Carbon ( C ), 6 - 탄소

 

1996년의 노벨 화학상은 ‘풀러렌(Fullerene)을 발견한 공로’로 3명의 과학자에게 수여되었다. 그리고 2010년의 노벨 물리학상은 ‘2차원 물질 그래핀(graphene)에 대한 획기적 실험을 한 공로’로 2명의 과학자에게 수여되었다. 풀러렌과 그래핀은 숯, 흑연, 다이아몬드와 마찬가지로 탄소 원자로만 이루어진 물질이다. 탄소는 어떤 원소이며, 어떻게 성질이 다른 여러 형태의 동소체로 존재하며, 어떤 화합물들을 만들며, 어디에 사용되는지를 알아 보기로 하자.     원소번호 6번, 탄소 탄소는 원자번호 6번의 원소로 원소기호는 C이다. 주기율표에서 14족(4A족)에 속하는 비금속 원소로, 공유결합을 할 수 있는 4개의 원자가 전자를 갖고 있다. 탄소는 지구껍질에서는 15번째로 풍부한 원소이며, 우주에서는 수소(H), 헬륨(He), 산소(O)  다음으로 큰 질량을 차지한다. 탄소는 실온에서는 매우 안정하며, 높은 온도에서 산소와 반응한다. 탄소는 구조와 성질이 아주 다른 여러 동소체로 존재하는데, 무정형 탄소, 흑연, 다이아몬드가 오래 전부터 잘 알려진 탄소의 동소체들이다.   탄소는 모든 생명체의 구성 원소로, 인체 무게의 약 18.5%를 차지하는데, 이는 산소 다음으로 많다. 대기에서는 주요 온실가스인 이산화탄소(CO2) 형태로 주로 존재하며, 여러 광물에서는 탄산염의 형태로 존재하고, 석탄, 석유, 천연가스와 같은 화석연료의 주된 구성 원소이다. 탄소는 어떤 다른 원소보다도 많은 종류의 화합물을 만드는데 거의 1,000만 가지나 되는 탄소를 포함하는 화합물들이 자연계에 존재하거나 인공적으로 합성되었다. 탄소는 화합물 상태 외에도, 원소 상태로도 다양하게 사용되고 있다.

 

 

원자번호 6번, 탄소. 다이아몬드는 탄소의 대표적인 동소체다. <출처: gettyimages>

탄소의 원소 정보.

 

 

탄소의 발견과 명명 탄소의 동소체인 목탄(숯)과 검댕은 고대로부터 알려져 왔다. 목탄은 연료로 사용되었을 뿐만 아니라, 금속 산화물에서 산소를 떼어내는데도 사용되었다. 1772년에 라부아지에(A. Lavoisier, 1743~1794)는 숯과 다이아몬드를 각각 태우면, 이들은 물을 생성하지 않고, 무게당 같은 양의 이산화탄소를 생성한다는 것을 발견하여 다이아몬드와 숯이 화학적으로는 같은 원소임을 보였다. 1779년에 셸레(C. Scheele, 1742~1786)는 당시에 납의 일종으로 여겼던 흑연이 탄소의 또 다른 형태임을 보였다. 라부아지에는 1789년에 출판된 자신의 저서에 탄소를 원소로 기록하고, 목탄을 뜻하는 라틴어 ‘carbo’에서 ‘carbon’이라는 이름을 사용하였다.   흑연(黑鉛)과 다이아몬드도 수천 년 전부터 알려져 왔다. 흑연은 토기나 도기에 그림을 그리는데, 그리고 다이아몬드는 장식용 보석으로 사용되어 왔다. 흑연의 한자어는 ‘검은 납’을 뜻하는데, 이는 오늘날의 영어 명 ‘graphite’가 만들어지기 이전에 사용된 이름 ‘black lead’에서 유래한 듯하다. ‘Graphite’라는 이름은 흑연을 필기도구로 사용한 것에서, 1789년에 베르너(A. G. Werner, 1749~1817)가 ‘쓰다’는 뜻의 그리스어 ‘graphein’에서 따와 지은 이름이다. 다이아몬드(diamond)는 그리스어로 ‘투명하다’는 ‘diaphanes’과 더 이상 단단한 것이 없다는 의미에서 ‘굴복되지 않는 것’을 뜻하는 그리스어 ‘adamas’를 복합시킨 것으로 여겨진다.   1980년대에는 풀러렌이라 불리는 새로운 탄소 동소체가 처음 분광학적으로 발견되었고, 뒤이어 탄소 전극을 사용한 전기 방전 장치에서 만들어졌다. 풀러렌이란 이름은 풀러렌이 축구공 모양이라는 것에서 축구공을 닮은 돔을 설계한 리처드 풀러(R. Buckminster Fuller, 1895~1983)의 이름에서 따왔다. 2000년대에는 원자 1개 두께의 탄소판이 층층이 쌓여 이루어진 흑연에서 탄소판을 한 층씩 떼어내는 방법이 고안되었는데, 이렇게 얻은 원자 1개 두께의 탄소판을 흑연(graphite)과 이중결합을 뜻하는 접미어 ‘-ene’를 합쳐 그래핀(Graphene)이라 명명하였다.

