탄소

요약 주기율표 14족에 2주기에 속하는 원소로 원소기호는 C, 원자량은 12.0107g/mol, 승화점은 3642℃, 밀도는 흑연이 2.267g/cm3 , 다이아몬드가 3.515g/cm3 이다. 동소체로 비결정성 탄소, 결정성인 흑연, 다이아몬드가 있다. 수소, 산소 또는 질소 등과 공유결합을 안정적으로 쉽게 형성할 수 있어 생체분자의 기본요소로 사용되며 석탄과 석유의 주성분이다.

주기율표(탄소)

원소기호	C
원자번호	6
화학계열	비금속
원자량	12.0107g/mol
전자배열	1s2 2s2 2p2
상태	고체
밀도	비결정질:1.8–2.1 g/cm3, 흑연:2.267 g/cm3, 다이아몬드:3.515 g/cm3(실온)
융해열	117 (흑연) kJ/mol
비열용량	8.517(흑연) J/mol·K(25℃), 6.155(다이아몬드) J/mol·K(25℃)
산화상태	4, 3, 2, 1, 0, -1, -2, -3, -4
전기음성도	2.55 (Pauling scale)
승화점	3642℃

역사

고대부터 알려져 있는 원소로 홑원소물질[單體]로서는 비결정성 탄소, 흑연(석묵), 다이아몬드의 세 가지의 동소체가 존재한다. 흑연이 알려진 것은 중세이며, 보석으로 사용되어온 다이아몬드가 탄소라는 사실은 1772년 앙투안 라부아지에(Antoine Lavoisier) 등의 실험으로 확인되었다. 다이아몬드(diamond)라는 이름은 '더 이상 굳은 것은 없다'는 것으로부터 '정복되지 않는다'는 뜻의 그리스어 adamas에서 유래하였으며, 흑연(graphite)는 오래 전부터 필기도구로 사용된 사실로부터 '쓴다'는 뜻의 그리스어 grafein에서 유래하였다. 탄소 carbon은 라틴어인 carbo(목탄)에서 유래하였으며, 그 어원은 고트어의 hauri, 그리고 연소를 뜻하는 산스크리트의 jval이라고 알려져 있다. 

탄소

대기 중에서는 기체상태인 이산화탄소로 존재하고 암석권에서는 탄산염, 그리고 물 속에서는 탄산이온의 형태로 존재한다. 유기 화합물의 주요 성분이며, 생물체의 몸을 이루는 중요 구성 원소로 자연계에서 각종 경로를 통해 순환을 하고 있는 매우 중요한 원소이다. 탄소는 수소, 산소 또는 질소 등과 안정적으로 쉽게 공유결합을 할 수 있으며, 단일결합, 이중결합, 삼중결합이 가능하고 사슬형과 고리형의 구조도 형성할 수 있다. 이러한 탄소원자의 특성은 다양한 공유결합 배열이 가능하므로 수백만 종의 물질이 만들 수 있는 기본이 된다. 탄소는 융해가 어렵고 물과 알코올 등 모든 용제에 녹지 않으며, 고온에서 기체로 되는 성질이 있다. 또한 산, 염기와도 반응하지 않고 대단히 안정하며 공기 중에서 연소시키면 산소와 화합하여 이산화탄소가 된다.

다이아몬드는 무색 투명한 등축정계(等軸晶系)의 결정이며 굳기는 물질 중 가장 높다. 이른바 다이아몬드광택을 가지며 때로는 불순물 때문에 황·적·등·녹·청·흑색 등의 빛깔을 띤다. 공기를 차단하고 2000℃로 가열하면 흑연으로 변한다. 흑연은 금속광택을 가진 흑색, 육방정계(六方晶系)의 결정이다. 상당한 전도성을 나타낸다. 공기 중에서는 500∼600℃ 이상에서 착화하여 연소한다. 비결정성탄소는 흑색의 분말인데, 단 아주 미세한 흑연의 결정으로 이루어져 있으며 흑연의 불완전한 형태라고 할 수 있다. 입자는 다공성인데 그 크기나 모양이 다를 뿐이다. 코크스·목탄·수탄(獸炭) 등도 비결정성탄소에 속한다.

자연계에서 탄소의 순환

녹색식물은 뿌리로부터 흡수한 물과 잎의 기공으로부터 흡수한 이산화탄소를 재료로 삼아 빛을 통해 포도당과 전분을 만들고, 동물은 식물이 저장해 놓은 이러한 양분(포도당과 전분 등)을 먹고 소화·흡수시켜서 몸을 구성하고 에너지원으로 사용한다. 죽은 동물은 여러 가지 미생물이 분해해 땅 속의 양분이 되거나 화석연료가 되고, 대기 중의 이산화탄소로 다시 되돌아가는데, 이를 탄소의 순환이라 한다.

동위원소로 안정한 ¹²C(89.9%)와 ¹³C(1.1%)가 있다.  이외의 것은 불안정하며 미량으로 존재하지만, 질량수 ¹⁴C와 ¹¹C는 추적자로 사용된다. 특히 ¹⁴C 는 반감기 5750년의 β선을 방사하기 때문에 미라 등의 생성연대를 추정하는 고고학 등에 이용된다.

제조법

흑연은 무연탄·피치 등에 소량의 모래 및 산화철을 혼합하고 아크로(爐) 안에서 4,100℃로 가열하여 얻는다. 비결정성탄소는 유기물의 불완전 연소로 얻어지며 탄화수소를 열분해해서 수소를 제거한 후에 카본블랙으로 얻어진다. 소량은 설탕 등의 탄수화물을 진한 황산 등으로 탈수(脫水)하여 얻을 수 있다. 순수한 탄소를 고온·고압에서 처리한 다이아몬드가 제조되고 있으나, 아직 극히 미세한 입자의 것밖에 만들지 못하고 있다.

탄소의 용도

공업적으로는 보통 석탄, 석유, 천연가스, 천연 흑연 등을 원료로 각종 제품이 만들어지고 있으며, 목적에 따라 합성 고분자 등도 쓰인다. 다이아몬드는 보석으로 사용되고, 굳기가 큰 것을 이용해서 각종 시추기 등의 선단에 이용된다. 이 용도에는 잠정질(潛晶質)의 볼트나 흑다이아 또는 카르보나드 같이 품질이 낮은 것들이 이용된다. 흑연은 원자로 감속제(減速劑)·전기분해용 전극·도가니·연필·감마제(減摩劑) 등에 사용된다. 비결정성탄소는 각각 모양·성질에 따라 연료나 그 밖의 용도가 있다. 분말인 것은 흡착제로서 중요하며, 미립자의 카본블랙은 안료·인쇄잉크·고무의 충전제 등에 사용된다.