탄소 (Carbon)와 그 동소체

탄소(炭素←일본어: 炭素 단소, 영어: Carbon 카번)는 비금속인 화학 원소로, 기호는 C(←라틴어: Carbonium 카르보니움)이고 원자번호는 6이다. 원자가 전자는 4개이다. 존재하는 동위 원소는 총 3개로, 12C와 13C는 안정적인 동위 원소지만 14C는 반감기가 약 5730년인 방사성 동위 원소이다. 탄소는 아주 오래 전에 존재가 밝혀진 원소들 중 하나이다.

탄소는 지각을 구성하는 원소들 중에 15번째로 풍부하며, 우주에서 수소, 헬륨, 산소 다음인 4번째로 풍부한 원소이다. 이렇게 탄소는 풍부하며, 탄소 화합물로서 다양한 유기 화합물을 구성할 수도 있고, 상온 상태에서 중합체를 형성할 수도 있기 때문에 우리 삶은 탄소와 밀접한 관련이 있다. 예로서 탄소는 우리 몸에서 산소 다음인 두 번째로 풍부한 원소(18.5%)이다.

탄소는 다양한 동소체를 가지고 있으며, 흑연, 다이아몬드, 비정질 탄소 등이 있다. 탄소 동소체들은 물리적 성질에서 많은 차이를 보인다. 흑연은 불투명한 검은색이지만 다이아몬드는 매우 투명하다. 흑연은 종이에다 글씨를 적을 수 있을 정도로 연하지만 다이아몬드는 천연물 중에서는 가장 단단한 물질이다. 흑연은 좋은 전기 전도체이지만 다이아몬드는 전기 전도도가 낮다. 일반적으로 다이아몬드, 탄소 나노 튜브, 흑연은 지금까지 알려진 모든 물질 중에서 열전도율이 가장 높다. 모든 탄소 동소체들은 상온에서 고체이며, 흑연은 열역학으로 가장 안정한 구조이다. 또한 반응성이 큰 산소와 반응할 때도 높은 온도가 필요할 정도로 화학적으로 쉽게 반응하지 않는다.

무기화합물에서 탄소의 산화수는 일반적으로 +4이다. 다만 예외적으로 일산화 탄소와 전이금속 카보닐 복합체에서는 +2이다. 무기 탄소화합물은 대부분 석회암, 백운암, 이산화 탄소이지만, 석탄, 이탄, 석유, 메테인 하이드레이트 같은 유기적 침전물에도 상당히 많이 존재한다. 탄소는 다른 원소와 비교해서 수많은 화합물을 결합한다. 표준 조건 하에서 이론적으로 가능한 화합물은 지금까지 밝혀진 것만 약 1천만 개 정도이다. 그래서 탄소는 종종 '원소의 제왕'이라고 불렸다.

 

탄소동소체

 

탄소 1가지 원소로 이루어져 있지만 원자의 배열이나 구조가 달라 그 성질이 서로 다른 물질을 말함. 

탄소 하나만으로 이루어진 동소치로는 Diamond, Graphite(흑연), Fullerene(플러렌), Graphene(그래핀), Carbon Nano Tube(CNT, 탄소나노튜브)가 있다.
즉, 탄소원자의 결합형태에 따라 대칭성과 규칙성을 갖는 다영한 구조를 나타내며 서로 다른 성질을 갖는다.

 

탄소 동소체: a)  다이아몬드 ; b)  흑연 ; c)  론스달라이트 ; d–f)  풀러렌  (C 60 , C 540 , C 70 ); g)  비정질 탄소 ; h)  탄소 나노튜브 .