탄소

역사

탄소는 유사 이전부터 목탄의 형태로 사용되어 왔으며, “carbon”이라는 이름은 숯을 뜻하는 라틴어 carbo에서 왔다. 이 이름은 라부아지에가 명명하였다. 한자어 탄소(炭素)는 독일어 Kohlenstoff에서 유래하였다.

주요 화합물

CO₂(이산화탄소), CO(일산화탄소), CH₄(메테인), C₆H₁₂O₆(포도당), C₂H₆(에테인), 탄화수소 등과 같은 상당수의 유기물이 탄소 화합물에 해당한다. 그러나 오늘날에는 탄소가 있다고 해서 무조건 유기물이 될 수 있는 것은 아니다. 이것은 일산화탄소는 무기물에 해당되기 때문이다. 따라서 오늘날에는 홑원소물질인 탄소, 산화탄소, 금속의 탄산염, 시안화물·탄화물 등을 제외한 탄소화합물을 총칭한 분자를 유기물로 본다.

동소체

단일 탄소 원자는 매우 수명이 짧다. 따라서 탄소는 보통 여러 분자 배열을 가진 다양한 원자 구조, 즉 안정적인 동소체로 존재한다. 대표적인 탄소 동소체로는 비정질 탄소, 흑연, 다이아몬드 등이 있다. 신물질인 풀러렌은 오늘날 주로 합성하여 연구에 사용되며, 풀러렌에는 버크민스터풀러렌, 탄소 나노튜브, 탄소 나노돌기, 탄소 나노섬유 등이 있다. 이외에도 론스달라이트, 유리상 탄소
, 탄소 나노폼, 선형 아세틸렌성 탄소 등이 있다.
2009년 기준으로 그래핀은 현재까지 실험적으로 검증된 가장 강한 물질이다. 흑연에서 그래핀을 분리하는 공정은 아직까지 경제성이 떨어져 추가적인 기술 발전이 필요하다. 저렴한 공정이 개발된다면, 그래핀은 우주 엘리베이터 건설에 사용될 수 있을 것이다. 그리고 수소 연료 자동차에서 안전한 수소 저장고를 만드는 데 사용될 수도 있다.
탄소 원자들은 결정 구조를 이루지 못하고 불규칙한 비정질 상태로도 존재한다. 이때 탄소는 분말 형태이며, 목탄, 카본 블랙(그을음), 활성탄의 주 재료이다. 대기압에서 탄소의 가장 안정한 상은 흑연인데, 각 원자들이 방향족 탄화 수소에서 삼각평면 구조로 결합해 육각 고리 패턴을 형성하고 있다. 따라서 흑연은 판상 구조를 하고 있으며, 각각의 판은 약한 판데르발스 힘으로 결합되어 있다. 각각의 판들은 미끄러지기 쉬우며 충격에 약하기 때문에 흑연은 부드럽고 쉽게 쪼개지는 특성을 가지고 있다. 탄소의 최외각 전자가 4개이므로 흑연에서 세 개의 공유 결합을 이루고 남은 전자는 π-오비탈의 형태로 비편재화되어 있기 때문에 흑연은 전기 전도도가 높은 물질이다. 그런데 전자는 각각의 판 사이에서만 이동할 수 있기 때문에 대부분의 금속보다 낮은 벌크(Bulk) 전기 전도도를 가진다. 비편재화는 실온에서 흑연이 다이아몬드보다 안정한 이유 중 하나이다.
초고압에서 탄소는 다이아몬드 상을 가진다. 다이아몬드는 흑연보다 밀도가 두 배 가량 높다. 다이아몬드에서 각 탄소 원자들은 사면체 결합을 하고 있으며, 규소, 게르마늄과 같은 입방체 구조를 하고 있다. 다이아몬드는 매우 강한 공유결합을 하고 있어, 자연물 중에서는 경도가 가장 높은 물질이다. "다이아몬드는 영원하다"는 통념과는 반대로, 다이아몬드는 STP 하에서 열역학적으로 불안정하며(ΔfG°(다이아몬드, 298 K) = 2.9 kJ/mol) 흑연으로 상전이한다. 하지만 활성화 에너지 장벽이 매우 높아서 STP에서는 매우 느리게 일어나는 현상이다. 상도표에서 탄소의 저압, 저온 상태는 실험적으로 정확히 확인되지 않았지만, 밀도 함수 이론을 통한 연구를 통해 0 K, 0 Pa에서 다이아몬드가 흑연보다 1.1 kJ·mol⁻¹ 더 안정하다는 사실을 밝혀냈다. 특정 조건에서 탄소는 다이아몬드처럼 모든 원자가 공유결합된 육방 결정 격자인 론스달라이트 상을 가진다.
풀러렌은 합성 결정체로, 흑연과 비슷한 구조를 하고 있지만 육각형 고리로만 구성된 흑연과는 달리 오각형 또는 칠각형 고리를 가지고 있다. 탄소 원자들이 흑연 판에서 떨어져 나가거나 새로 추가되면 판은 구, 타원구, 원통 형태로 휘게 된다. 풀러렌은 버크민스터풀러렌(버키볼), 탄소 나노튜브(버키튜브), 탄소 나노돌기로 나눌 수 있다. 풀러렌의 특성은 아직 완전히 밝혀지지 않았으며, 나노 물질 분야에서 활발히 연구되고 있다. 풀러렌과 버크민스터풀러렌(버키볼)이라는 명칭은 디오데식 돔의 발명가인 리처드 버크민스터 풀러의 이름을 딴 것이다. 버크민스터풀러렌은 삼각피라미드 분자 구조를 하고 있는 고분자 물질이며, 회전 타원체 형태이다. (가장 잘 알려져 있고 단순한 것은 축구공 모양의 C₆₀ 버크민스터풀러렌이다) 탄소 나노튜브는 버크민스터풀러렌과 구조적으로 비슷하지만, 속이 빈 원통 형태로 굽은 판에서 각 원자들이 삼각피라미드 구조로 결합해 있다. 탄소 나노돌기는 2007년에 처음 밝혀졌으며, 버크민스터풀러렌이 탄소 나노튜브에 공유결합되어 있다.
탄소 나노폼은 1997년에 발견된 강자성 동소체이다. 6원자 및 7원자 고리에서 탄소 원자들이 삼각 결합하고 있는 삼차원 망에서 원자들이 저밀도 클러스터 조립으로 뭉쳐져 있다. 탄소 나노폼은 밀도가 2 kg/m³밖에 되지 않는다. 유리상 탄소는 밀폐기공률이 매우 높지만, 흑연과는 달리 판이 나란히 쌓이지 않고 불규칙하게 배열되어 있다. 선형 아세틸렌성 탄소의 화학 구조는 ―(C:::C)ₙ―이다. sp 혼성 오비탈로 선형 결합하고 있으며, 단일 결합과 삼중 결합이 교대로 이어지는 카르빈 중합체이다. 영률이 다이아몬드의 40배이기 때문에 나노 기술 분야에서 상당한 관심이 쏟아지고 있다.
2015년, 노스 캐롤라이나 주립 대학의 한 연구팀은 비정질 탄소 분말에 짧은 시간동안 고에너지 레이저를 쏘아, Q-탄소라 명명한 새로운 탄소 동소체를 발견했다. Q-탄소는 강자성이자 형광 물질이고, 다이아몬드보다 경도가 높은 것으로 밝혀졌다.

