요즘 들어서 카본이라는 단어를 정말 많이 듣고 계시지 않나요?
언제부터 인지 모르겠지만 카본이라는 용어가 이곳 저곳에서 많이 사용되고 있는데요. 자동차에 많이 사용되던 카본이라는 용어는 각종 스포츠 용품에도 사용되고 있습니다. 자전거 프레임에도 카본이라는 단어가 들어간 상품이 나오고 있고 스키나 보드에도 그리고 농구화 같은 곳에도 상품에 카본이 사용되고 있습니다. 그리고 이렇게 특수한 경우 외에도 전열기구에도 카본이라는 단어가 쓰인 상품을 쉽게 접할 수 있습니다.
이렇게 많은 곳에 사용되고 있는 카본은 도대체 무엇일까요? 카본은 영어로는 carbon으로 우리나라 말로 탄소라고 부르고 있는 원소입니다. 탄소는 이곳 저곳에 정말 많이 있는 원소인데요. 우리가 입는 옷뿐만 아니라 각종 플라스틱, 종이, 건물에 사용되는 시멘트 등 탄소가 들어가 있지 않는 물질이 없을 정도로 많은 곳에 들어 있습니다. 게다가 사람뿐만 아니라 지구상에 존재하는 모든 생물에는 이 탄소가 꼭 필요하고 사람에 경우 몸무게의 약 18.5%는 탄소가 차지 할 만큼 많은 양의 탄소를 가지고 있습니다.
이렇게 우리가 알게 모르게 많은 곳에 쓰였던 탄소인데 갑자기 이렇게 조명을 받게 되는 이유는 무엇일까요? 기존에 알려진 탄소는 다른 원소와 함께 화학적으로 결합하여 만들어진 분자였지만, 순수한 탄소의 경우, 이러한 물질과는 전혀 다른 특성을 가지고 있기 때문입니다. 그래서 최근 많은 상품에 카본이라는 단어가 들어가는 것이지요. 그런데 이 카본, 즉 탄소에 대해서는 잘 알고 계신가요? 그래서 오늘 케미칼 스토리에서는 잘 모르시는 분들을 위해서 탄소에 대해서 다뤄보도록 하겠습니다.
생활 속에는 정말 많은 단위들이 이용되고 있습니다. 무게를 잴 때 사용하는 그람(g), 길이를 나타내는 미터(m)등 정말 많은 단위들이 있습니다. 그러나 이런 단위들 말고 묶음을 나타낼 때 사용하는 단위도 있습니다. 연필의 경우 12개가 모이면 다스라고 부르고, 신발의 경우 한 쪽만 나타낼 때는 짝이라는 단위를 쓰고 오른쪽과 왼쪽 모두를 나타낼 때는 켤레라는 단위를 사용하고 있습니다. 그런데 화학에도 이러한 단위가 사용되고 있습니다.
바로 몰(mol)이라는 단위입니다. 이 단위는 화학을 조금이라도 전공하신 분들이 많이 사용하는 단위인데요. 이렇게 많이 사용되는 몰이라는 것은 바로 탄소로부터 나온 단위입니다. 탄소는 대부분 원자량이 12로 이러한 원자량의 탄소가 12g 있을 때, 6.02X1023개라는 엄청난 양의 탄소 원자가 모이게 됩니다. 이 숫자를 아보가드로의 수라고 부르고 있는데요. 이러한 수만큼 모였을 때 1몰이라는 단위를 사용하게 됩니다. 그래서 이를 기준으로 원자량이 탄소의 12분의 1인 수소의 경우, 1g 모였을 때 1몰이라고 하며 산소는 원자량이 16으로 16g이 모였을 때 1몰이라는 단위를 사용하고 있습니다.
몰이라는 단위는 원자량을 정의 할 때 뿐만 아니라 화학적인 현상을 이해하는 데에도 많은 도움이 됩니다. 화학에서는 원자와 원자가 만나서 생기는 결합을 마치 사람과 사람이 손을 잡는 것으로 비유할 수 있습니다. 그런데 탄소는 다른 원소와 결합할 수 있는 부분을 최대 네 군데 가지고 있어서, 마치 네 개의 팔을 가지고 있는 것과 같이 한 번에 여러 개의 결합을 가질 수 있습니다. 그래서 때로는 한 개의 팔만 이용해서 결합을 하는 단일결합을 할 때도 있고 두 개의 팔을 이용하는 이중결합, 그리고 세 개의 팔을 이용하는 삼중결합을 하는 경우도 있습니다. 이러한 결합에 대한 설명은 다른 원소들의 결합을 설명하는 데에 많이 이용되고 있는데요. 질소의 경우는 세 개의 팔을 가지고 있어서 최대 세 개의 결합을 가질 수 있게 됩니다. 이외에도 화학적인 반응이나 결합의 세기 등 화학적인 현상을 설명하는데 있어서 탄소는 아주 중요한 원소입니다.
이렇게 화학에서 중요한 위치를 차지하는 탄소인데요. 그렇다면, 왜 이렇게 화학에서는 탄소에 대해서 많이 다루는 것일까요?
