[일반화학실험]나일론 6,10 합성 2부

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

1) 비이커(250 ㎖), 눈금피펫(5 ㎖), 핀셋, 유리 막대(젓게), 오븐 또는 진공 오븐

2) 진공 펌프, 감압플라스크, 뷰흐너 깔대기, 저울, 녹는점 측정기

3) 페놀프탈레인(또는 식용 색소), 메탄올 또는 아세톤

4) 메탄올, 테트라클로로에틸렌

Reagent	분자식	분자량 (g/㏖)	녹는점 (m.p)	끓는점 (b.p)	밀도 (d)	굴절률
헥사메틸렌다이아민(Hexamethylenediamine or 1,6-Hexanediamine)	H2N(CH2)6NH2	116.21	42℃	205 ℃
염화 세바코일(Sebacoyl Chloride)	C10H16Cl2O2	239.14			1.121	nD20 :1.4728
사염화탄소	CCl4	153.84	-23℃	76.75℃	d20 : 1.63195	nD25 : 1.45732
(Carbon Tetrachloride)	물에 녹기 어렵고, 그 용해도는 0.08g/100g(20℃). 알코올, 에테르에 녹음
수산화나트륨	NaOH	40.01	318.4℃	1388℃	용해도: 109g/100g(20℃)
(sodium hydroxide)	cf. 순수한 것은 녹는점이 328℃임. 그러나 실제 물과 탄산염 포함

 

5) 아디프산(Adipic acid)

1,4-부탄디카르복시산이라고도 한다. 화학식 HO2C(CH2)4CO2H. 무색의 주상결정으로 분자량 146.15g/㏖, 녹는점 153~153.5 ℃이다. 물에는 약간 녹아 산성을 보인다. 에탄올․아세톤에는 잘 녹지만, 에테르․탄화수소용매에는 거의 녹지 않는다. 가열하면 아디프산무수물이나 중합체무수물을 생성하지만, 칼슘염을 건류하면 시클로펜탄온을 생성한다. 실험실에서는 시클로헥산올을 질산으로 산화시켜 만든다. 

즉, 농도 61.3%의 질산을 시클로헥산올에 대해 4배 사용하여 55~60℃에서 시클로헥산올을 질산 속에 저으면서 떨어뜨려 냉각시키면 아디프산이 결정으로 석출된다. 또, 공업적으로는 시클로헥산에서 직접 또는 시클로헥산온을 거쳐, 공기 또는 산소로 산화시켜 합성한다. 아디프산은 6,6-나일론을 중심으로 하는 합성섬유의 원료로서 중요하며, 폴리에스테르수지의 원료로도 사용된다. 아디프산과 옥틸알코올․데실알코올 등의 디에스테르는 가소제나 합성윤활유로서도 사용된다

 

6) 헥사메틸렌디아민

1,6-디아미노헥산이라고도 한다. 화학식 H2N(CH2)6NH2. 분자량 116g/㏖, 끓는점 100℃(20mmHg), 녹는점 442℃. 물 ․에탄올 ․벤젠 등에 녹는다. 아디포니트릴을 암모니아 존재하에서 접촉 환원하여 얻는다. 6,6-나일론의 합성원료이다.

 

7) 디카르복시산

옥살산 ․숙신산 ․타르타르산 ․글루탐산 등은 자연계에 존재하는 디카르복시산인데, 가장 간단한 것은 탄소수 2인 옥살산이고, 글루탐산 ․숙신산은 탄소수가 각각 3,4이다. 냄새가 없는 무색 결정으로 뜨거운 물에 녹는 것이 많으며, 모두 이염기산으로서의 성질을 보인다. 공업적으로는 나일론의 원료가 되는 아디프산, 에스테르계 합성섬유(테트론 등)의 원료가 되는 테레프탈산, 조미료의 원료가 되는 글루탐산 등이 중요하다.

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 염화세바코일 0.5㎖(→0.2㎖)를 눈금피펫으로 취하여 디클로로메탄(또는 사염화탄소) 10㎖가 들어있는 50㎖(→100㎖) 비커에 용해시킨다.

2) 50㎖ 눈금실린더(비커)에서 헥사메틸렌디아민 0.46g 과 수산화나트륨 0.08g을 10㎖의 증류수에 용해시킨다

3) 이 용액을 염화세바코일 용액이 담긴 비커의 기벽을 따라 서서히 부어 넣는다. 나일론 필름이 접촉되는 계면에서 생성될 것이다.

