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화학이야기

원소로 보는 화학사 Vol. 004 ‘원자번호 6번 탄소를 소개합니다’

2017년 6월 21일

Vol.004 원소번호 6번 탄소(C):원소로 보는 화학사 원자번호 6번 ‘탄소’를 소개합니다(#원소 #탄소 #탄소의발견 #라부아지에 #테넌트 #탄소의쓰임 #지구의_거대한_축 #다이아몬드 #탄소나노튜브)

지난번 ‘원소로 보는 화학사’에서는 원자번호 3번 ‘리튬’을 소개해드렸는데요. 오늘은 주기율표 14족 2주기에 속하는 원자번호 6번 ‘탄소’에 관한 재미있는 이야기를 해볼까 합니다.


원자번호 6번 ‘탄소’를 소개합니다!

탄소 [Carbon] : 탄소는 지구를 지탱하는 거대한 축의 원소이면서 다양한 형태로 존재하는 원소이다.

지구를 지탱하는 거대한 축

탄소는 우리가 사는 세상을 구성하는 가장 중요한 원소 중 하나입니다. 동시에 우리의 인체를 구성하는 기본요소이기도 한데요. 따라서 대기나 땅, 모든 생물체와 유기체, 고분자 등에 탄소가 존재하지 않는 곳은 거의 없습니다. 동식물이 무언가를 먹고 만들고 배출하는 모든 것에는 탄소가 함유되어 있는 것이죠.

다양한 형태의 원소인 ‘탄소’

탄소는 우주에서 네 번째, 지구에서는 14번째로 많이 존재하는 원소입니다. 지각에서는 탄소가 화석연료나 석회석과 같은 탄산염 광물(Carbonate Mineral: 탄산의 염류 조성을 가진 광물의 총칭) 안에 포함되어 있는데요. 탄소는 순수한 상태에서도 다양한 형태를 하고 있지만, 다른 원소와 결합한 화합물의 상태에서는 더욱 다양한 형태로 나타납니다. 또한, 탄소는 표준적인 녹는점과 끓는점을 가지고 있지 않습니다. 그 이유는 일반적인 압력 하에 탄소는 고체에서 기체로 승화하기 때문입니다.

‘탄소’가 발견되기까지의 과정, 그리고 원소명의 유래

탄소(Carbon) = 숯 물질(Kohlenstoff) = 탄소(炭素) : 특정 발견자가 누구인지 알려져 있지 않지만, 프랑스의 화학자 ‘라부아지에(Antoine Laurent Lavoisier, 1743년~1794년)’와 영국의 화학자 ‘테넌트(Smithson Tennant, 1761년~1815년)’의 실험을 통해 놀라운 사실을 밝혀냈다!

고대 때부터 목탄, 검댕(black carbon: 석탄, 석유, 장작, 마른 소똥 같은 것을 태울 때 나오는 가루), 다이아몬드와 관련된 정보들은 이미 많이 알려져 있었습니다. 반면 탄소는 발견자가 누구인지 알려지지 않았는데요. 1772년 프랑스의 화학자 라부아지에가 숯과 다이아몬드를 연소시켰고, 이때 나온 이산화탄소의 양이 서로 같다는 것을 알게 되었습니다. 이로써 숯과 다이아몬드가 탄소로만 이루어진 동소체(같은 원소로 구성되어 있으나 구조가 다른 물질)라는 사실이 밝혀졌습니다. 이후 1797년 영국의 테넌트가 다시 다이아몬드를 연소하는 실험을 진행했는데요. 이때 발생한 이산화탄소의 양을 조사하다가 다이아몬드가 탄소만으로 이루어졌다는 사실을 밝혀냈습니다. ‘탄소(Carbon)’라는 원소명은 프랑스의 화학자 기통 드모르보(Louis Bernard Guyton de Morveau)가 목탄을 뜻하는 그리스어 carbo를 따서 carbone 이라고 한 데서 유래했습니다. 독일어로는 숯 물질(Kohlenstoff)이라고도 하며, 이는 한자의 탄소(炭素)와 같은 표현입니다.

‘탄소’는 어디에 사용될까요?

순수한 탄소는 여러 가지 형태나 동소체가 있는데요. 탄소의 중요한 동소체로는 다이아몬드, 흑연, 풀러렌, 그래핀, 무정형 탄소라고 부르는 여러 가지 물질이 있습니다. 오늘은 블로그지기가 그 중 에서도 풀러렌, 탄소나노튜브, 그래핀에 대해서 소개해드릴게요.

풀러렌

풀러렌 [Fullerene]: 탄소 원자 60개가 결합해 축구공 모양의 분자 구조를 이루고 있는 탄소 물질이다.

풀러렌은 탄소 원자 60개가 결합해 축구공 모양의 분자 구조를 이루고 있는 탄소 물질입니다. 미국의 화학자 리처드 에럿 스몰리(Richard Errett Smalley)와 영국의 화학자 해럴드 월터 크로토(Harold Walter Kroto)가 흑연 표면에 강한 레이저를 쪼이면 ‘풀러렌(fullerene: 탄소원자가 5각형과 6각형으로 이루어진 축구공 모양으로 연결된 분자를 통틀어 이르는 말)’이 떨어져 나온다는 사실을 발견했습니다. 이로써 그들은 1996년 노벨 화학상을 수상하기도 했는데요. 풀러렌은 치료, 전극, 전달체 등 많은 분야에서 활용되고 있는 0차원 탄소 물질입니다. (실제로는 3차원이지만, 다른 구조들에 비해 점과 같은 형태여서 편의상 0차원이라고 부릅니다.)

