우리 주위에서 가장 흔하게 접하는 카본, 수소가 생명의 원천이자 천지창조의 원천이라면 탄소는 생명, 유기화합물의 기초가 되는 중요한 원소이다. 탄소는 인류의 발전에 기여해 왔다. 그리고 현대에 이르러 아낌없이 줄 것 같았던 탄소의 역습이 시작되었다. 탄소에 대하여 알아본다.
1. 탄소, 카본(Carbon)
탄소는 여러 원소들과 결합하여 (DNA의 나선형 골격, 스테로이드, 단백질의 복잡한 띠 등) ‘유기화합물'을 만든다. 모든 유기체의 기반이 이 탄소화합물이다. 순수탄소원소는 아니다.
탄소 원소의 가장 흔한 모습은 숯(목탄, 木炭)이다. 숯의 라틴어가 "carbo"이고 영어로 "charcoal"다. 탄소는 다양한 동소체(동일원소로 만들어지나 다른 성질)를 가지고 있으며, 흑연, 다이아몬드, 탄소나노튜브 등 비정질 탄소가 있다.
숯(목탄, 木炭)
인류문명 발전의 시작이 바로 숯(탄소)을 사용하기 시작하면서이다. 보통의 숯의 탄소(C) 함유량은 83%~95% 정도이다. 종류는 흑탄, 백탄, 활성탄으로 구분된다. 활성탄은 탄소화합물로 만든 것이다.
철기시대에는 철광석에서 철을 제련하기 위해 사용되어 왔다. 공기정화, 물의 정화필터, 원예식물을 재배(숯이 수분을 오래 유지시킨다), 제습제 역할 등의 용도로 다양하게 사용한다. 탄소의 아주 작은 소소한 역할이다.
참고 - 숯 제조 방법
아주 간단하게 구덩이를 파고, 그 안에 나무를 재워 놓고 불로 구우면 된다. 공기를 차단하는 것이 중요 포인트이다. 탄소를 산소와 접하지 않고 순수(거의)한 탄소로 만들면 후에 산소와 결합 시 강력한 화력을 내는 것이다.
탄소기반의 문명
재생에너지를 제외한 현대의 모든 에너지는 탄소화합물이다. 석유류, 석탄류, 가스류 모두 기본적인 Cn + Hn +...으로 구성되어 있다. C가 산소와 반응하여 열과 같은 에너지를 내는 것이다.
예를 들어 가장 간단한 탄소화합물인 메탄(CH4)의 반응식은
CH4 +2O2 => CO2 + 2 H2 O +에너지, 이 간단한 화학식 아래 인류가 발전해 온 것이다.
흑연(graphite)
탄소원자는 얇은 판 모양을 형성하는 경향이 있는데 각 모서리의 탄소 원자가 만나 6 각형의 판 모양을 형성하고 겹겹이 쌓이면 흑연이 된다. 이러한 탄소원자의 독특한 배열의 차이로 인하여 흑연도 되고 다이아(사면체 격자 배열)도 되는 것이다. 검은색의 흑연은 다른 탄소 동소체와 다르게 부드럽다.
샤프펜 심이나 연필심의 원료로 흑연에 점토를 섞어서 만든다.
흑연화합물은 3000°C 이상의 온도까지 견딜 수 있어 내열성 장비(로켓 등의 커버)의 재료에 사용된다. 이런 이유로 전기 용광로의 전극이나 전기 분해를 위한 기구의 재료로 사용된다. 다양한 물건의 주형으로도 사용된다.
원자력 발전소에서는 중성자 감속재 및 반사재로 사용된다.
그림출처
wiki/File:Graphit_gitter.png#/media/파일:Graphit_gitter.png
wiki/File:Diamonds_glitter.png#/media/파일:Diamonds_glitter.png
이 흑연을 1000℃ 정도에서 구우면 결정구조가 바뀌어 인조다이아몬가 된다. 대부분 공업용으로 쓰인다. 그 예가 유리커터이다.
자연산과 양식의 차이이지만 구분이 불가하고 가끔 때깔은 양식이 더 좋기도 한다.
다이아몬드(diamond)
또 다른 탄소의 모습이다. 금강석이라고도 한다. 생명의 기초가 되는 탄소는 연필심부터 가장 단단하다고 알려진(5번 원소 붕소를 제외하고) 다이아몬드를 형성하기도 한다. 일반적 사실과 다르게 다이아몬드는 특별히 희소하지도 않고, 대단히 아름답지도 않으며, 또한 영원하지도 않다.(다이아몬드는 높은 온도에서 타서 CO2가 된다.)
큐빅이라 불리는 모조 다이아몬드를 만드는 산화지르코늄(ZrO2)도 무척이나 아름답고 모이사나이트라 불리는 탄화규소광물도 다이아몬드만큼 아릅답다. 다이아몬드의 이런 화려한 신화와 가격은 모두 다이아몬드 회사인 드비어스(DeBeers)가 만들어 낸 것이다.
유명인사 탄소나노튜브(Carbon nanotube)
다이아몬드보다 더 유명한 과학계의 인싸이다. 나선모양의 나노구조를 지니는 탄소의 동소체 중의 하나이다. 전기공학, 재료공학 등 다양한 분야에서 유용하게 쓰일 수 있다. 특히 열전도율 및 기계적, 전기적 특성이 좋아 다양한 물질의 첨가제로도 사용된다. 탄소섬유로 만들어지는 양궁의 활, 자전거 차체, 골프채, 자동차 부품 등에 사용된다.
나노튜브의 화학 결합은 흑연과 같은 sp2 결합만으로 구성되며 지금까지 발견된 가장 단단하고 강도가 가장 높은 물질이다.
탄소의 역습, 지구온난화
수소와 결합되어 연료가 되는 모든 탄소화합물은 타면서 수소는 산소와 결합되어 물이 되고 탄소는 산소와 결합되어 이산화탄소가 된다. 인류문명을 빛처럼 발전시킨 탄소는 현대 지구온난화의 주범으로 몰려있다. 탄소문명이 지구의 평균온도를 1.2도니, 1.5도 이상 올렸다느니, 평균온도가 2도 이상 상승하면 인류에게 재앙적 재난을 가져온다는 등의 정치적, 생태적, 산업적, 환경적 논쟁의 중심에 놓여 있다.
2. 탄소 C (Carbon)
원자번호 : 6
양성자 수 : 6
원자량 : 12.0096
12C : 98.9%,
13C : 1.1%
14C는 반감기가 약 5천 년인 방사성 동위 원소이다.
카본이라는 이름
카본(carbon)이라는 이름은 숯을 뜻하는 라틴어 carbo에서 왔다.
가장 많은 탄소화합물
우리 인간의 몸을 구성하는 원소중 18% 정도가 탄소이다. 또는 다른 원소와 수많은 화합물을 결합한다. 이론적으로 가능한 화합물은 모든 원소 중에 가장 많다. 그래서 인류문명의 기반이 되는 것이다.
별의 탄생과 죽음
탄소는 별의 죽음과 관련되어 있다. 핵융합을 거듭하는 과정에서 별의 죽음과 함께 탄소가 온 우주로 퍼져나가게 되었고 그 탄소들이 흑연과 다이아몬드의 모습으로 북한에, 아프리카에 모습을 드러냈다.
이런 탄소체인 흑연의 주산지는 미국, 북한, 스리랑카, 멕시코, 캐나다, 시베리아 등지에 매장되어 있다. 참고로 석탄은 탄소화합물이지 순수 탄소가 아니다.
이제 다음 원소는 원자번호 7번 , 또 다른 유기체의 원천인 질소(Nitrogen)이다.
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