탄소

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Cf

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Md

No

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범례

원소 분류 (배경색)

알칼리 금속

알칼리 토금속

란타넘족

악티늄족

전이 금속

전이후 금속

준금속

다원자 비금속

이원자 비금속

비활성 기체

미분류

상온(298K(25°C), 1기압)에서의
원소 상태 (글자색)

● 고체

● 액체

● 기체

미분류

이탤릭체: 자연계에 없는 인공원소 혹은 극미량으로만 존재하는 원소

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1. 개요
2. 용도
3. 방사성 동위원소
4. 관련 문서

1. 개요

원소 기호 C, 원자 번호 6. 흑연의 결정구조는 육방정계, 공간군은 P63mc이다. 다이아몬드의 결정구조는 면심입방결정, 공간군은 Fd3m이다.

다이아몬드, 흑연 등 기본 원소 형태부터 시작해 생물을 이루는 유기물, 화석 연료, 그리고 각종 플라스틱 등의 고분자 화합물까지 지구상에서 가장 폭넓게, 많은 분야에서 사용되고 있는 원소이다. 어느 의미에선 티타늄 이상 가는 마법의 원소. 그래도 감이 안 잡힌다면, 고등학교 화학Ⅰ화학Ⅱ를 통틀어 단원명에 이름이 들어가는 원소는 탄소가 유일하다.[1][2] 대학교 2학년 때는 아예 유기화학이라는 이름으로, 탄소 화합물에 대해서 다루는 과목도 있다.

이렇게 양이 많고 활용 범위가 넓은 이유는 탄소는 결합을 최대 4개까지 안정한 형태로 형성할 수 있기 때문.[3] 탄소는 복잡한 형상을 하며 거의 무한한 종류의 화합물을 만드는 것이 가능하다. 왜 탄소가 이렇게 많은 화합물을 만드느냐 하면, 그것은 탄소의 원자가 가진 전자의 수 때문이다. 전자가 최대 8개 들어가는 L껍질에 4개의 전자가 배치되어 있다. 하지만 원자는 최외각전자에 최대 수의 원자가 들어오는 것으로 안정해지기 때문에 탄소는 나머지 4개의 원자가 필요하다. 이렇게 탄소의 원자가가 4이기 때문에 탄소끼리 공유결합을 만들며, 게다가 수소 원자나 산소 원자와 결합하는 것으로 여러 가지 성질의 분자가 만들어지는 것이다.[4] 다른 원소들은 결합의 개수가 더 적거나, 더 많이 형성한다 해도 탄소만큼 이루어진 구조가 안정하지 못하다. 참고로, 규소가 탄소와 같은 족에 속하면서 규소가 탄소와 같이 다양한 결합을 생성하지 못하는 이유는 원자의 크기가 탄소보다 크기 때문이다.[5]

탄소는 생명에 있어서 가장 중요한 원소라고 해도 과언이 아니다. 왜냐하면 생물체에 존재하는 여러 가지 화합물의 골격이 되며, 단백질이나 탄수화물 등 생물체에 필요한 화합물은 모두 탄소화합물이기 때문이다. [6] 이렇게 탄소를 포함하는 화합물의 총칭을 유기화합물이라고 한다. [7] 한편, 탄소를 포함하지 않는 화합물은 일반적으로 무기화합물이라고 불리나, 탄소의 동소체나 이산화탄소 등의 금속탄소염은 탄소를 포함하고 있지만 예외적으로 무기화합물로 분류된다.[9]

당 등의 영양소가 진한 황산과 접촉하게 되면 물을 빼앗기고 탄소만이 남게 된다.[10] 500mL 비커의 1/6 정도 설탕을 채우고 진한 황산을 부으면 갑자기 불쑥 부풀어 오르면서 숯처럼 된다. 부풀어 오르는 이유는 수증기가 빠져나오기 때문에 마치 스티로폼처럼 부푸는 것 같다. 물론 수증기만 나오는 것이 아니고 유독 가스도 같이 나오며, 반응 시에 온도가 높기 때문에(물이 수증기로 나오지 않는가.) 위험하다. 꼭 통풍이 아주 잘 되는 곳이나 후드 안에서 고글과 실험복, 장갑을 착용하고 하자. 이것은 각종 고등학교 과학 참고서에서 그 모습을 확인할 수 있다.