 

 

라부아지에. 다이아몬드와 숯이 화학적으로는 같은 원소임을 밝혔다.

셸레. 흑연이 탄소의 또 다른 형태임을 확인하였다.

 

 

 

원자구조와 원소 성질 탄소 원자의 전자배치는 헬륨의 전자배치에 추가로 4개의 전자가 보다 높은 에너지 상태에 들어가 있는 것이다. 화합물에서 가장 흔한 산화상태는 +4이나, 일산화탄소(CO)에서처럼 +2를 갖기도 하고, 화합물에 따라서 0, -1, -2, -3, -4의 다양한 산화 상태를 갖기도 한다. 이온화 에너지는 다른 14족 원소들에 비해 월등히 높다.   탄소 원자는 다른 탄소 원자를 비롯하여 여러 원자들과 결합을 한다. 단일결합 이외에 이중결합과 삼중결합을 하기도 하며, 한 탄소 원자 주위의 결합 수는 대부분 4이다. 탄소는 원소 중에서 녹는점과 승화점이 가장 높다. 1기압에서는 온도가 아무리 높아도 녹지 않으며, 고체-액체-기체가 평형을 이루는 삼중점은 흑연의 경우 100 기압, 4600 K이다. 승화 온도는 약 3900 K로, 탄소 아크에서 승화한다.   탄소의 물리적 성질은 동소체에 따라 아주 다르다. 예로, 흑연은 검은색이나 다이아몬드는 투명하다. 흑연은 모스 경도가 1 이하로 무르나, 다이아몬드는 10으로 가장 경도가 높은 물질이다. 흑연은 좋은 전기 도체이나 다이아몬드는 부도체이고, 흑연보다는 다이아몬드가 열을 월등히 잘 전달한다.   자연계에 존재하는 탄소 동위원소는 12C (98.93%), 13C(1.07%), 그리고 14C(약 1x10-10%)이다. 1962년에 국제순수응용화학연합(IUPAC)은 12C 원자 1개 질량의 1/12를 원자질량단위(amu: atomic mass unit)로 채택하여 원자와 분자 질량의 기준으로 정하였다. 자연계에 존재하는 13C 동위원소 덕분에 탄소 핵자기공명(NMR) 실험이 가능해졌는데, 이 핵자기공명 자료는 유기화합물의 구조를 확인하는데 매우 유용하다. 14C는 반감기가 5,760년인 방사성 동위원소로 베타(β) 붕괴를 하고 14N이 된다. 14C는 대기권 상층에서 질소에 우주선이 작용하여 만들어진다.   대기와 생명체에서는 탄소가 계속 교환되므로 여기에 들어있는 탄소 동위원소 14C와 12C의 비, 14C/12C가 거의 일정하게 유지되나, 생명체가 죽은 후에는 이 교환은 멈춘 반면 14C의 방사능 붕괴는 계속해서 일어나기 때문에 14C/12C 비가 감소하게 된다. 따라서 이 14C/12C 비에서 탄소를 포함하는 오래된 물질이 만들어진 연대를 알 수 있는데, 이것이 바로 탄소 연대 측정 방법으로 약 6만 년까지의 연대를 비교적 정확하게 측정할 수 있다.     탄소 동소체 탄소는 원자가 1개씩 상태로 떨어져있는 상태로 존재하기는 아주 어렵고 여러 원자들이 모여 안정된 구조로 있게 되는데, 구조의 원자 배열이 크게 다른 여러 가지 동소체로 존재한다. 몇 가지 탄소 동소체의 원자 배열을 아래 그림으로 나타내었다.