4) 생성된 나일론 필름을 핀셋으로 조심스럽게 끌어올려 유리막대에 감는다. 유리막대를 돌려 계면에 생선된 필름을 비커로부터 끌어 올리면, 계면에서 계속 중합체가 생성되므로 이어지는 나일론 끈을 얻을 수 있다.

5) 중합체가 더 이상 생성되지 않을 때까지 유리막대로 나일론 끈을 감아 올린다. (주의 : 이때 감아올린 나일론 끈은 반응하지 않는 출발물질을 포함하고 있을 수 있으므로 씻기 전까지는 손으로 만지지 않도록 한다.)

6) 생성된 나일론의 끈을 메탄올 또는 아세톤의 1:1 수용액으로 씻은 후 다시 물로 충분히 씻는다.

7) 이것을 100℃이하의 오븐 또는 50℃이하의 진공오븐에서 말린다. 얻은 중합체의 무게를 달고, 그 녹는점을 측정한다.

 

Step A.

1) 염화 세바코일 1㎖를 눈금피펫으로 취하여 다이클로로메탄 (또는 사염화 탄소) 50㎖가 들어 있는 250㎖ 비이커에 녹인다.

2) 100 ㎖ 눈금실린더에서 헥사메틸렌다이아민 2.3g 과 수산화 나트륨 0.4g 그 리고 2~3 방울의 페놀프탈레인 용액 (또는 식용 색소 용액)을 50 ㎖의 증류수 에 녹인 후, 이 용액을 염화 세바코일 용액이 담긴 비이커의 벽을 따라 서서히 부어 넣으면 두 용액의 계면에서 나일론 필름이 생성된다.

3) 생성된 나일론 필름을 그림처럼 핀셋으로 조심스럽게 끌어올려 유리 막대에 감 는다. 계면에서 나일론 필름이 더 이상 만들어지지 않을 때까지 유리 막대로 나 일론 끈을 감아 올린다. 이때 필름을 손으로 만지지 않도록 한다.

4) 합성된 나일론을 메탄올 또는 아세톤과 물을 1:1로 혼합한 용액으로 씻은 후에 다시 물로 충분히 씻어서 100℃ 이하의 오븐에서 말린다.(헥사메틸렌다이아민은 물에는 잘 녹지만 다이클로로 메탄이나 사염화탄소와 같 은 유기용매에는 잘 녹지 않는다. 한편 염화 세바코일은 물에는 잘 녹지 않고 유기 용매에 잘 녹는 특성을 가지고 있다. 따라서 수산화 나트륨을 촉매로 포함 하는 수용액과 유기 용매 사이의 계면에서 중합 반응이 진행되어 나일론 6,10이 생성된다. 수용액이나 유기 용매에 잘 녹는 발광 물질을 첨가하면 색이 있는 나 일론을 만들 수도 있다)

 

Step B. 교반방법

1) 헥사메틸렌다이아민 2.3g 과 수산화나트륨 0.8g을 물 160㎖에 용해시킨 후 조리용 혼합기에 넣는다. 반면 따로 염화 세바코일 2㎖를 테트라클로로 에틸렌 100㎖에 녹인다.

2) 혼합기를 세게 돌리면서 이 용액을 15초에 걸쳐 부어 넣고 2분간 교반을 계속 한 후 생성된 나일론을 유리거르개를 사용하여 거른다. (혼합기의 뚜껑을 연 채로 교반하면 액이 밖으로 튀어나올 염려가 있으므로 알루 미늄 박지로 혼합기 통의 위를 씌우고 가운데 조그마한 구멍을 뚫고 세바코일 용액을 불어넣고 혼합기의 뚜껑을 닫는다.)

3) 생성된 중합체를 씻어 말려 그 무게를 달고 녹는점을 측정한다.

 

2. 실제 실험 과정

1) 염화세바코일 1.0 ㎖와 사염화탄소 20㎖를 비커에 용해시킨다.

2) 헥사메틸렌디아민 0.92g 과 수산화나트륨 0.16g을 20㎖의 증류수에 용해시킨다

3) 2)번 용액을 1)의 용액의 외벽을 따라 약간 부어 준다.

4) 그러면 나일론 필름이 생성되는 그끝을 핀셋으로 끌어올려 유리막대에 감는다. 계면에서 계속 중합체가 생성되므로 이어지는 나일론 끈을 얻을 수 있다.