1.1. 동소체

바리에이션, 즉 동소체가 꽤 많기 때문에 실험실에도 순수한 탄소만 여러 형태로 있을 정도다. 사실 유기를 전공하지 않아도 탄소는 어디서든지 튀어나올 수 있어서... 탄소 전극도 있고, 흑연 가루(graphite)도 있고, 촉매로 쓰는 숯(charcoal)도 있고, 연마제로 쓰는 다이아몬드 가루도 있다. 연구 주제에 따라 이 문단에 소개한 형태의 탄소를 죄다 들고 실험하는 방도 있다.

2. 용도

2.1. 제철

제철제강에서 을 제외하곤 가장 중요한 원소이다. 애초에 철강에서 강이 탄소강을 의미한다. 탄소가 빠진 순수 철은 무르다 못해 대충 손으로 주물러도 모양이 변할 정도로 약하다. 그러나 탄소가 1% 이하로만 함유되어도 철 원자와 강한 결합을 형성하여 산업의 쌀이라 불리우는 탄소강을 만들게 된다. 대학 과정에서 전공으로 철강이나 제철제강을 배우다 보면 다른 금속 원자들보다 탄소를 더 많이 볼 수 있을 정도로 중요하다. 제강 과정에서 코크스라는 숯과 비슷한 원자재를 넣고 철과 같이 녹이면 탄소가 발생하여 산화철을 환원시킴과 동시에 철에 탄소를 불어넣어 탄소강을 만들게 된다. 탄소가 거의 모든 원자와 결합하는 것을 좋아하기 때문에 합금을 만들어도 합금을 위해 넣은 원자들이 철이랑 결합할 것이라고 생각하기 쉽지만 그놈들도 대부분 탄소와 결합한다. 철이랑 결합해도 보통 철-탄소-합금원소 이런 형식이다. 결국은 우리가 고맙게 사용하고 있는 거의 모든 금속제품은 탄소의 작품인 것.

참고로 대장간에서 강철을 만들때 철과 함께 탄소를 적절히 주입해야 한다. 산업용 철의 함유량이 약 2.11%이하로 줄여야 하며 그 이상은 주철용 철이 되어버리고 5%이상은 산업용으로는 못쓰는 철이 되어버린다. 대약진 운동토법고로 문서 참고. 토법고로는 철을 생산한답시고 철 이외의 놋그릇이나 젓가락 같은 금속은 전부 넣어서 똥철로 만들어 버렸다. 그리고 제철 업무를 맡은 기술자들은 죄다 농민이라 탄소를 주입하는 방법은 몰랐다.

2.2. 초경재료

소결탄화물, 초지립이라는 특수한 초경재료를 만드는 데 쓰이기도 한다. 소결탄화물은 텅스텐을 탄화시킨 탄화텅스텐을 주재료로 해서 만들며, 초지립은 보라존과 함께 인조 다이아몬드 가루로서 쓰인다.

2.3. 탄소섬유

문서 참조.

3. 방사성 동위원소

탄소의 방사성 동위원소는 베타선을 주로 내는 베타선원이나 탄소-11의 경우 약간의 감마선 역시 같이 방출한다.

C-11

반감기

방출 방사선

위해등급

비방사능

D값

20.4 분

베타선(+)(99.8 %)

3(Yellow)

3.10 x 1019 Bq·g-1

6x10-2

감마선(0.2 %)

C-14

반감기

방출 방사선

위해등급

비방사능

D값

5730 년

베타선(-)(100 %)

4(Green)

1.65 x 1011 Bq·g-1

5x101

주로 연대측정에 사용되는 동위원소이며 방사성 탄소 연대측정법은 탄소-14의 남은 양으로 연대를 측정하는 방식이다.