 

(a) 무정형 탄소 (b) 다이아몬드 (c) 흑연 (d) C60 (e) 탄소 나노튜브. <출처: (CC)mstroeck at Wikipedia.org>

 

 

몇 가지 탄소 동소체의 구조. (a) 무정형 탄소, (b) 다이아몬드, (c)흑연, (d) C60, (e) 탄소 나노튜브. C60과 탄소 나노튜브는 풀러렌의 두 가지 예이다. 그래핀은 흑연의 한 층을 분리한 막이다.   무정형 탄소는 결정성 구조를 갖지 않은 탄소이다. 숯, 검댕, 활성탄 등이 이에 속한다. 여기서 탄소 원자들은 작은 범위 내에서는 흑연에서와 거의 같은 규칙적인 배열을 하지만, 넓은 범위에서는 규칙적인 배열을 하고 있지는 않다. 보통 가루로 있거나, 가루가 뭉쳐져 있는 상태이다.   다이아몬드는 각 탄소 원자가 4개의 다른 탄소 원자와 정사면체 형태로 결합한 구조를 하고 있다. 밀도가 흑연보다 높으므로, 높은 압력에서는 흑연보다 열역학적으로 안정하다. 다이아몬드는 대략 4.5만~5만 기압 900~1,300oC의 제한된 조건에서 탄소를 포함하는 물질로부터 만들어진다. 지구에서는 암석 권 맨틀과 운석이 떨어진 자리가 이 조건이 만족되는 곳이다. 자연계에서 얻어지기도 하지만, 높은 온도와 압력에서 탄소를 포함하는 원료로부터 합성되기도 한다.   흑연은 보통압력에서 열역학적으로 가장 안정한 탄소의 형태이다. 각 탄소 원자는 평면상에서 3개의 다른 탄소 원자와 결합하여 6각형을 이루며, 이런 2차원적인 평면들이 약한 힘으로 쌓여 있는 구조를 하고 있다. 이 때문에 흑연은 무르고, 각 층은 쉽게 미끄러지며, 각 층에서는 전기가 잘 통한다.   풀러렌에는 2가지 종류가 있는데, 하나는 흑연 층에서와 비슷한 배열을 갖는 탄소 원자들이 축구공의 표면에 위치하는 것과 같은 버키볼(Buckyball)이고, 다른 하나는 속이 빈 실린더 벽면을 이루는 구조인 탄소 나노튜브(Carbon nanotube)이다. 탄소의 새로운 분자 형태인 이들은 유기용매에 녹는다. 버키볼에서는 탄소 원자들이 6각형 외에 5각형이나 7각형도 이루고 있으며, 분자의 탄소 수에 따라 C60, C70와 같이 나타내기도 한다. 탄소 나노튜브에는 벽이 하나로 된 것과 여러 개로 된 것이 있다. 최근에는 탄소 나노튜브 바깥 벽에 버키볼을 결합시킨 혼합 풀러렌 물질도 만들어 졌다.   그래핀은 흑연의 탄소 원자층 1층을 분리한 것이다. 2004년에 접착 테이프를 이용하여 이를 처음으로 분리하는 방법이 고안된 이후, 그래핀을 얻는 여러 가지 방법들이 개발되었다.

