탄소(C)란 무엇인가?
탄소의 발견
고대로부터 탄소는 숯(목탄)의 형태로 많이 사용되었으며, 기본적인 연료 외에 철 등의 금속 제련 용도로도 사용되었습니다. 발견자는 누구인지 알려지지 않았습니다.
1772년 라부아지에(A. Lavoisier)는 같은 양의 숯과 다이아몬드를 따로 연소시키면, 각각 같은 양의 이산화 탄소이산화탄소를 발생시킨다는 사실을 바탕으로 숯과 다이아몬드가 탄소로만 이루어진 동소체라는 사실을 밝혔습니다. 이후 1779년 셸레(C. Scheele)는 흑연도 탄소의 동소체임을 밝혔고, 1980년대에는 탄소의 또 다른 동소체인 풀러렌(Fullerene)이 처음 발견되었으며, 2000년대에는 원자 1개와 같은 두께를 가지는 탄소판인 그래핀(graphene)이 새로운 탄소의 동소체로 발견되었습니다.
*동소체: 같은 원소로 구성되어 있으나 구조가 다른 물질
탄소의 정의
탄소는 우주에서 네 번째, 지구에서는 열네 번째로 많이 존재하는 원소이며 탄소는 모든 생명체를 이루는 기본 구성 요소로, 우리가 사는 세상을 구성하는 가장 중요한 원소 중 하나입니다. 탄소의 원소명은 목탄을 뜻하는 라틴어 ‘carbo’에서 유래한 ‘carbon’이라는 단어에서 유래했습니다. 탄소를 나타내는 원소 기호로는 C가 사용됩니다.
탄소의 구성
탄소는 최외각 전자가 4개이므로, 최대 4개의 공유 결합을 형성할 수 있습니다.
*최외각 전자: 원자를 이루고 있는 전자 중 가장 바깥 껍질에 존재하는 전자
*공유 결합: 두 원자가 각 원자에 속해 있던 전자를 공유하여 공유 전자쌍을 형성함으로써 각 원자의 최외각 전자 궤도를 완전히 채워 안정된 전자구조를 이루면서 일어나는 결합이다.
탄소의 특성
C - 탄소는 녹는점과 승화점이 매우 높은 원소입니다.
C - 탄소는 동소체에 따라 매우 다른 물리적인 특성들을 보여줍니다.
ex) 흑연은 투명하지 않은 검은색이며, 경도가 1로 매운 무른 물질입니다. 또한 전기가 잘 통하는 도체입니다. 하지만 다른 동소체인 다이아몬드는 무색투명하며, 경도가 가장 높은 10인 물질입니다. 또한 다이아몬드는 전기가 통하지 않는 부도체이지만, 열은 다이아몬드가 흑연보다 잘 전달합니다.
C - 탄소 원자는 다른 탄소 원자나 그 밖의 다른 원자와 다양한 형태의 결합을 형성할 수 있어 다양한 탄소 화합물을 생성합니다.
*녹는점: 물질이 고체에서 액체로 상태변화가 일어날 때의 온도
*승화점: 고체가 곧바로 기체로 변하거나 기체가 고체로 변하는 현상에서 변하는 그때의 온도
탄소의 활용
흑연
흑연은 가장 대표적으로 연필과 샤프심의 재료로 사용되며, 전기 전도도를 이용하여 전기 양도체의 원료로도 쓰인다. 화학 공정에서의 내열성 장비 (도가니)의 재료로 쓰이기도 한다. 또 결정 구조가 층상을 이루고 있어 매끄럽기 때문에 감마제와 윤활제로도 활용되며, 물건을 제작할 때 주형으로 사용한다.
다이아몬드
장식용 보석 그리고 산업용 절삭기구 및 연마제로 사용된다.
풀러렌
풀러렌은 탄소 원자 60개가 결합해 축구공 모양의 분자 구조를 이루고 있는 탄소 물질로, 치료, 전극, 전달체 등 많은 분야에서 활용되고 있는 탄소 물질입니다.
탄소 나노튜브
탄소 나노튜브는 원통형 풀러렌으로, 나노미터(0.000000001m) 규모로 철보다 100배 이상 단단하고 열 전도율, 전기 전도율 등에서 뛰어나 케이블, 전극, 디스플레이, 태양 전지, 방탄 섬유 등 항공우주분야는 물론 생명공학, 환경에너지, 의약‧의료, 전자‧컴퓨터 등 다양한 분야에 활용되고 있습니다.
그래핀
그래핀은 자유자재로 접거나 말 수 있는 플렉시블 디스플레이(flexible display), 태양 전지, 의료, 진단, 트랜지스터를 비롯한 거의 모든 과학 분야에서 연구되고 있습니다.