4. 관련 문서


  1. [1] '주변의 탄소 화합물' 단원.
  2. [2] 소단원도 아니고 대단원 하나를 통째로 잡아먹는다. '순물질'로 범위를 넓혀도 과 함께 단 두 개의 예시.
  3. [3] 배위화학에는 5배위 탄소도 존재한다. 자세한 내용은 추가 바람.
  4. [4] 다만 이렇게만 이야기하면 현대 이론에서 구조적인 설명을 하기가 힘들어지는데, 2s 오비탈에 전자 두 개가 순서대로 쌓이는 것이 개수적으로는 맞지만, 사면체, 직선 등 다양한 형태로 결합하는 것을 설명하기에는 애매하다는 것이다. 현대 오비탈 이론에서는 이를 sp3 혼성오비탈 이론을 통해 설명하려고 하고 있다. 2s 오비탈에 전자 2개가 배치되는 것이 아닌, 2s, 2p 오비탈에 전자가 한 개씩 배치되어 총 4개의 결합을 이룰 수 있다는 것. 이것도 그런데 이론이라서 사실상 탄소의 결합구조를 설명하기 위해 억지로 끼워 맞추는 느낌이 있다
  5. [5] 대표적인 규소 화합물인 SiO2도 단일결합으로 구성되어 있다.
  6. [6] 따지고 보면, 지금 위키를 보고 있는 우리들도 물과 뼈만 제외한다면 탄소 덩어리들이다.
  7. [7] 실제로 '유기(有機, organic)화합물 이라는 단어를 보면 알 수 있듯, 초기엔 생명체로부터 유래된 물질들을 총칭하는 말이었고 그 물질들의 거의 대부분이 탄소였기 때문에 이 용어가 두 가지 의미를 모두 지니고 있었다. 그러나 점차 인간의 흔적들에서 발견되지만 탄소를 포함하고 있지는 않은 물질들이 속속 등장하면서 점차 그 의미가 탄소를 포함하는 화합물들로 좁아지게 되었다.
  8. [8] 물론 이것은 지각에서 가장 많은 원소를 이야기한 것이지 지구 전체에서 가장 많은 비율을 차지하는 원소는 철이다. 핵 부분에 뭉쳐 있는 것일 뿐..
  9. [9] 이 정보가 최근 이런 연유로 지구 상의 모든 동식물들은 탄소를 베이스로 세포를 구성하며 이러한 이유로 지구 내의 생물들을 탄소계 생물이라고도 한다. 다른 행성의 생물들은 아마 그 별에 가장 흔한 원소를 주요 베이스로 삼을 거라 추측된다. 그러나 사실 지구상(지각)에 제일 흔한 원소는 탄소가 아닌 산소이다. 그 다음은 규소.[8] 그러니 다른 행성의 생물들도 탄소를 베이스로 삼을 확률이 높다. 그러나 지구 내에 제일 많은 원소를 말하라고 한다면 이 될 수도 있다. 지구의 내핵의 구성 물질은 90% 이상 철로 추정되기에...
  10. [10] 웬만하면 실험실에서 해보려고 시도하지 말 것. 할 필요가 있다면 다당류로 하자. 단당류는 반응성이 더 높아서 매우 위험하다.
  11. [11] 1985년 발표
  12. [12] C70인 풀러렌도 있다.
  13. [13] Physical review letters (2009) "Polycrystalline aggregates of diamond with lonsdaleite from Yakutian (Sakhan) placers". Mineral. Zhurnal. 7: 27–36.
  14. [14] 보면 알겠지만 탄화수소 문서용 틀이 따로 있다.