 

탄소는 석탄, 석유, 천연가스와 같은 화석연료의 주된 구성 원소이다. <출처: gettyimages>

탄소의 동소체 흑연은 연필심, 브레이크 라이닝, 내화물, 윤활제 등으로 사용된다. <출처: gettyimages>

 

 

탄소 화합물 탄소 원자는 다른 탄소 원자와 결합하여 사슬이나 고리를 만들 수 있다. 각 탄소 원자 주위에는 4개까지의 다른 원자가 결합될 수 있다. 탄소에 쉽게 결합되는 원소는 탄소 외에, 수소, 산소, 질소, 할로겐, 인, 유황, 여러 금속 등 아주 다양하다. 이 때문에 탄소를 포함하는 화합물의 종류도 아주 다양하다.   탄소 화합물의 구조는 각 탄소 원자에 결합되어 있는 원자들의 수에 의해 결정된다. 한 탄소 원자에 4개의 원자가 결합되어 있는 경우에는 결합된 4개의 원자들은 4면체(같은 원자인 경우는 정4면체)의 꼭지점을 이루고 탄소는 4면체의 중앙에 위치한다. 3개의 원자가 결합된 경우는 한 원자와의 결합은 이중 결합이 되고, 3개의 원자는 3각형을 이루며 탄소원자는 이 3각형 평면의 중앙에 위치한다. 2개의 원자가 결합된 경우는 2개의 이중 결합 또는 1개의 삼중 결합과 1개의 단일 결합을 만들며 구성 원자들은 일직선상에 위치하게 된다.

 

탄소 원자에 결합된 원자의 수와 구조의 관계를 보이는 예.

 

탄소는 몇 가지 금속 원자와도 결합하여 탄화물(또는 탄소화물)을 만든다. 가장 잘 알려진 것이 카바이드라 줄여서 불리는 탄화칼슘(CaC2)일 것이다. 이 화합물은 석회석과 코크스(석탄을 건류하여 얻음)를 반응시키면 얻어지며, 물과 반응하여 아세틸렌(C2H2)를 내어 놓는다. 아세틸렌은 다른 유기화학 물질을 만드는 출발 물질이 되기도 하며, 과거에는 거리의 등잔불로도 사용되었다. 이외에도 여러 금속 탄화물이 산업적으로 중요하게 이용되는데, 시멘타이트(cementite)라 불리는 탄화철(Fe3C)은 강철의 중요한 성분이고, 탄화텅스텐(WC)은 모스 경도가 9.5인 매우 단단한 물질로 연마제나 절삭공구의 절단면으로 많이 사용된다. 탄소-금속 결합을 갖는 화합물을 유기 금속 화합물이라 하는데, 이들은 유기합성 시약으로 많이 이용된다.   흑연의 탄소 층간 간격은 비교적 넓고 층간에 작용하는 힘도 약하기 때문에, 여러 작은 분자나 원자들이 층에 삽입될 수 있다. 여러 알칼리 금속 원자, 산소산, 할로겐화물의 흑연 층간 삽입 화합물들이 만들어졌다.     탄소의 생산과 용도 흑연은 자연 상태로 얻어지며, 한 해 약 100만 톤이 중국, 인도, 북한, 캐나다 등에서 생산된다. 흑연은 주로 내화물, 윤활제, 주물, 브레이크 라이닝, 연필심 등으로 사용된다. 1896년에 실리카와 코크스(coke)를 약 2,500oC에서 반응시켜 합성 흑연을 만드는 방법이 에치슨(A. Acheson, 1856~1931)에 의해 발명되었다.

 

 

합성 흑연은 흑연 도가니, 전지 및 전기분해조의 전극을 만드는데 주로 사용된다. 고분자를 열 분해시켜 얻은 흑연 섬유(graphite fiber, 탄소 섬유라고도 함)는 각종 고강도 복합재료의 제조에 사용된다. 합성 흑연과 흑연 섬유는 핵 반응로에서 중성자 조절제로도 사용된다.   자연 상태에서 광물로 얻어지는 또 다른 형태의 탄소인 다이아몬드는 연간 대략 2만 6,000kg(1억 3,000만 캐럿)이 생산된다. 러시아, 보스와나, 콩고공화국, 호주 등에 주로 매장되어 있어 이들 나라에서 주로 생산된다. 그리고 고온고압 공정 또는 화학증기 증착법으로 연간 약 10만kg의 합성 다이아몬드가 만들어진다. 다이아몬드는 보석으로 사용되는 것 외에, 단단한 성질을 이용한 각종 절삭 공구와 연마제로 사용된다. 또한 다이아몬드는 아주 좋은 열전도체이면서 전기부도체이므로, 각종 전자제품에 이용되기도 한다.

