6. 탄소(C)에 대한 이야기

글 쓴 날 : 2003.12.22

마지막 고친 날 : 2005.09.12

탄소 하면 무엇이 가장 먼저 떠오르는가?
다이아몬드? 흑연(연필심)? 아니면 드라이아이스[footnote]드라이아이스는 이산화탄소로 되어있으며, 승화온도 -76℃이다.[/footnote]???

탄소 하면 많은 것이 떠오르지만 내게 있어서 가장 많이 떠오르는 것은 바로 우리 몸이다.
물론 우리 몸의 주 성분이 탄소는 아니다. 탄소는 단지 많이 들어있는 한 원소일 뿐이다. (가장 많은 것은 산소, 다음이 수소, 그 다음에서야 탄소가 등장한다.)
하
지만 우리 몸이 여러 가지 생체적 작동을 하게 하는 기본이 되는 물질은 바로 탄소이다. 탄소는 탆수화물, 지방, 단백질의 주
구성원이기 때문에 탄소가 없었다면(?: 역사에서 가정은 전혀 불필요하다.) 생명체가 발생해서 진화하기는 많이 힘들었을 것이다.

탄소는 원자번호 6번으로 전자 6개중 4개를 최외각 전자로 갖고 있다. 이 전자들로 인해서 탄소는 다른 4개의 원자와
결합하기를 좋아하는 성질을 갖고 있으며, 이 4개의 다른 원자와 결합하기를 좋아하는 성질로 인해서 복잡한 유기물을 이루는 기본이
되는 특성을 나타낼 수 있게 된 것이다.
탄소는 주로 공유결합을 하지만, 이온결합도 자주 한다. 이때에는 양이온으로 작용할 때도 있지만, 음이온으로 작용할 때도 있는데, 그것은 탄소원자에서 4개의 전자를 붙이는 것만큼이나 떼어내는 것도 쉽기 때문이다.

탄소로써 우리 주변에서 관찰할 수 있는 것으로는…

흑연은 탄소원자들이 판처럼 정렬되어있으며, 탄소원자들은 육각형 구조로 마치 벌집의 단면을
보듯이 구성되어 있다. 그리고 이 구성을 이루기 위해서 3개의 최외각전자를 사용하고 있다.(sp2 구조) 나머지 한 전자는 다른
판들과 결합을 유지하기 위해 사용되는데, 이때 사용되는 전자들의 결합은 판을 구성하기 위해 사용된 3개의 전자들보다 약하기
때문에 흑연은 판판히 잘 떨어져 나간다. 따라서 흑연은 상대적으로 부드러운 물질에 속한다. 또한 한 가지 특징이 흑연에 있는데,
판과 판을 결합하기 위해 사용된 전자는 쉽게 자리를 바꿀 수 있다는 것이다. 그래서 흑연에 전압을 가하면 비교적 쉽게 전기가
흐르게 된다.
흑연을 건전지의 +극에 사용하는 것은 전기가 잘 통하고, 다른 산에 잘 반응하지 않기 때문이다. 또한 건전지
내부에서 전기가 발생하면서 생긴 화학물질 중 액체나 기체를 쉽게 흡수하여 건전지 외부로 물이 흘러나오는 것을 막을 수 있기
때문이기도 하다.
이러한 흑연은 광물로 채집할 수 있으며, 땅속의 비교적 저온, 저압에서 탄소가 모여 생성된다.

다이아몬드는 흑연과 비슷하면서도 비슷하지 않은 구조를 이루고 있다고 보아야 한다. 좀
이상하게 생각하는 사람이 있을지도 모르지만 이 말은 맞으면서도 틀리다. (^^) 왜냐하면 다이아몬드는 흑연의 판을 결합시키기
위해 사용된 하나의 전자들이 판 내부의 결합에 사용된 것들과 같은 강도로 결합되어 있기 때문에 비교적 비슷하다고 생각할 수
있다. 하지만 그에 반해서 그 결정은 3차원적인 구조를 이루고 있어서 흑연의 2차원적인 그것과는 전혀 다르게 보인다(sp3
구조).
그래서 다이아몬드는 그 결정에너지가 흑연에 비해서 상대적으로 낮고, 외부에서 에너지가 가해진다면 다이아몬드는 쉽게
흑연으로 변화할 수도 있다. 산소가 공급되지 않는 상태에서 약 2000도 정도의 온도로 가열하면 다이아몬드는 자연스럽게 흑연이
된다. 반대로 흑연은 다이아몬드보다 상대적으로 에너지가 높기 때문에 에너지가 낮은 다이아몬드로 변화하려면 고온, 고압이
필요하다. 실제로 인조 다이아몬드를 만들 때에는 탄소덩어리를 넣고, 고온 고압에서 며칠동안 방치하여 제조한다. 다이아몬드는
산소가 있는 경우는 700 ~ 900도 정도에서 이산화탄소로 연소한다.

