다이아몬드

다이아몬드는 탄소의 동소체(allotrope) 중 하나로 결정성을 갖는 고체 물질이다. 탄소의 동소체 중 다이아몬드는 매우 높은 압력에서 열역학적으로 안정하다. 일반적인 상온, 상압에서 가장 안정한 탄소의 동소체는 흑연이다. 하지만 흑연과 다이아몬드 간 변화의 활성화 에너지가 너무 커서 실제로 일단 생성된 다이아몬드는 상온, 상압 조건에서 더 안정한 상태인 흑연으로 돌아가지 못하고 다이아몬드 상태로 계속 존재하게 된다. 이러한 상태를 준안정 상태(metastable state)라 한다. 다이아몬드는 지구상에 존재하는 모든 물질 중 가장 단단한 물질로 알려져 있으며, 이 성질은 탄소 원자 간의 강한 공유 결합에 기인한다. 이러한 성질 때문에 다이아몬드가 귀금속임에도 불구하고 산업적으로 금속, 유리 등과 같은 단단한 소재들을 절삭, 가공하는 공구에 적용되기도 한다.

다이아몬드와 흑연의 결정 ()

@@NAMATH_INLINE@@C(diamond) \longrightarrow C(graphite), \Delta H = -1.9 KJ / mol@@NAMATH_INLINE@@

온도와 압력에 따른 탄소의 상평형 도포 ()

상평형 도표에서 보듯이 다이아몬드가 형성되기 위해서는 매우 높은 압력이 필요하다. 따라서 자연적으로 존재하는 대부분의 다이아몬드는 지하 깊숙한 곳(지하 100 Km 보다 깊은 맨틀 지역)에 탄소가 존재할 때 형성될 수 있다. 공구 등에 사용되는 인공 다이아몬드는 흑연에 고온과 고압을 가하여 만든다.

목차

다이아몬드에 있는 각가의 탄소는 sp³ 혼성을 이루면서 주위의 4개의 탄소와 공유 결합을 형성한다. 이에 따라 정사면체의 모든 방향으로 결합이 계속되어 탄소의 공유 결합으로 이루어진 네트워크가 형성된 구조를 갖고 있는 투명한 결정성 고체이다. 결정 구조는 변형된 면심 입방 구조(face-centered cubic)이다. 탄소 원자는 면심 입방 구조의 각 격자점에 위치하고 추가로 4개의 탄소가 8개의 사면체 빈자리(tetrahedral hole) 중 4자리에 추가로 위치하고 있다. 이러한 공유 결합성 탄소 네트워크로 인해 다이아몬드는 매우 높은 경도와 높은 열 전도율(전기 부도체임에도 불구하고)을 보인다. 다이아몬드의 경도는 불순물 유무에 따라 다르지만 모스 경도 기준으로 가장 높은 10의 값을 가지고, 따라서 다이아몬드는 다이아몬드 그 자체에 의해서만 흠집을 낼 수 있고 다이아몬드 가루로 이루어진 공구를 이용하여야만 가공할 수 있다. 다이아몬드는 탄소로 이루어져 있으므로 산소가 공급되는 환경에서는 연소될 수 있다(공기 중에서 섭씨 약 900도의 온도에서 탈 수 있다). 산소가 없는 환경에서는 활성화 에너지를 극복할 수 있는 충분한 온도(섭씨 약 1700도 이상)에서 흑연으로 전환될 수 있다. 다이아몬드의 모든 탄소는 @@NAMATH_INLINE@@sp^3@@NAMATH_INLINE@@혼성을 하고 4개의 강한 단일 공유 결합을 형성하고 있어 결합-반결합 밴드 간 에너지 차이(밴드갭)가 5.5 eV로 전기 부도체에 해당한다.

다이아몬드의 빛나는 광채는 높은 굴절률에 기인한다. 다이아몬드의 굴절률은 2.42로 수정의 1.55 보다 훨씬 크다. 따라서 잘 컷팅된 다이아몬드 보석은 사방에서 입사된 빛이 내부에서 전반사되어 보석 전면으로 거의 직각으로 빠져나오게 되어 빛나는 것처럼 보인다.

다이아몬드의 결정 구조 ()

순수한 다이아몬드의 밴드갭은 5.5eV 로 실리콘의 1.11eV 보다 훨씬 크다. 이 밴드갭에 해당하는 전자기파는 약 225 nm로 자외선 영역에 해당한다. 따라서 순수한 다이아몬드는 가시광선 영역을 흡수하지 않아 투명한 색을 띤다. 하지만 결정 안에 불순물이 섞이면 불순물에 의한 새로운 에너지 밴드가 형성되어 색을 띨 수 있다. 질소 원자가 불순물로 포함된 상태가 가장 흔히 발견되는 형태로 노란색을 띠게 되며 이 경우는 보석으로서의 가치가 급격히 줄어든다. 짙은 갈색을 보이는 경우는 보석으로 가치가 거의 없기 때문에 주로 공업용으로 사용된다. 반면 붕소가 포함된 경우는 푸른색을 띠는데 푸른 다이아몬드는 경우에 따라 투명한 다이아몬드보다 높은 가격이 매겨지기도 한다.

다이아몬드는 자연적으로 발견되는 양보다 훨씬 더 많은 수요(특히 공업적인 용도로)가 있기 때문에 합성하여 사용하기도 한다. 가장 기본적인 합성법은 고온고압법으로 땅 속 깊은 곳에서 자연적으로 합성되는 것과 동일한 방법이라고 볼 수 있다. 하지만 합성 과정에서 질소와 같은 불순물이 첨가될 수 있어 색을 띠는 경우가 많아 주로 공업적인 용도로 사용되어 왔다. 그러나 최근에는 화학적 방법(증착법, chemical vapor deposition)으로 매우 투명하고 순수한 다이아몬드의 합성이 가능해져 귀금속 용도로도 사용되고 있다.