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6C 탄소 炭素 | Carbon* |
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| 분류 | 다원자 비금속 | 상태 | 고체 |
| 원자량 | 12.011 | 밀도 | 2.26 g/cm3 |
| 녹는점 | 3550 °C | 끓는점 | 4827 °C |
| 용융열 | 105 kJ/mol | 증발열 | 715 kJ/mol |
| 원자가 | 4 | 이온화에너지 | 1086.5, 2352.6, 4620.5 kJ/mol |
| 전기음성도 | 2.55 | 전자친화도 | 153.9 kJ/mol |
| 발견 | ? (기원전 3750) | ||
| CAS 등록번호 | 7440-44-0 | ||
| 이전 원소 | 붕소(B) | 다음 원소 | 질소(N) |
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* 숯을 뜻하는 라틴어 'carbo'에서 유래
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1. 개요
원소 기호 C, 원자 번호 6, 원자량 12로 알려진 그리고 14족인 원소이다. 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. 표준 원자 모형색은 '검은색(black)' 또는 '회색(gray)'.
지구의 모든 생물체는 모두 탄소 기반으로 이루어져 있다. 탄소가 아닌 다른 원소로 구성된 생물체는 현재까지 발견된 적이 없다.[1]
2. 설명
2.1. 높은 중요도 및 활용 범위
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유기화합물 Organic Compound |
탄소를 포함하는 화합물의 총칭을 유기화합물이라고 한다.[2] 한편, 탄소를 포함하지 않는 화합물은 일반적으로 무기화합물이라고 불리나, 탄소의 동소체나 이산화 탄소 등의 금속탄소염은 탄소를 포함하고 있지만 예외적으로 무기화합물로 분류된다.[3]
또 활용 범위가 넓은 이유는 탄소는 결합을 최대 4개까지 안정한 형태로 형성할 수 있기 때문이다.[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 최외각 전자에 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.[5] 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.[6]
당 등의 영양소가 진한 황산과 접촉하게 되면 물을 빼앗기고 탄소만이 남게 된다.[7] 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 가스[8]도 같이 나오며, 반응 시에 온도가 높기 때문에(물이 수증기로 나오지 않는가.) 위험하다.[9] 꼭 통풍이 아주 잘 되는 곳이나 후드 안에서 고글과 실험복, 장갑을 착용하고 하자. 이것은 각종 고등학교 과학 참고서에서 그 모습을 확인할 수 있다.
교육 현장에서도 널리 알려져 있었는데, 2013년까지 고등학교 화학Ⅰ, 화학Ⅱ에는 단원 명에 탄소화합물이 들어가 있었다. 이후 교육과정이 개정되어 2019년까지는 소단원으로 축소시켰고, 2020년부터는 그나마 남아있던 유기화학(탄소화합물에 대해서만 다루는 학문) 파트를 언급 교양 수준으로 분량을 대폭 줄여버렸다.
탄소-12는 원자량의 기준이다. 탄소-12를 원자량 12로 두고 이와 비교하여 다른 원자들의 원자량을 정하기 때문에 탄소-12의 원자량은 정확히 12이다.
2.2. 동소체
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- 흑연
- 다이아몬드: 탄소 원자들이 모두 결합력이 강한 공유결합으로 구성되어 있는 데다가, 동일한 간격, 동일한 각도의 구조를 이루고 있기 때문에 아주 단단하다. 한편, 흑연은 층상의 구조로 되어 있으며, 층간은 반데르발스 결합이라는 약한 결합으로 이루어져 있기 때문에 경도가 다른 것이다.
- 그래핀(graphene): 최근 연구 주제로 각광받는 탄소 동소체 중 하나로, 흑연의 층상 구조 중 '층'부분이다. 이를 흑연으로부터 분리해내는 방법은 바로 물리적으로 분리하는 것이다. 그냥 연필 쓰듯이 흑연을 문지르면 된다. 단 그 연필의 크기가 나노 사이즈일 뿐. 더 효율적인 방법도 있는데 테이프에 흑연을 바르고 살살 문지르는 것이다. 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. 소련을 필두로 구 공산권에서 쓰던 RBMK 원자로의 감속재로 사용하기도 했다.
- 풀러렌: 비교적 최근[10]에 발견된 탄소 동소체이다. C60으로 표현하는데, 축구공의 구조와 완전히 동일하다.[11] 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 가둔다든가 하는 식으로 응용 연구가 지속되고 있다. 대표적인 예로는 La2C60. 즉, 란타넘을 풀러렌에 가둬놓은 것이다. 한때 창의력 올림피아드 등 화학 관련 경시대회에서는 풀러렌의 성질을 나열하고 그 응용방법을 묻는 문제가 수없이 쏟아져 나왔다.
