탄소 동소체(다이아몬드, 흑연, 풀러렌)와 유기화합물(탄소화합물)

1. 탄소(C, Carbon) 동소체

 

동소체란 같은 원소로 되어 있으나 모양과 성질이 다른 홑원소 물질을 말합니다. 탄소만으로 구성된 물질로는 목탄, 공업용 카본블랙, 다이아몬드, 흑연, 플러렌(fullerene)이 있다. 닮은 구석이라고는 하나도 없는 검은 목탄 (가장 결정화가 진행된 것은 흑연)과 무색투명하고 강도가 가장 강한 다이아몬드는 모두 탄소 원자로만 이루어져 있습니다. 둘 다 태우면 이산화 탄소가 생성됩니다. 다이아몬드는 굴절률이 높아서 보석으로 사용되는 한편, 가장 단단한 물질이기 떄문에 유리의 절단이나 암석의 절삭등에 이용됩니다. 흑연은 부드럽고 전기를 잘 통과시켜 전지와 전기분해용 전극, 연필심 등에 이용됩니다. 30년 전까지만 해도 탄소 동소체는 무정형탄소, 흑연, 다이아몬드 3가지이며, '탄소는 흔한 원소로, 충분한 연구 결과 더 이상의 동소체는 없다'라는 것이 통설이었습니다. 그런데 1985년, 해럴드 크로토와 리처드 스몰리 그리고 로버트 컬의 3인에 의해, 60개의 탄소 원자가 오각형 12개와 육각형 20개로 이루어져 연결된, 전체가 마치 축구공과 닮은 버키볼(buckyball) 분자가 발견되었습니다. 이 뿐만 아니라 탄소 6개로 이루어진 육각형들이 서로 연결된 관 형태의 탄소나노튜브(carbon nanotube)의 존재도 밝혀졌습니다. 버키볼과 탄소나노튜브 이 둘을 총칭해서 풀러렌이라고 부릅니다. 

 

2. 탄소 화합물

탄소 화합물은 그 종류만 1억 개가 넘는 유기물(유기 화합물) 세계를 구축하고 있습니다. 탄소는 생물체의 주요 구성 원소로, 생물들의 다양한 기능과 관련이 있습니다. 탄수화물과 단백질, 지방은 탄소 화합물, 즉 유기물입니다. 자연계에서 유기물은 식물의 광합성으로 이산화 탄소와 물로부터 만들어지며, 심해 생태계에서는 무기물로부터 화학합성 세균에 의해 만들어진다. 이러한 유기 화합물이 생물들의 몸을 만들며 생명활동의 에너지원이 됩니다. 

 

3. 가볍고 튼튼한 탄소섬유 

천연섬유와 합성섬유 그리고 플라스틱도 모두 탄소 화합물입니다. 탄소섬유(carbon fiber)는 탄소만으로 이루어졌으며 직경이 머리카락의 10분의 1 정도의 매우 가느라단 섬유입니다. 탄소섬유 단독으로 사용되는 것보다, 플라스틱과 세라믹스, 금속 등과 함꼐 복합재료 (두 가지 이상의 재료를 조합하여 우수한 특징을 가지는 인공재료)로  사용됩니다. 금속보다 춸씬 가볍고, 강도와 내구성이 매우 높기 떄무네 비행기, 로켓, 인공위성, 자동차, 요트, 정밀기계, 낚시 도구, 골프채, 테니스 라켓, 학용품 등 다양한 제품에 사용되고 있습니다. 석유와 석탄, 천연가스와 같은 화학연료들도 유기 화합물로 구성되어 있으며, 이들이 연소될 때 발생하는 이산화 탄소는 지구 온난화의 주요 원인으로 문제가 되고 있습니다. 한편, 탄소와 탄소를 포함한 화합물이 불완전연소하면 일산화탄소가 생성됩니다. 일산화탄소는 무색무취의 기체로 혈액 안에 헤모글로빈과 강하게 결합하여 혈액이 산소를 운반하는 것을 방해하기 때문에 사람이 흡일할 경우 매우 유해합니다.

 

4. 드라이 아이스 - 이산화 탄소의 고체형

드라이 아이스를 직역하면 '건조한 얼음'이라는 뜻이 됩니다. 우리가 생활하는 1기압에서 이산화 탄소는 액체 상태를 거치지 않고 고체에서 바로 기체가 됩니다. 그래서 '드라이'한 것입니다. 이러한 상태 변화를 '승화'라고 합니다. 드라이 아이스의 정식 명칭은 '고형 탄산'입니다. 고형 탄산이란 탄산 가스 고체, 즉 이산화 탄소 고체를 말합니다. 드라이 아이스는 백색의 고체로, 방치하면 액체로 녹지 않고 기체인 이산화 탄소가 되면서 크기가 점점 작아집니다. 액체로 녹지 않으며 약 -80degC로 매우 차갑고 가볍다는 특징 때문에 식재료 운반 시 보냉제로 활용됩니다. 드라이 아이스라는 이름은 세계 최초로 대량 생산에 성공한 미국의 드라이아이스 사 (DryIce Corporation)가 붙인 상품명에서 유래되었습니다. 뉴욕에서 세계 최초로 드라이아이스의 대량 생산에 성공한 것은 1925년의 일입니다. 당시 새로 출시된 아이스크림을 녹이지 않고 운반하기 위해서 개발되었습니다. 기체를 충분히 압축해 가느다란 구멍으로 강하게 분출시켜 급격히 팽창시키면 온도가 급강하(단열팽창) 되는데, 이 과정을 반복합니다. 이는 구름이 생성되는 원리와 같다고 볼 수 있습니다.