 사용되고 있고, 주방에서 흔히 볼 수 있는 독성이 없는 플라스틱 용기에도 폴리에틸렌이 사용되고 있습니다. 게다가 화학적으로 상당히 안정적인 물질이라서 연구실에서도 많이 이용되고 있으며, 절연성이 뛰어나서 전선의 절연제로도 이용되고 있습니다. 그리고 폴리에틸렌 중 특별히 아주 강도가 높은 UHMWPE에 경우는 총알을 막아주는 용도로도 사용되기도 합니다.
이렇게 다양하게 사용되고 있는 폴리에틸렌은 한화케미칼과도 인연이 아주 깊은데요, 국내 최초로 1973년도부터 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)을 생산하기 시작한 한화케미칼은 40년간 국내에 폴리에틸렌을 생산하고 있습니다. 연간 80만톤이라는 엄청난 양을 생산해서 국내뿐만 아니라 전 세계 곳곳에 폴리에틸렌을 공급하고 있는 한화케미칼은 다양한 성능을 가지고 있는 폴리에틸렌뿐만 아니라 전선수지로 사용될 수 있는 폴리에틸렌까지 개발해서 전량 수입해야 했던 전선용 수지를 공급해주고 있습니다.
▲ 폴리에틸렌의 3차원 구조
이렇게 다양한 곳에 쓰이고 한화케미칼과도 인연이 깊은 폴리에틸렌이 어떻게 에틸렌이라고 하는 작은 분자으로부터 만들어 지는 것일까요? 에틸렌은 탄소와 탄소가 두 손을 붙잡고 있는 이중결합을 가지고 있다고 앞에서 설명해 드렸는데요, 이 이중결합 중 하나가 끊어지고 다른 에틸렌과 손을 잡으면 에틸렌은 점차 길어져서 긴 고분자가 만들어지는 중합이 일어나게 됩니다. 이러한 일을 통해서 폴리에틸렌이 만들어지고, 이때 반응이 일어나는 조건을 변화시키면 다양한 폴리에틸렌을 얻을 수 있습니다. 보통 밀도에 따라서 저밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌으로 나누어지게 됩니다.
지금까지 변화의 귀재이자 신비한 능력을 소유하고 있는 에틸렌에 대해서 알아보았습니다. 작은 분자에 속하고 잘 보이지도 않지만, 너무나도 사용될 수 있는 곳이 많은 에틸렌을 보고 있으니 ‘작은 고추가 맵다’라는 속담이 생각납니다. 역시 작다고 무시하면 안되겠죠?
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- 참고문헌 –
한화케미칼 http://hcc.hanwha.co.kr
한화케미칼 블로그 http://www.chemidream.com/
General Chemistry, Thomson, Whitten, Davis, Peck, Stanley
OECD SIDS Initial Assessment Profile — Ethylene
마취와 진정, 임혜자
Ethylene biosynthesis and its regulation in higher plants, Yang, S. F., and Hoffman N. E, Ann. Rev. Plant Physiol