5) 생성된 나일론 끈은 손으로 만지지 말고 메탄올과 증류수 1:1 수용액으로 옮긴다. 그러면 생성된 나일론 필름이 서로 붙지 않고 계속된 끈을 유지한다.

6) 페놀프탈레인 용액을 첨가해서 나일론을 염색한다.그러면 나일론 끈이 페놀프 탈레인에 염색되어 붉은 색을 나타내는 것을 볼수 있다.

7) 얻은 나일론은 건조 시키면 된다.(실제 실험에선 건조 과정은 생략하였다.)

 

주의 사항

1. 사염화 탄소, 메탄올, 염화 세바코일, 수산화 나트륨은 자극적이며 독성이 있으 므로, 피부에 직접 닿거나 증기를 흡입하지 않도록 조심한다. 특히 합성된 나일 론을 충분히 씻기 전에는 맨손으로 만지지 않도록 주의한다.

2. 합성한 나일론이나 반응 후에 남은 용액은 반드시 회수해서 적절하게 처리해야 한다.

3. 페놀프탈레인 용액 대신 브로모티몰블루나 식용 색소를 사용해도 좋다.

4. 합성한 나일론 및 사용하고 남은 반응물질을 생크대에 버리지 않도록 한다.

5. 한 방울의 메틸레드 또는 브롬 크레졸블루를 반응용액에 가해주면 착색된 나일론을 얻을 수 있다.

6. 모든 약품 피부에 묻으면 안 됩니다. 실험대위에서보다 후드안에서 해야 한다.

 

실험 결과

1. 결과 분석

반응 속도를 유지 시키지 못하고 빠르게 반응시켰다. 나일론이 덩어리지는 결과를 이미 봤기 때문에 반응을 되도록 천천히 시켰고, 원했던 결과를 얻을수 있었다. 나일론 끈을 길게 뽑아내는데 성공했고, 페놀프탈레인으로 염색 했을 때 붉은색으로 염색되는 과정도 확인할수 있었다. 하지만 완벽한 염색은 아니었고, 메탄올 수용액에 들어갔을 때 염색된 색을 유지하지 못하고 다시 하얀색으로 돌아가는 과정을 확인했다. 나일론의 확실한 염색을 위해서는 뭔가 다른 공정이 필요함을 알 수 있었다.

 

토의 사항

1. 실험 고찰

본 실험은 비교적 간단한 실험이었고, 다른 조에 비해 실험이 늦어져서 다른 조의 실수를 통해서 비교적 좋은 결과의 실험을 할 수 있었다. 그래서 결론 및 고찰에서는 다른 조의 어떤 오류를 보고 그와 다른 방법을 찾아서 실험에 성공했음을 이야기 하려고 한다.

계면 중합된 나일론을 일정한 속도를 유지하면서 유리 막대에 감아 올려야 하는데 나일론의 합성시에 일정한 속도를 유지하여야 한다. 하지만 이미 실험을 한 다른 조의 경우는 이 속도를 일정하게 유지 시키지 못하거나 너무 빠르게 실험을 진행함으로서 나일론이 끈의 형태를 이루지 못하고 덩어리지는 결과를 얻었다. 그래서 되도록 반응을 천천히 진행 하기로 했다. 

②번 용액을 ①의 용액을 혼합 시킬 때 일단은 조금의 용액을 부어준다음 나일론 끈이 생성되길 기다렸고 나일론끈이 생성되었을 때 핀셋으로 조심스럽게 유리막대에 감았다. 그리고 나서도 용액을 다 썩지 않고 조금씩 여러차레 걸쳐 용액을 혼합했다. 이렇게 한 결과 먼저 실험을 했던 조들이 나일론이 섬유의 형태를 이루지 못하고 덩어리로서 반응이 완결되었던 것을 극복할 수 있었고 좋은 결과를 얻었다.

위의 실험에서 얻을수 있었던 실험적 결론을 나일론의 합성을 통해서 물질의 반응속도가 물질의 생성에 중요한 영향을 준다는 것을 알 수 있는 계기가 되었다.

 

참고 문헌

1. 일반화학실험, 일반화학회편. 천문각. p.291~296

2. 일반화학실험, 화학교재편찬위원회

3. 유기합성실험

4. 화학공학실험, 성기천 이진휘, 김기준 공저, 사이텍미디어. p.303~306

5. 최신고분자화학, 강두환 외, 시그마프레스. p.367~377

6. 두산학습대백과, 화학용어,술어사전, 화학의 원리

[Chemistry/일반화학] - [일반화학실험]나일론 6,10 합성 1부