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.
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