- 론스달라이트(lonsdaleite): 지구상에서 발견된 물질 중 압축 항복강도가 가장 높다. 콘크리트는 10~80MPa, 다이아몬드는 90~120GPa의 압축 항복강도를 가진다면, 론스달라이트는 무려 152GPa 이상의 압축 항복강도를 가진다.[12]
- 탄소나노튜브
- 사이클로카본(cyclocarbon): 이름 그대로 탄소 원자들만의 연결로 이루어진 고리형 분자이다. 따라서 벤젠이나 사이클로알케인과는 엄연히 다른 분자이며 탄소 동소체이다. 본래는 이론 상으로만 제안되던 물질이었으나 2019년 8월 영국의 연구진이 18개의 탄소 원자로 이루어진 9각형 형태의 안정한 사이클로카본을 실제로 합성해 냈음을 발표하면서 앞으로 활발한 연구가 이루어질 전망이다.
- 기타
3. 용도
3.1. 제철
제철제강에서 철을 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 불리는 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 쉽게 결합되기 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 탄소 함량을 적절히 조절해야 한다. 산업용 철의 탄소 함유량이 약 2.11%이하로 줄여야 하며 그 이상은 주철용 철이 되어버리고 5%이상은 산업용으로는 못쓰는 철(이른바 똥철)이 되어버린다. 대약진 운동과 토법고로 문서 참고. 토법고로는 철을 생산한답시고 철 이외의 놋그릇이나 젓가락 같은 것까지 전부 넣어서 똥철로 만들어 버렸다. 그리고 제철 업무를 맡은 기술자들은 죄다 농민이라 탄소 함량을 조절하는 방법은 몰랐다.
3.2. 초경재료
소결탄화물, 초지립이라는 특수한 초경재료를 만드는 데 쓰이기도 한다. 소결탄화물은 텅스텐을 탄화시킨 탄화텅스텐을 주재료로 해서 만들며, 초지립은 보라존과 함께 인조 다이아몬드 가루로서 쓰인다.3.3. 탄소섬유
4. 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 × 1019 Bq·g-1 | 6×10-2 |
| 감마선(0.2 %) | ||||
| C-14 | ||||
| 반감기 | 방출 방사선 | 위해등급 | 비방사능 | D값 |
| 5730 년 | 베타선(-)(100 %) | 4(Green) | 1.65 × 1011 Bq·g-1 | 5×101 |
요소호기검사(urea breath test)에도 사용된다. 요소의 중심 탄소가 탄소-14로 된 요소를 마셔서 헬리코박터 파일로리가 위장에 있는지 보는 검사법이다. 이 균이 생성한 요소분해효소(urease)가 요소를 분해하고 탄소-14가 들어간 이산화 탄소를 생성하는지 보는 실험이다.
5. 관련 문서
[1]
비소를 흡수해 생존하는 미생물이 있다는 NASA의 발표가 있었지만, 나중에 사이언스 지의 반박 논문에 의하면 실험 오류로 밝혀졌다.
[2]
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.
[3]
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.[15] 그러니 다른 행성의 생물들도 탄소를 베이스로 삼을 확률이 높다.
[4]
배위화학에는 5배위 탄소도 존재한다.
[5]
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.
[6]
대표적인 규소 화합물인 SiO2도 단일결합으로 구성되어 있다.
[7]
웬만하면 실험실에서 해보려고 시도하지 말 것. 할 필요가 있다면 다당류로 하자. 단당류는 반응성이 더 높아서 매우 위험하다.
[8]
여기서 말하는 유독가스는
황화 수소(H2S) 기체. 유독성으로 악명높은
사이안화 수소(HCN)보다도 독성이 더 강하다.
[9]
반응식 : C12H22O11 + H2SO4 -> 11H2O + 12C + H2S + 2O2
[10]
1985년 발표
[11]
C70인 풀러렌도 있다.
[12]
Physical review letters (2009) "Polycrystalline aggregates of diamond with lonsdaleite from Yakutian (Sakhan) placers". Mineral. Zhurnal. 7: 27–36.
[13]
보석으로 사용되는 다이아몬드는 드물고, 비교적 저품질이라 판매하기 부적합한 경우에는 박살내서 사용한다. 샤프심이나 사포에 사용되기도 한다.
[14]
보면 알겠지만 탄화수소 문서용 틀이 따로 있다.