탄소나노튜브

탄소나노튜브(Carbon nanotube): ‘아이언맨 수트’라는 별명을 가진 신소재로, 튜브 형태의 1차원 탄소 물질이다.

탄소나노뷰브(carbon nanotube)는 ‘아이언맨 수트’라는 별명을 가진 신소재로, 튜브 형태의 1차원 탄소 물질입니다. 나노미터(0.000000001m) 규모로 철보다 100배 이상 단단하고 열 전도율, 전기 전도율 등에서 뛰어나 케이블, 전극, 디스플레이, 태양 전지, 방탄 섬유 등 항공우주분야는 물론 생명공학, 환경에너지, 의약‧의료, 전자‧컴퓨터 등 다양한 분야에 활용되고 있습니다. 특히 최근에는 가파른 성장세를 보이고 있는 전기차 배터리에도 활용되고 있답니다.

 

여수공장 전경

‘탄소나노튜브’ 하면 LG화학을 빼놓고 소개해드릴 수 없죠! LG화학은 최근 여수공장에 약 250억 원을 투자해 연간 400톤 규모의 ‘탄소나노튜브’ 전용 공장을 구축하여 올해 1월부터 본격 가동에 돌입했습니다. 또한 올해 전지용 소재 등 기확보된 공급 물량을 시작으로 판매 규모를 점차 늘려 내년 말까지 공장을 풀가동할 계획이며, 2019년 추가 증설도 검토하고 있는 등의 탄소나노튜브 기술기반 사업에서 기술력 강화를 꾀하고 있답니다!

그래핀

안드레 가임(Andre Geim, 1958~, 러시아 출신의 네덜란드 물리학자), 콘스탄틴 노보셀로프(Konstantin Novoselov, 1974~, 러시아 물리학자) / 그래핀[Graphene]:‘꿈의 물질’이라고까지 불리는 그래핀은 종이처럼 2차원 형태로 이루어져 있으며, 탄소 동소체 중 최근에 가장 주목받고 있는 물질이다.

사진자료: 네이버 지식백과

종이처럼 2차원 형태로 이루어져 있는 그래핀(graphene)은 탄소 동소체 중 최근에 가장 주목받고 있는 물질입니다. 그래핀은 흑연에 스카치테이프를 붙였다가 떼어 내는 원시적인 방법으로 떼어 낼 수 있는데요. 네덜란드 물리학자 안드레 콘스탄티노비치 가임(Andre Konstantinovich Geim)과 러시아 물리학자 콘스탄틴 세르게예비치 노보셀로프(Konstantin Sergeevich Novoselov)가 개발한 이러한 방법을 실제로 ‘스카치테이프 방법’이라고 부릅니다. 이로써 그들은 2010년 노벨 물리학상을 수상했습니다. ‘꿈의 물질’이라고까지 불리는 그래핀은 자유자재로 접거나 말 수 있는 플렉서블 디스플레이(flexible display), 태양 전지, 의료, 진단, 트랜지스터를 비롯한 거의 모든 과학 분야에서 연구되고 있습니다.


한눈에 보는 탄소-상세내용 하단 참조

탄소에 관한 정보를 안내하는 표입니다.
발견자 알려져 있지 않음
발견 연도 기원전
어원 ‘숯’을 뜻하는 라티어 ‘carbo’
특징 우주에서 네 번째로 많고, 구조가 다양하다
사용 분야 기계,전자,생물,화학을 비롯한 모든 분야
원자량 12.011 g/mol
밀도 다이아몬드 3.513 g/㎠, 흑연2.2g/㎠
원자반지름 1.70Å

오늘은 원자번호 6번 ‘탄소’에 대해서 소개해드렸습니다. 오늘 블로그지기가 탄소를 소개해드리기전에는 흔히 탄소라고 했을 때 많은 분들께서 가장 먼저 다이아몬드나 흑연을 떠올리셨을 텐데요. 알고 보니 우리 생활 속 어디에나 탄소가 존재하고 있다는 사실! 놀랍지 않나요? 블로그지기는 다음 ‘원자로 보는 화학사’에서도 더욱 재미있고 놀라운 원소이야기로 찾아오겠습니다.

 

 

또 다른 원소이야기가 궁금하다면? 원소로 보는 화학사 바로가기

 

<내용 출처>

  • 두산백과
  • 위키백과
  • 네이버 지식백과(인문과학, 사회과학 등)
  • 누구나 쉽게 배우는 원소 (그림으로 배우는 118종 원소 이야기)
  • 원소의 세계사 (주기율표에 숨겨진 기상천외하고 유쾌한 비밀들)
  • 원소가 뭐길래 (일상 속 흥미진진한 화학 이야기)
  • Big Questions 118 원소 (사진으로 공감하는 원소의 모든 것)

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