자연계에서 다이아몬드가 생성되는 것은 땅속 아주 깊은 곳에서 고온, 고압의 환경이 생성된 곳이다. (지질학적으로 우리나라는 다이아몬드가 많이 산출될만한 지형이지만 우리나라에서는 다이아몬드가 산출되지는 않는다고 한다.)
다
이아몬드는 인공적으로 합성되기도 한다. 최초로 다이아몬드 합성기술이 개발된 것은 일본이었는데 10GPa 이상의 압력에서 매우 긴
시간동안 합성됐다. 물론 불순물이 많고, 결정구조가 흑연과 다이아몬드의 중간적인 구조였으므로 가격은 좀 싼 편이어서 공업용으로만
사용된다.(sp2와 sp3 혼합구조) 현재는 초기의 다이아몬드를 만들 때보다 기술적인 면에서 많이 발전했지만 큰 본질은 변하지
않았다. 단지 초기에는 전체를 강한 압력으로 눌러 만들었다면 현재는 전기장에 의한 증착으로 바뀌었다는 정도만 기술개선이
이뤄졌다……

또한 다이아몬드는 광학밀도가 높아서 굴절률이 무척 높다. 2.417로 자연계에서 제일 높으며, 그렇기 때문에 적은 빛으로도
상당히 반작거리는 것을 눈으로 확인할 수 있다.[footnote]가시광선 이외에 적외선이나 자외선에서는 굴절율이 다이아몬드보다
더 큰 물질이 있다.[/footnote]
매우 반짝거리고, 단단하였지만 처음 다이아몬드가 이용될 때는 보석이 아닌 단순
공업용으로 이용되었다. 그러나 ‘드비어스’사가 다이아몬드를 보석으로 광고하면서 그 값이 10배 이상으로 뛰었고, 결국 전 세계
다이아몬드 산출지는 전쟁터로 변하게 됐다. 결국 다이아몬드는 “피의 다이아몬드”라는 별명을 얻음과 동시에 아름답지만 사람을 가장
괴롭히는 대상이 된다.

다
이아몬드의 결정도 일반적인 결정과 마찬가지로 어느 한 방향에서 가하면 쉽게 깨지려는 성질이 있는데 이는 다이아몬드도 결을 갖고
있기 때문이다. 이 결은 일반적인 다이아몬드 세공에도 이용되는데 다이아몬드의 끝 뾰족한 곳과 반대편 평평한 곳의 한 중앙을 잇는
선이다. (비싼 다이아몬드의 경우 깨지면 가치가 크게 떨어지므로 실험하지는 말자..^^;)

다이아몬드의 가장 중요한 사용처는 바로 망원경에 있을 것이다. 그것도 지상의 망원경이 아닌 우주망원경…(허블망원경 같은
것들.) 우주에는 우주먼지들이 매우 빠른 속도로 날아다니는데 이것들은 40km/s 이상의 속도로 날아다니는 것이 있다. 그래서
우주망원경을 일반 유리로 제작하면 사용하기 시작한지 오래되지 않아서 뿌옇게 보이게 될 것이다. 그래서 다이아몬드를 갈아서 렌즈로
제작한다. ^^;
다이아몬드는 또한 시계와 같은 고가의 기계의 운동부위에 사용되며, 적은 빛으로도 잘 보이기 때문에 시계의 눈금에도 많이 이용된다.

