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 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. |
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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. 27oC에서의 열전도도는 흑연이 119~165W∙m-1∙K-1, 다이아몬드는 900~2,300W∙m-1∙K-1이다.
같은 화학 원소이면서 구조와 성질이 다른 것들을 동소체라 한다. 흑연, 다이아몬드, 숯, 검댕이 자연 상태에서 존재하는 탄소 동소체이며, 풀러렌, 그래핀이 인공적으로 만든 탄소 동소체이다.