탄소의 형태, 성질, 용도 등의 개념

탄소

매우 중요한 원소의 하나입니다. 산업에서 다양한 생산품을 만드는 데 쓰입니다. 모든 생명체의 기본 구성 물질은 탄소이며, 생명체는 탄소 없이 존재하지 못합니다. 탄소는 지각의 약 0.03%를 차지하고 있습니다.

 

 

산출

탄소는 대부분 다른 원소와 결합된 상태로 존대합니다. 예를 들어 대기 중에 존재하는 이산화탄소는 탄소와 산소의 화합물입니다. 이 밖에 탄소가 들어 있는 물질에는 석회암(탄산칼슘) 같은 광물과, 석탄·석유와 같은 화석연료가 있습니다. 탄소화합물의 종류는 100만 가지 아상 알려져 있으며, 이러한 탄소화합물은 모 든 동·식물의 살아 있는 조직을 이룹니다. 그래서 살아있는 유기체에서 비롯된 화합물을 연구하는 유기화학은 근본적으로 탄소화합물을 연구하는 학문입니다.

 

순수한 탄소의 형태

자연에 존재하는 순수한 탄소의 형태는 다이아몬드, 흑연, 무정형 탄소, 그리고 풀러렌의 네 가지가 있습니다. 이러한 형태들은 인공적으로도 만들 수 있습니다. 천연 다이아몬드는 지각 아래의 암석 속에서 탄소 원자들이 높은 온도와 높은 압력의 작용으로 결정을 이루어 생긴다고 생각되며, 화산이 활동할 때 지표면으로 나오게 됩니다. 공업적으로는 탄소를 높은 온도에서 가열·압축해 만들며, 이것이 합성다이아몬드입니다. 천연흑연도 지표면 아래에서 생깁니다. 공업적으로는 코크스(석탄의 부산물)를 전기로에서 가열하면 만들 수 있습니다. 무정형 탄소는 탄소를 포함하고 있는 물질을 산소가 충분하지 않은 상태에서 가열하거나 태울 때 재와 함께 생깁니다. 예를 들어, 천연가스나 가솔린과 같은 석유 연료를 공기가 충분하지 않은 상태에서 태우면 카본블랙이라는 검은 가루가 생깁니다. 또한, 공기가 부족한 생태에서 뼈를 태우면 골탄이 생기고, 나무를 가열하면 숯이 생깁니다. 코크스는 역청탄을 가열할 때 생기는 무정형 탄소입니다. 천연의 풀러렌은 암석 속에서 적은 양이 발견되기는 하지만, 연구 대상으로 쓰였던 풀러렌은 대부분 실험실에서 인공적으로 만든 것입니다. 풀러렌은 1985년에 미국의 휴스턴에 있는 라이스대학교의 화학자인 스몰리, 컬, 히스, 오브라이언과 영국 서식스대학교의 크로토가 헬륨 기체 속에서 레이저 광선으로 흑연을 증발시켜 생긴 물질 속에서 발견했습니다.

 

성질과 용도

여러 가지 형태를 가진 순수한 탄소의 성질은 탄소 원자들이 어떻게 배열되어 있는지에 따라 결정됩니다. 다이아몬드, 흑연, 풀러렌은 구성 원자들이 규칙적인 모양으로 배열되어 있는 결정 구조를 가지고 있습니다. 반면에, 무정형 탄소는 비결정성입니다. 다이아몬드의 원자들은 3차원 형태로 배열되어 있어 원자들이 다른 원자들 위로 미끄러질 수 없기 때문에, 아주 단단합니다. 천연 다이아몬드나 합성다이아몬드는 모두 단단한 금속의 성형이나 절삭, 연마 등에 쓰입니다. 천연 다이아몬드 중에서 극히 일부만이 보석으로 가공됩니다. 흑연의 원자들은 평면의 층을 이루며 배열되어 있고, 이 층들은 쉽게 다른 층들 위로 미끄러질 수 있습니다. 그래서 흑연은 무르고 미끈미끈합니다. 흑연은 가루로 된 윤활제나 연필심 등으로 쓰입니다. 또 흑연은 전기는 잘 통하면서 불에는 잘 타지 않으므로 전기 접촉 물질에도 쓰입니다. 무정형 탄소의 원자들은 일정한 형태로 배열되어 있지 않습니다. 그래서 무정형 탄소로 이루어진 물질에는 작은 구멍이 무수히 많습니다. 숯에 나 있는 많은 구멍들은 여러 가지 물질을 효과적으로 흡수할 수 있기 때문에, 액체나 기체 속에 들어 있는 불순물을 걸러내는 데 쓰입니다. 또한, 산소는 이 구멍들 때문에 많은 탄소 원자와 결합할 수 있습니다. 그래서 숯은 조리할 때 연료로 쓰이고, 코크스는 제철산업에서 중요하게 쓰입니다. 풀러렌은 32개 또는 그 이상의 탄소 원자 짝수 개로 이루어빈 속이 텅 빈 분자입니다. 가장 널리 알려진 것은 C60 또는 버키볼이라고도 하는 벅민스터 풀러렌입니다. 각각의 벅민스터 풀러렌은 서로 결합하여 축구공 모양을 하고 있는 탄소 원자 60개로 이루어져 있습니다. 탄소 원자 70개로 이루어진 풀러렌은 럭비공과 비슷한 모양을 하고 있습니다. 70개 이상의 탄소 원자로 이루어진 풀러렌은 공 모양 또는 관 모양을 하고 있습니다. 관 모양은 양 끝이 열린 것도 있고, 닫힌 것도 있습니다. 관 모양의 풀러렌은 버키 튜브 또는 탄소 나노튜브라고 부르기도 합니다. 풀러렌은 상업적 가치가 있는 성질을 많이 가지고 있습니다. 과학자들은 다른 원소의 원자들을 풀러렌 분자의 텅 빈 내부에 넣을  수 있다는 것을 알았고, 이를 이용해 치료약을 풀러렌 분자 내부에 넣어 몸속의 특정 부위까지 옮기는 방법을 연구하고 있습니다. 그리고 공 모양의 풀러렌은 소형 볼베어링으로 작용할 수 있으므로 윤활제로도 쓰일 수 있을 것입니다. 과락자들은 풀러렌 결정 사이의 빈 구멍에 알칼리 금속을 채워서 새로운 결정 화합물을 만들어낼 수도 있습니다. 이러한 화합물 중 일부는 아주 낮은 온도에서 전기저항이 없이 전류를 통하는 초전도체입니다. 탄소의 원소기호는 C이고, 원자번호는 6이며, 원자량은 12.011입니다. 순수한 탄소는 실온에서는 화학적으로 반응하지 않습니다. 다이아몬드, 흑연, 무정형 탄소는 어떤 용매에도 녹지 않습니다. 그러나 많은 풀러렌은 벤젠이나 톨루엔과 같은 용매에 녹습니다. 탄소는 가열해도 녹지 않으며, 3550℃에서 고체가 기체로 변합니다. 흑연 역시 가열해도 녹지 않으며, 약 3370℃에서 고체가 기체로 변합니다. 흑연 역시 가열해도 녹지 않으며, 약 3370℃에서 고체가 기체로 변합니다.