탄소로 또 우리에게 친근한 것은 숯이다. 숯은 식물체를 태운 후에 남는다는 것은 이 글을 읽는 사람이면 누구나 다 알 것이라고 생각하는데….
위
에서 언급했듯이 탄수화물, 지방, 단백질로 구성된 우리 몸, 또는 동식물체는 많은 탄소를 포함한다. 이 물질들의 특징은 거의
모든 부분에서 산소와 수소 원자 개수의 비율이 1:2를 이룬다는 것이다. 따라서 이러한 유기체를 고온의 환경에 넣고서 산소를
공급하지 않으면 산소와 수소들만이 수증기의 형태로 밖으로 나오고, 안에는 탄소 덩어리만이 남아있게 된다. 물론 이 탄소 덩어리를
숯이라고 부르며, 숯은 구조적으로 매우 구멍이 많은 구조를 이루고 있고(기공성 구조라고 부르기도 한다.) 우리가 일상생활에서
사용하는 숯의 성질은 바로 이 구멍이 많다는 특징을 이용한 것이다. 즉 물의 정수나 탈향제로 숯을 사용하는 것은 물질의 양에
비해 표면적이 매우 넓기 때문이다. (물론 탄소의 성질이 그러한 원인이 되는 물질들과 친화적이라는 이유도 한 몫 하고 있을
것이다.)
그렇지만 탄소는 고온에서 산소와 만나면 모두 이산화탄소로 바뀌면서 열과 빛(?)을 내기 때문에 숯을 만들때
공기가 새어 들어가게 하면 숯은 남지 않고, 대신 흰 재만이 남을 것이다. 흰 재는 유기체의 내부에 존재하는 무거운 원소들의
흔적이다. (수소, 산소, 탄소는 모두 수증기와 이산화탄소의 형태로 공기 중으로 날아갔으므로 철, 마그네슘 등등의 무거운 원소의
산화물만 남게 되는 것이다.)

탄소는 보통 보는 불꽃이 붉게 빛나는 것과도 관련이 된다. 보통 불꽃은 주황색을 띄게 되는데, 이는 불꽃 속에서 기화되어
타다가 산소부족으로 다 못타고 남은 탄소가 가열되어 붉게 빛나고 있기 때문이다. (실제로 흑연과 같은 물질을 불에 대어보면 그
색의 차이가 거의 없다는 것을 알 수 있다.) 따라서 산소를 충분히 공급하면서 물질을 연소시키면 붉은 색 대신 푸른 색 빛을 낼
수 있게 된다. 알다시피 붉은색 불꽃보다는 푸른색 불꽃이 더 온도가 높은데, 이는 푸른색 불꽃이 연소가 더 잘 됐기 때문이다.
그래서 가스렌지의 불꽃을 파랗게 조절하는 것이기도 하다.

불꽃이 붉을 경우 꼭 따라다니는 부수적인 것이 있는데, 그것은 바로 그름이다.
그름은 불꽃 속에서 붉게 빛나던 탄소가 결국 산화하지 못하고 외부로 방출되어 엉겨 붙은 것이다. 결론적으로 불꽃의 반응 알고리즘은 특별한 경우를 제외하고는 탄소와 산소의 양과 관련된다.
주의할 것은 그름은 불규칙하게 탄소가 배열된 것으로, 독성이 있어서 동식물에게 아주 해롭다.
참고로 옛날에 쓰던 문방사우의 먹과 벼루 중에서 먹은 그름을 모아서 강하게 눌러 소결시킨 것이다. 또한 김치를 담글 때에 숯을 넣는 것도 미생물이 김치에 심하게 번식하는 것을 막기 위한 일환이었다.

또한 탄소가 산화한 이산화탄소는 온난화의 주된 이유 중 한 가지가 되고 있다.[footnote]이산화탄소의 온난화가스
여부나 오늘날 온난화 현상의 원인 등에 대해서는 논란이 크다.[/footnote] 현재 지구상에 배출된 대부분의 이산화탄소는
선진국에서 주로 배출한 것이었는데, 아이러니하게도 미래에는 이산화탄소의 배출 양을 줄이자는 국제적 결의(교토의정서)를 세계에서
가장 이산화탄소를 많이 내뿜고 있는 미국과 러시아가 비준을 반대하고 있다는 것이다. (하지만 그들은 자기들에게 이익이 되는 다른
것은 일방적으로 밀어붙이고 있으며, 이를 보면 북한이나 이라크보다 미국과 러시아를 세계의 최고 악의 축이라 부를만하며, 세계
최고의 깡패국가라 부를만하다고 생각지 않을 수 없다.)

또한 탄소는 새로운 재료로써 주목받고 있는데, 탄소 특유의 응집력을 이용한 나노튜브라던지, C60 (풀러린)같은 물질이 그 대표적인 예이다. 이들을 이용해서 미래에 연료전지나 초전도물질로 이용하게 될 가능성도 있는 것이다.

