탄소

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1. 개요
2. 방사성 동위원소
3. 참조 항목

1. 개요

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Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lr

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(기울임): 자연계에 없는 인공원소 또는 극미량으로 존재하는 원소

한자: 炭素, 碳[1]

에스페란토: Karbono

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 지구 상에서 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. [2] [3] ('순물질'로 범위를 넓혀도 과 함께 단 두 개의 예시.) 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[4]. 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. 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. 한편, 탄소를 포함하지 않는 화합물은 일반적으로 무기화합물이라고 불리나, 탄소의 동소체나 이산화탄소 등의 금속탄소염은 탄소를 포함하고 있지만 예외적으로 무기화합물로 분류된다. [7]

탄소의 동소체다이아몬드는 아주 단단하다. 이것은 탄소 원자들이 모두 결합력이 강한 공유결합으로 구성되어 있는 데다가, 동일한 간격, 동일한 각도의 구조를 이루고 있기 때문이다. 한편, 흑연은 층상의 구조로 되어 있으며, 층간은 반데르발스 결합이라는 약한 결합으로 이루어져 있기 때문에 경도가 다른 것이다.

최근 연구 주제로 각광받는 탄소 동소체 중 하나가 바로 저 흑연의 층상 구조 중 '층'부분', 그래핀(graphene)이다. 이를 흑연으로부터 분리해내는 방법이 흥미로운데 그냥 물리적으로 분리한다. 그냥 연필 쓰듯이 흑연을 문지르면 된다. 단 그 연필의 크기가 나노 사이즈일 뿐... 더 효율적인 방법도 있는데 테이프에 흑연을 바르고 살살 문지르기...이게 무슨 소리야 별로 어렵지는 않은데, 흑연 덩어리에 셀로판 테이프를 붙였다가 떼어낸 후 다른 테이프 한 장을 가져와 흑연이 묻어있는 테이프에 붙였다, 떼어냈다를 반복하면 된다. 그 후 전자 현미경으로 사용하면 그래핀을 관찰할 수 있다.

비교적 최근[8]에 발견된 탄소 동소체로 풀러렌이 있다. C60으로 표현하는데, 축구공의 구조와 완전히 동일하다.[9] 각 꼭지점을 탄소 원자로 대체하고 그 점을 잇는 선분을 공유결합으로 생각하면 된다. 이름은 비슷한 구조의 돔을 만든 건축가 풀러의 이름에서 따왔다. 풀러렌 내부에 타 원자를 가둔다던가 하는 식으로 응용 연구가 지속되고 있다. 대표적인 예로는 [email protected]60. 즉, 란타넘풀러렌에 가둬놓은 것이다.

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 있고, 탄소나노튜브도 있다. 연구 주제에 따라 이 문단에 소개한 다섯 가지 형태의 탄소를 죄다 들고 실험하는 방도 있다.

탄소 동소체 중 론스달라이트(lonsdaleite)는 지구 상에서 발견된 물질 중 압축 항복강도가 가장 높다. 콘크리트는 10~80MPa, 다이아몬드는 90~120GPa의 압축 항복강도를 가지지만 론스달라이트는 무려 152GPa 이상의 압축 항복강도를 가진다.[10]

한때 창의력 올림피아드 등 화학 관련 경시대회에서는 풀러렌의 성질을 나열하고 그 응용방법을 묻는 문제가 수없이 쏟아져 나왔다. 어디서 날로 먹으려고

당 등의 영양소가 진한 황산과 접촉하게 되면 물을 빼앗기고 탄소만이 남게 된다.[11]설탕으로 직접 해 본 바에 의하면 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.

2. 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.

3. 참조 항목


  1. [1] 중국에서 원소로서의 탄소 그 자체를 가리키기 위해 炭자에 돌 석(石) 부수를 덧붙였다.석탄이 아니다 근데 석탄엔 당연히 탄소가 들어있다 물론 한국 한자음은 여전히 '탄'.
  2. [2] '주변의 탄소 화합물' 단원.
  3. [3] 소단원도 아니고 대단원 하나를 통째로 잡아먹는다.
  4. [4] 배위화학에는 5배위 탄소도 존재한다. 자세한 내용은 추가바람
  5. [5] 대표적인 규소 화합물인 SiO2도 단일결합으로 구성되어 있다.
  6. [6] 따지고 보면, 지금 위키를 보고 있는 우리들도 물만 제외한다면 탄소 덩어리들이다..
  7. [7] 이 정보가 최근 이런 연유로 지구 상의 모든 동식물은 탄소를 베이스로 세포를 구성하며 이러한 이유로 지구 내 생물을 탄소계 생물이라고도 한다. 다른 별의 생물은 아마 그 별에 가장 흔한 원소를 주요 베이스로 삼을 거라 추측된다. 그러나 사실 지구 상(지각)에 제일 흔한 원소는 탄소가 아닌 산소이다. 그 다음은 규소. 그러니 다른 별의 외계인도 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...
  8. [8] 1985년 발표
  9. [9] C70인 풀러렌도 있다.
  10. [10] Physical review letters (2009) "Polycrystalline aggregates of diamond with lonsdaleite from Yakutian (Sakhan) placers". Mineral. Zhurnal. 7: 27–36.
  11. [11] 웬만하면 실험실에서 해보려고 시도하지 말 것. 할 필요가 있다면 다당류로 하자. 단당류는 반응성이 더 높아서 매우 위험하다.
  12. [12] 보면 알겠지만 탄화수소 문서용 틀이 따로 있다.

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