알케인이 할로젠 원소와 반응하는 할로젠화 반응으로 자유 라디칼 반응을 이해하고, 염소화 반응과 브로민화 반응의 차이점을 알아봅니다. 또한 할로젠화 탄화수소인 클로로플루오로카본(CFCs) 화합물이 환경에 미치는 영향을 살펴봅니다.
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알케인의 할로젠화 반응
할로젠화 반응이란 화학반응으로 분자 내의 할로젠 원자의 수를 증가하는 반응입니다. 주기율표 17족 원소들인 Cl(염소), Br(브로민), F(플루오린), I(아이오딘)가 첨가되는 염소화 반응, 브로민화 반응, 플루오린화 반응, 아이오딘화 반응으로 나눌 수 있습니다. 먼저 염소화 반응, 브로민화 반응을 살펴보고 할로젠화 탄화수소인 CFCs에 대해 알아보겠습니다.
1. 에테인의 염소화 반응
지난 글에서는 메탄의 염소화 반응을 살펴보았습니다. 에테인의 염소화 반응 역시 400~440℃의 기체에 노출해 반응을 유도함으로써 이루어집니다. 예를 들면, 에테인과 염소를 420℃에서 반응시키면 78%의 염화메틸(Chloromethane)과 염화수소가 발생합니다. 역시 메탄의 염소화 반응에서처럼 염소 한 개로만 치환하기가 어려울 때도 있으며 이럴 때는 염소 원자 한 개 이상을 가진 유도체도 생성되게 됩니다.
염소화 반응을 실험실에서 수행할 때는 자외선이나 가시광선을 사용해 반응을 개시하면 됩니다. 광화학 에너지는 빛 또는 hv라고 표기합니다. 이러한 빛 에너지가 분자에 흡수될 때 일어나는 반응이 바로 광화학 반응(photochemical reaction)입니다.
2. 사이클로뷰테인의 염소화 반응
사이클로뷰테인과 염소를 광화학 에너지에 노출하면 73%의 염화사이클로뷰테인(Chlorocyclobutane)과 HCl이 발생합니다. 400℃도 이상의 기체에서 반응을 끌어내는 것 대신 빛 에너지를 사용하면 실온에서도 반응이 일어나도록 할 수 있습니다.
3. 뷰테인의 염소화 반응
메탄, 에테인, 사이클로뷰테인은 한 개의 1 염소 치환 유도체를 생성합니다. 하지만 모든 수소가 같지 않은 알케인, 예를 들면 뷰테인 같은 알케인이 염소화 반응을 거치면 일어날 수 있는 모든 1 염소 치환 유도체가 생성되어 아주 복잡한 결과가 나옵니다. 뷰테인을 예로 설명하자면, 이 뷰테인을 염소와 35℃에서 빛에 노출해 반응시키면 28%의 1-클로로뷰테인과 72%의 2-클로로뷰테인이 생성됩니다.
4. 알케인의 브로민화 반응
알케인을 브로민과 반응시키면 자유 라디칼 연쇄 반응 메커니즘으로 반응이 이루어집니다. 하지만 알케인의 염소화 반응과 다르게 브로민화 반응은 큰 선택성을 가진 반응이라고 볼 수 있습니다. 만약 알케인에 1차, 2차, 3차 수소가 있으면 3차 수소만 브로민으로 치환됩니다.
염소화 반응과 브로민화 반응의 차이점
그렇다면 염소화 반응과 브로민화 반응에는 어떠한 차이점이 있을까요? 일단 알케인에서 알킬 할라이드를 생성하려 한다면 염소화 반응과 브로민화 반응의 선택성이 다르다는 점을 알아두어야 합니다.
알케인 내에 존재하는 모든 수소가 동일할 때만 알케인의 염소화 반응을 선택합니다. 왜냐하면 알케인의 염소화 반응에서는 생성할 수 있는 모든 일 염화물을 생성해 내기 때문입니다. 그리고 보통 알케인에서 삼차 알킬 브로마이드를 생성해 낼 때만 브로민화 반응을 사용합니다.
클로로플루오로카본(CFCs)이란?