또한 탄소하면 (위에서도 간접적으로 언급됐지만) 화석연료를 예로 들지 않을 수 없다. 지구상에 산소가 대기 중에 많을 수
있는 이유는 식물이 이산화탄소를 양분으로 고정하여 소비했기 때문이다. 지구 이외의 다른 행성이나 우주의 어느 부분을 봐도 순수한
산소의 흔적을 찾기란 거의 불가능하다. 따라서 지구상에 존재하던 많은 탄소는 다른 형태로 존재해야 하는데, 그 다른 형태 중
대표적인 예가 화석연료이다. 즉 화석연료는 오래전 과거에 남는 이산화탄소가 다른 형태로 바뀌어 땅속에 머물게 된 것이다. 현재
인류가 이를 사용하고 있으므로 대기 중의 이산화탄소 양이 늘어나는 것은 당연한 결과다.

탄소 동위원소 연대측정 방법도 살펴보자. 대기 중에 다량으로 존재하는 질소는 상당히 안정적인 물질로써, 지구상에서는 번개에
의한 방전(약 30%정도)과 콩과식물의 뿌리에 기생하고 있는 뿌리혹박테리아에 의한 고정(약 70%정도) 이외의 방법으로는 거의
화합물을 만들지 않는다. 이러한 질소에 우주에서 오는 우주선이 쪼일 때에 확률적으로 일정량 이상의 질소 핵이 탄소 핵으로
바뀐다. 이렇게 바뀐 탄소 핵은 질소 핵과 질량은 같지만 전하량만 차이나는 불안정한 원자핵으로 남게 된다. 따라서 이
탄소원자핵은 시간이 지나면 질소원자핵으로 다시 되돌아가고자 하는데, 이 때 관측할 수 있는 탄소원자와 질소원자의 양을 비교해서
반감기를 계산해 연대를 측정하게 된다.
그러나 최근 수천 년씩 살았던 나무들을 연구한 결과 탄소연대 측정법은 대략적인
값밖에 제공해 주지 못한다는 결론이 나왔다. 나무는 나이테를 셈으로써 아주아주 정확한 시간을 알 수 있는데, 그 속에서 관측된
탄소동위원소 양이 지나치게 이론치와 달랐던 것이다. 따라서 과학자들은 과거에는 탄소의 동위원소 비가 시간에 따라 달랐으며, 탄소
동위원소를 이용한 연대 측정법은 불완전하다고 발표할 수밖에 없었다.(나이테 하나하나를 따로 잘라 측정했다니 그 노력이 대단하다.
^^)

탄소는 규소와 일대일로 섞어서 세상에서 가장 단단한 물질을 형성한다. 인공적으로만 형성되지 않는 물질로 다이아몬드를 비롯하여 매우 단단한 물질들을 가공할 때 사용된다.

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뱀발 : 다이아몬드 사진들..

가공이 잘 된 제품은 프리즘처럼 빛이 되돌아 나간다.(사진에서 복굴절을 볼 수 있다.)

다이아몬드 내부에 불순물이 있는 경우 색을 띌 수 있다.
우리나라에서 형광이 일어나는 다이아몬드를 높게 치는 경향이 있는데, 실제로는 형광도 가치를 떨어뜨린다.

※ 이 글의 모든 사진은 서울 다이아몬드 홈페이지에서 가져왔습니다.

※ 2009.10.12 추가 : 풀러린의 색

나노입자인 “풀러린의 색”으로 검색해 들어온 분들이 몇 분 계셨다. 그래서 살짝 추가한다.

우선 풀러린은 종류가 매우 다양하다. 풀러린은 유한 개의 탄소 원자로 이뤄진 동소체를 말하는데 아직까지 얼마나 많은 동소체가 존재하는지 밝혀지지 않고 있다. C60이나 C70은 공모양의 풀러린이며, 튜브모양, 그릇모양 등지금까지 알려진 풀러린 종류도 매우 다양하고 성질도 다양하다. 일반적으로 물질의 색은 각 분자의 내부에 있는 전자가 어떤 전자기파와 상호작용을 하느냐에 의해 결정된다. 풀러린의 종류가 많은만큼 풀러린 분자 내부의 전자의 상태도 다양할 것이고, 그래서 색도 다양할 것으로 예상할 수 있다.

풀러린의 일반적인 수용액은 무색투명하다. 순수한 분자들을 분말로 모으면 무채색이 많다. 그러나 풀러린을 수용액으로 만든 뒤 어떤 물질을 추가하느냐 또는 산도(PH)가 어떠냐에 따라서 색이 바뀌게 된다.

풀러린 전체의 색을 따질 수 없는 이유다.