 

코크스는 철광석으로부터 산소를 떼어내고 용광로의 온도를 높게 유지하는데 이용된다.

합성 다이아몬드 날로 만들어 진 메스. 다이아몬드는 단단한 성질을 이용한 각종 절삭 공구와 연마제로 사용된다.

 

 

다른 물질을 가공하여 거의 순수한 형태로 얻은 탄소들이 여러 산업적 용도로 사용된다. 그 중 한 가지가 코크스인데, 주로 석탄을 건류하여 얻으며, 제철공업에서 철광석으로부터 산소를 떼어내고 용광로의 온도를 높게 유지하는데 이용된다. 탄소계 화합물을 불완전 연소시켜 얻은 검댕에 해당하는 카본 블랙(carbon black)은 타이어와 같은 고무제품의 충진제, 안료, 인쇄 잉크 재료로 사용된다. 그리고 목재, 석탄, 석유 피치 등에서 만들어지는 다공성의 무정형 탄소인 활성탄(activated carbon)은 아주 좋은 흡착제로 기체나 물을 정제하는데 많이 사용된다.   최근에 인공적으로 만들어진 탄소 동소체인 풀러렌과 그래핀은 각종 나노 크기의 전자 장치와 부품의 재료로 이용될 것이 기대되며, 이에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

 

 

1. 수치로 보는 탄소

   탄소의 표준원자량은 12.0107g/mol이다. 물리적 성질은 동소체에 따르다. 전자배열은 1s²2s²2p²이다. 1기압에서는 녹지 않으며, 삼중점은 흑연의 경우 100기압, 4,600K이고, 승화 온도는 약 3,900K이다. 실온에서의 밀도는 무정형 탄소는 1.8~2.1g/cm³, 흑연은 2.267g/cm³, 그리고 다이아몬드는 3.514g/cm³이다. 자연상태에서 3가지 동위원소가 존재하는데, 이들은 ¹²C(98.93%), ¹³C(1.07%), ¹⁴C(약 1x10^-10%)이다. ¹²C 원자의 질량은 원자질량단위의 기준이 되며, ¹⁴C는 반감기가 5,760년인 방사성 동위원소로 탄소 연대 측정에 이용된다. 제1, 2, 3, 4 이온화 에너지는 각각 1,086.5, 2,352.6, 4,620.5, 6,222.7kJ/mol이다. 전기 비저항은 흑연은 (0.4~5.0)x10^-4ohm∙cm(평면 층에서)이고, 다이아몬드는 10¹⁴~10¹⁵ ohm∙cm이다. 27^oC에서의 열전도도는 흑연이 119~165W∙m^-1∙K^-1, 다이아몬드는 900~2,300W∙m^-1∙K^-1이다.

2. 동소체(allotrope)

   같은 화학 원소이면서 구조와 성질이 다른 것들을 동소체라 한다. 흑연, 다이아몬드, 숯, 검댕이 자연 상태에서 존재하는 탄소 동소체이며, 풀러렌, 그래핀이 인공적으로 만든 탄소 동소체이다.

 

 

 

글 박준우 / 이화여대 명예교수(화학)

서울대학교 화학과를 졸업하고 템플대학교에서 박사학위를 받았다. 오랫동안 이화여대에서 화학을 연구하고 가르쳤다. 저서로 [인간과 사회와 함께한 과학기술 발전의 발자취]와 [아나스타스가 들려주는 녹색화학 이야기] 등이 있고, 역서로 [젊은 과학도에 드리는 조언] 등이 있다.

발행일  2011.09.28

Carbon

Atomic Weight		12.0107
Density		2.26 g/cm3[note]
Melting Point		3550 °C[note]
Boiling Point		4027 °C[note]
Full technical data

A diamond is forever, unless you heat it too much and it burns up into carbon dioxide gas. Graphite is also pure carbon and widely used in pencils, but not nearly as pretty. In this poster, pretty trumps practical.

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