1. CFCs의 정의
클로로플루오로카본(Chlorofluorocarbons) 또는 염화불화탄소, 즉 CFCs는 메탄, 에테인, 프로페인 같은 유기 화합물에서 나온 탄화수소 화합물로 탄소, 수소, 염소, 플루오린 원자를 갖고 있는 할로젠화된 탄화수소를 말합니다. CFCc는 탄화수소의 플루오린화 유도체로 미국의 화학제품 회사 듀퐁사의 한 브랜드명으로 일반화되어 프레온(Freon) 가스로 널리 알려진 화합물입니다. 주로 냉매나 생활용품 중 에어로졸 제조 시 추진체나 용매, 가스 소화 등에 널리 사용됩니다. CFCs의 예를 두 가지 들어보면 아래와 같습니다.
CCl2F2
다이클로로다이플루오로메탄
(Dichlorodifluoromethane)
(CFC-12 또는 Freon-12로 불림)
CClF2CClF2
1,2-다이클로로-1,1,2,2-테트라플루오로에테인
(1,2-Dichloro-1,1,2,2-tetrafluoroethane)
(CFC-114 또는 R-114로 불림)
2. CFCs의 특성
화학적으로 무독성이며 비활성입니다. 할로젠 원자의 수와 정체성에 따라 물리적 특성이 조절되지만, 보통 화학 반응성이 없으므로 환경에서 분해되지 않고 계속 잔류해 남아있습니다. 성층권으로 기체 상태로 확산되면 오존층을 고갈시키는 원인이 됩니다.
보통 알케인보다 휘발성은 낮지만 용매로 잘 쓰입니다. 메탄보다는 불활성이고 염화물과 브로민화물은 방화성을 감소시키므로 광선에 노출되면 C-Cl 결합이 끊어지게 되고 염소 원자가 생성되게 됩니다. 그리고 이 염소 원자가 자유 라디칼 연쇄 반응을 거치면서 오존의 분해를 촉발하게 됩니다.
3. 오존층을 파괴하는 CFCs
1995년 노벨 화학상을 받은 미국의 화학자 F. S. Rowland는 CFCs가 오존층 파괴에 영향을 준다는 것을 발견했습니다. 그리고, 지구 온난화를 일으키는 오존층 파괴의 주원인이 CFCs라고 밝혀져 생산과 제조가 금지되고, 다른 물질로 대체되어 쓰이고 있습니다.
4. CFCs의 대체 화합물인 HCFCs
국제협약에 따르면 CFCs의 생산은 1996년에 중단되었고, 다른 화합물 역시 몬트리올 의정서에 따라 점차 단계적으로 중단되고 있습니다. 그리고 CFCs 대신 친환경 대체 화합물인 HCFCs, 즉 하이드로클로로플루오로카본(hydrochlorofluorocarbons) 화합물로 교체되었습니다. HCFCs의 예로 다음 두 화합물을 들 수 있습니다.
CHCl2CF3
2,2-다이클로로-1,1,1-트라이플루오로에테인
(2,2-Dichloro-1,1,1-trifluoroethane)
(HCFC-123; CFC-11 대체물)
CHClFCF3
2-클로로-1,1,1,2-테트라플루오로에테인
(2-Chloro-1,1,1,2-tetrafluoroethane)
(HCFC-124; CFC-114 대체물)
5. HCFCs의 특성
HCFCs에는 CFCs에 없는 수소가 들어 있으며, 이에 따라 오존층에 도달하기 전에 공기 중 산화되어 파괴됩니다. 하지만 HCFCs가 전혀 오존층을 파괴하지 않는 것은 아니며 CFCs의 오존층 파괴력의 2% 정도로 추정합니다. 대신 많은 양의 이산화탄소를 배출해 지구 온난화에 영향을 주기에 HCFCs의 사용 연한도 2030년까지로 규정되어 있습니다.
결론
알케인의 할로젠화 반응을 살펴보고 알케인의 브로민화 반응과 비교해 차이점이 무엇인지 알아보았습니다. 특히 알케인에 1차, 2차, 3차 수소가 있으면 3차 수소만 브로민으로 치환된다는 점도 이해했습니다.
탄화수소의 플루오린화 유도체인 CFCs, 즉 클로로플루오로카본의 특성과 대기 환경에 미치는 영향도 살펴보았습니다. 자외선에 노출되면 CFCs를 구성하는 C-Cl 결합이 자유 라디칼 연쇄 반응으로 인해 끊어져 오존층을 파괴하고 지구온난화가 가속화됩니다. 1989년부터 발효된 몬트리올 의정서로 인해 CFCs의 사용은 점차 중단되어 대체 물질인 HCFCs가 사용되며 이 대체 물질도 사용 연한이 제한되었습니다.