탄소 동소체의 종류



과거부터 연필 등의 형태로 사용되어온 흑연보석이면서 모든 광물 중 가장 경도가 높은 다이아몬드, 극저온 상태에서 초전도 현상을 보이고 수지의 내구성내열성을 높일 수 있는 풀러렌, 반도체의 성질을 가지는 탄소 나노튜브 등이 사용된다.



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1. 흑연

흑연은 굳기가 약 1.5로, 매우 부드러운 편이다. 비중은 2.23이지만, 구멍이나 불순물에 의해서 더 낮아질 수 있다. 색은 흑색에서 철회색을 띠며 금속광택을 가진다. 녹는점, 끓는점 등은 명확하지 않다. 전기 전도체로 작용하며, 전기저항은 방향에 따라 큰 차이를 보인다. 천연일 경우 결정의 형태는 육각 판 모양의 편평한 모양이며, 인공일 경우 결정은 비늘상이나 덩어리상이다. 내열성, 내열충격성, 내식성이 강하고 전기 및 열 전도성이 좋은 편이다.[2]

흑연의 구조는 탄소 여섯 개로 이루어진 고리가 연결되어 층을 이룬 모양으로 c값(층간 간격의 2배)은 6.696Å, 탄소간 결합 길이는 1.42Å이다. 흑연의 단위격자탄소 원자 4개를 포함한다. 격자상수는 2.456Å이다. [3]

화학적으로는 상당히 안정한 물질로 공기 중에서의 발화점은 500~600°C 또는 그 이상이다. 산소 중에서 가열하면 600~700°C에서 이산화 탄소가 된다. 분말을 진한 황산과 진한 질산의 혼합물로 처리하면 녹갈색의 산화흑연을 얻을 수 있다. 또한 진한 황산산화제와 함께 가열하면 광택이 있고 청자색의 물질인 황산수소흑연이 된다. 질산으로 산화시키면 멜리트산을 얻을 수 있다






2. 다이아몬드

다이아몬드(Diamond)는 천연광물 중 가장 굳기가 우수하며, 광채가 뛰어난 보석으로 금강석(金剛石)이라고도 부른다. 가장 대표적인 보석 가운데 하나이다. 그러나 다이아몬드가 보석으로서 가치를 지니기 위해서는 일정 도형의 형태를 유지하고 있어야만 한다. 그렇지 않으면 공업용 다이아몬드로서 사용된다.

주성분은 탄소이며 분자구조상의 차이로 인해 동일한 원자로 구성된 자연 산물인 흑연과는 매우 다른 특성을 가진다.

뛰어난 경도로 인해 공업용으로도 많이 쓰이나, 대부분의 공업용 다이아몬드는 인간이 만든 인조 다이아몬드를 쓴다. 현재에 이르러서는 질이 나쁜 자연산 다이아몬드와 질이 좋은 공업용 다이아몬드는 식별하기 어렵다.

흔히 다이아몬드의 질량의 단위에는 대부분의 보석의 질량의 단위로 쓰이는 캐럿을 쓴다.

다이아몬드는 강도에 따라 화씨 1400도부터 1607도 사이에서 완전히 연소된다. 실제로 다이아몬드가 형성되는 곳은 땅속 깊이 130킬로미터 아래에서이다. 땅 위에서 발견되는 것은 화산이 분출할 때 함께 땅 위로 솟아오른 것이다. 보통 색깔이 없는 것을 귀하게 생각하며, 간혹 매우 특별한 색깔의 것이 가치를 인정받는 경우도 있다. 다이아몬드는 두 번째로 단단한 커런덤보다 90배나 더 단단하다.






 

 

 


3. 풀러렌

풀러렌(영어: Fullerene)은 탄소 원자가 오각형과 육각형이 교대로 배열된 분자를 통칭하는 말이다. 1985년에 발견되었으며, 흑연 조각에 레이저를 쏘았을 때 남은 그을음에서 발견된 완전히 새로운 물질이다. 축구공처럼 배열되어 있어서 '나노의 축구공'이라고 부르기도 한다.

주로 탄소 원자 60개가 축구공 모양으로 결합하여 생긴 탄소의 클러스터 C60을 말한다. 12개의 5원환과 20개의 6원환으로 이루어져 있으며, 각각의 5원환에는 5개의 6원환이 인접해 있다.

지름 약 1nm인 '나노의 축구공'을 형성하는데, 풀러렌이라는 명칭은 이 구조와 같은 모양의 돔을 설계한 미국의 건축가 B. 풀러(B. Fuller:1895~1983)의 이름에서 유래한 것이다. '버키 볼(Bucky ball)'이라는 별칭으로도 불리는데, 이것 역시 그의 이름에서 따온 것이다.