유기물

유기물(유기 화합물, organic Compounds)는 구조의 기본 골격으로 탄소 원자를 갖는 화합물을 통칭한다. 이에 반하여 무기물(무기 화합물, Inorganic Compunds)은 탄소를 포함하지 않는 화합물의 통칭이나, 영어 명칭에서 보듯이, 유기물은 생명체의 활동에 의해 생기는 것이라는 의미로 생성된 명칭이어서, 탄소를 포함하지만 생물 유래가 아닌 화합물은 무기물로 분류한다.

탄산

앙금 생성 반응을 통해 산출되는 탄산 칼슘, 탄산 바륨 등은 흰색 앙금이며, 이 앙금들은 산과 쉽게 반응하여 이산화 탄소 와 물을 발생한다. 따라서 탄산 이온(CO₃²⁻)을 검출할 때, 이러한 앙금이 유용하다.

유기물

생명 현상을 유지하는 데 필요한 기본적인 화합물로서, 사람뿐만이 아닌 모든 생명 활동의 기본으로 수많은 유기물이 존재하고, 생물체가 유기물을 사용된다.

무기물

탄소를 포함하지만 무기물로 분류된 화합물 중 대표적인 것이 이산화탄소인데, 최근 지구 온난화와 관련하여 탄소 배출권 등의 형태로 사용량을 규제하려는 움직임이 커지고 있다. 유기물질은 광물에서 얻을수 있는 무기물질의 상대적 개념으로 살아있거나 있었던 생물에서 얻어지는 물질을 유기화합물이라 했었는데 오늘 날에는 화합물의 구성원자중 탄소를 포함하며 그 물질을 분해하는 과정에서 에너지를 얻을수 있으면 유기물, 없으면 무기물이라 한다.

동소체

과거부터 연필 등의 형태로 사용되어온 흑연과 보석이면서 모든 광물 중 가장 경도가 높은 다이아몬드, 극저온 상태에서 초전도 현상을 보이고 수지의 내구성 및 내열성을 높일 수 있는 풀러렌, 반도체의 성질을 가지는 탄소 나노튜브 등이 사용된다. 다른 동소체로, 그래핀이라는 2차원 구조의 물질이 있다.