화학에는 자세하게는 물리화학, 무기화학, 생물화학 등 많은 분야들이 있고, 모든 분야들이 중요하지만, 유기물을 만드는 유기화학을 빼고는 설명할 수 없을 만큼 정말 많은 부분을 차지하고 있는 분야입니다. 이런 유기화학에서 가장 많이 다루는 것이 탄소가 들어간 물질이어서 많은 부분을 설명하는 데 있어 탄소가 중심이 되고 있는 것입니다.
화학에서 많은 부분을 차지하고 있는 탄소! 그런데 탄소는 변신이 가능하다는 것 알고 계신가요?
무슨 변신 로봇도 아닌데 탄소가 어떻게 변신을 하냐고 반신반의 하실텐데요, 실제로 탄소는 여러 형태로 존재가 가능합니다. 대표적으로 숯이 있지요. 나무 장작을 때고 나면 나오는 검은 숯은 탈취효과가 좋아서 생활 속에서 많이 사용하고 있는데요. 이 숯은 알고 보면 탄소로만 이루어진 물질입니다. 또 연필에 들어 있는 연필심, 혹은 샤프에 사용하는 샤프심은 흑연이라고 하는 물질로 되어 있죠? 이 또한 탄소로만 이루어진 물질입니다. 그리고 영원한 사랑의 상징이라고 칭해지는 다이아몬드, 정말 단단하고 반짝이는 이 물질도 탄소로만 이루어진 물질입니다. 이외에도 탄소로 만들어진 공인 플러렌, 아주 작은 튜브인 탄소나노튜브, 차세대 물질로 많은 연구가 되고 있는 그래핀도 모두 탄소로만 이루어진 물질입니다.
그런데 이들은 모두 탄소로만 이루어져 있지만 그 성질은 각기 다르게 나타납니다. 흑연이나 숯의 경우 아주 작게 잘 부서지며 둘 다 미끈미끈 하고 눈으로 보면 검다는 성질이 있지만, 다이아몬드의 경우는 너무 단단하고 투명한 물질입니다. 게다가 다이아몬드는 전기가 통하지 못하는 부도체이지만, 흑연이나 그래핀, 탄소나노튜브와 같은 물질은 전기가 흐르는 도체와 유사한 성질을 가지고 있습니다.
이렇게 탄소로 이루어진 물질이 정말 다른 특성을 가지고 있는 것은 바로 탄소들이 다른 형태로 이루고 있기 때문입니다. 그래핀은 탄소들이 육각형의 벌짚모양과 같은 무늬가 계속 이어져 있지만 다이아몬드는 탄소들이 정육면체를 이루면서 반복됩니다. 이러한 구조는 탄소들이 강하게 붙어 있으려고 해서 아주 단단하다는 장점을 가지지만 탄소들이 전기를 통하게 해주는 여분의 손이 없기 때문에 부도체가 됩니다. 반면에 그래핀은 탄소들 사이사이에 결합은 이루지만 남은 손이 있어서 이들이 전기가 흐르도록 도움을 주어서 도체의 성질을 가지게 됩니다.
내가 바로 탄소나노튜브!
이렇게 탄소가 결합하는 형태 때문에 다양한 특성이 나타나는 물질들, 과연 어느 곳에 사용되고 있을까요?
카본섬유는 최근 많은 관심을 받고 있는 탄소로 이루어진 물질인데요. 순수한 탄소 물질은 아니지만 기존보다 가볍고 단단하여서 보강제로 이용되고 있습니다. 흑연의 경우 먼저 말한 것처럼 연필이나 샤프와 같은 필기도구의 심 역할을 하고 있습니다. 또 쉽게 부서지지만, 미끈미끈하기 때문에 윤활제로도 사용됩니다. 다이아몬드는 그 단단함 때문에 공업적으로 재료의 연마를 위해서 사용되고 있습니다. 그리고 한화케미칼에서 많은 관심을 가지고 연구 개발하고 있는 탄소나노튜브와 그래핀의 경우 도체에 가까운 성질을 가지고 있고 철보다 강한 물질입니다. 이 때문에 그래핀과 탄소나노튜브는 전자재료 물질에 사용하기 위해서 많은 연구가 되고 있고 강철과 같이 아주 단단한 성질을 가지고 있어서 기존의 알려진 금속 물질들을 대체하고 있습니다. 특히 그래핀은 투명하다는 장점도 있어서 투명하고 휘어지지만 아주 튼튼한 휘어지는 디스플레이를 만드는데 이용될 수 있습니다.
오늘은 탄소에 대해서 알아보았는데요. 화학에서 큰 역할을 하고 다양하게 변신이 되는 탄소, 어떠셨나요? 알게 모르게 많은 곳에 있던 탄소에 대해서 많은 것을 알게 되셨나요?
- 참고문헌 –
한화케미칼 http://hcc.hanwha.co.kr
한화케미칼 블로그 http://www.chemidream.com/
General Chemistry, Thomson, Whitten, Davis, Peck, Sta