1990년 W. 크래치머 등이 훗날 아크법으로 발전하는 풀러렌의 생성법을 발견한 이래 이에 대한 연구가 활발해졌다. 압력 약 50~600토르헬륨 가스 안에서 흑연전극으로 하여 아크방전을 하여 생성한 주석유기용매(벤젠, 톨루엔 등) 추출로 얻어진다. 이때 럭비공 모양의 C70이나, 소량이기는 하지만 보다 사이즈가 큰 C76, C78, C82, C90, C94, C96과 같은 고차 풀러렌도 생성된다.

풀러렌(C60)을 원료로 하여 2개가 연결된 모양의 2량체(C120)나 풀러렌폴리머((-C60-)n)도 합성되고 있는데, 이것은 가열을 하면 원래의 C60으로 되돌아간다. 최근 알칼리금속을 도입한 금속풀러렌이 종래의 유기물 초전도체보다 높은 온도에서 초전도성을 나타내서 주목을 받고 있다.

또한 C60에는 지름 0.4nm(0.4×10-9m)의 공간이 있고, 고차 풀러렌에서는 보다 큰 공간이 있기 때문에 금속내포 풀러렌도 만들 수 있다. 이것은 금속원자를 혼합한 흑연을 전극으로 하여 아크방전했을 때에 생성되는 것이다.

기름에 녹는 성질을 이용하여 풀러렌을 수지에 첨가해서 내구성이나 내열성을 높이거나 정전기의 제거, 잡음 필터로의 응용이 시도되고 있다. 이것을 이용해서 단단하고 날카로운 절삭 도구나 아주 단단한 플라스틱을 만드는 연구도 진행 중이다.

풀러렌에 20GPa의 압력과 2200K의 온도를 가하면 응집 다이아몬드 나노막대를 만들 수 있다. 이 물질의 강도는 다이아몬드의 1.17-1.52배이다.








 

 




4. 탄소 나노튜브

탄소 나노튜브(Carbon nanotube, CNT)는 탄소동소체이다. 1991년 일본 NEC 연구소의 이이지마 스미오 박사가 전자 현미경을 통해 처음 확인되었다.

탄소나노튜브는 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체(allotrope)의 하나인 Fullerene(탄소 원자 60개가 모인 것:C60)을 처음으로 발견한 이후, 1991년 일본전기회사(NEC) 부설 연구소의 이이지마 박사가 전기방전시 흑연 음극상에 형성된 탄소덩어리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여 Nature에 처음으로 발표하였다. 탄소나노튜브에서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2 결합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며, 이 튜브의 직경이 대략 수 나노미터(nanometer, nm) 정도로 극히 작기 때문에 나노튜브라고 부르게 되었다. 이 탄소나노튜브는 전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있다.








출저 : 위키백과



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  1. Favicon of https://kararin.tistory.com BlogIcon 리스린 2011.05.30 04:19 신고 Address Modify/Delete Reply

    이정도면 교과서에 실려있는내용이잖아 ..

  2. Favicon of https://freelogging.tistory.com BlogIcon 아챠챠 2011.05.30 17:31 신고 Address Modify/Delete Reply

    진품 다이아몬드인지 확인할려면 라이터로 태워보면 될꺼라 생각했던 철없던 시절이 생각나는군요 ㅋㅋ

  3. Favicon of https://sercle.tistory.com BlogIcon SerCle 2011.05.30 18:18 신고 Address Modify/Delete Reply

    이런건 화학 교과서에서만 봅시다 ㅠ

  4. Favicon of https://degi.tistory.com BlogIcon degi 2011.05.30 19:16 신고 Address Modify/Delete Reply

    탄소나노튜브로 만든게 많아지면 ㅋㅋㅋㅋ

  5. Favicon of https://heben.tistory.com BlogIcon 아우프헤벤 2011.05.30 20:42 신고 Address Modify/Delete Reply

    음... 고2~3때 화학1 마지막 단원에서 배우던 거던가요...?

    저희는 전공상 무기화학은 안배워서 다 까먹었네요. ㅋㅋㅋ

    아 대신 유기화학에서 나옵니다. ㅡㅡ;;

    • Favicon of https://zasinworld.tistory.com BlogIcon 귀뚜라미_ 2011.05.31 01:22 신고 Address Modify/Delete

      이싸람들이 왜계속 ㅠ
      저거 화2에서 그냥 '동위체가 있다'라고만 나오지 종류 안나와요.. 특징은 물론이고. 그런거 절대로안나옴

  6. Favicon of http://linlen.tistory.com BlogIcon 린&렌 2011.06.01 22:03 신고 Address Modify/Delete Reply

    흑연은 내 샤프심이지..◀박학다식하다!