[화학] 화학 결합 - 탄소의 동소체

동소체의 정의는 다음과 같습니다.

 

동소체 - 성분 원소는 같지만 구조가 달라 성질이 다른 물질

 

탄소는 주기율표에서도 알 수 있듯이 원자가 전자가 4개이므로 다른 원자와 최대 4개의 공유결합이 가능합니다.

 

이러한 탄소의 동소체에는 다이아몬드, 흑연, 풀러렌, 탄소 나노 튜브 등이 있습니다.

 

1. 다이아몬드

[그림 1] 다이아몬드 구조

 

결합각이 109.5도를 이루고 있고 탄소 원자 4개와 공유 결합을 이루고 있습니다.

이런 구조는 그물 구조라고 하는데 그물 구조는 모든 원자들이 강하게 결합을 해서 매우 단단하다는 특징이 있습니다.

 

2. 흑연

[그림 2] 흑연 구조

결합각이 120도로 이루어져 있고 탄소 원자 3개가 공유 결합을 이루고 있습니다.

원래는 탄소의 원자가전자가 4개여서 최대 4개가 공유 결합을 이루는데

다이아몬드가 아닌 것들 (흑연이나 뒤에 설명한 풀러렌 등)은 3개가 공유 결합을 하게 됩니다.

그렇게 되니 전자가 1개 남게 되어서 이것이 자유 전자가 되어 돌아다니기 때문에 전류가 통하게 됩니다.

(다이아몬드는 전류가 통하지 않습니다.)

 

샤프심에 전류를 흘러보내 샤프심 전구 만드는 실험을 해 보면, 흑연에 전류가 통하는 것을 볼 수 있습니다.

 

흑연은 저렇게 층층이 쌓아 올려저서 층상 구조라고 말합니다.

층과 층 사이에는 인력이 약하기 때문에 잘 부서집니다.

연필이나 샤프를 쓰다가 부서지는 것은 층이 떨어져 나간다는 것을 의미합니다.

(층과 층 사이가 약하다는 것이지, 한 층만 보면 단단합니다)

 

3. 풀러렌 분자 (\({ C }_{ 60 }\))

[그림 3] 풀러렌 분자 구조

풀러렌입니다.

정육각형과 정오각형이 이어져 있어서 마치 축구공 모양처럼 있는 분자 구조입니다.

안정된 구조이기 때문에 높은 온도와 압력을 견딜 수 있습니다.

 

풀러렌은 특별히 "분자"라는 말이 붙었습니다.

그 이유는 탄소 원자 1개가 다른 탄소 원자 3,4개로 결합하는 것이 아닌

60개의 탄소 원자가 결합하는 형태이기 때문에 분자라는 말이 붙었습니다.

그래서 1몰의 질량도 다릅니다.이 부분은 밑에서 다시 한 번 언급하겠습니다.

 

4. 그래핀

[그림 4] 그래핀 구조

위에서 본 흑연에서 한 층을 때온 것입니다.

가장 얇으나, 세기도 매우 세고 전기 전도성도 매우 큽니다.

 

5. 탄소 나노 튜브

[그림 5] 탄소 나노 튜브 구조

그래핀을 이어서 관처럼 이어붙인 모양입니다. 또한 죽부인 모양처럼 생기기도 했습니다.

세기가 세고 전기 정도성도 크고 열전도성이 커서 반도체나 디스플레이 등에 이용되는 신소재입니다.

 

	다이아몬드	흑연	탄소 나노 튜브	풀러렌 (C60)
결합 수	4	3	3	3
결합 모양	그물 구조	층상 구조	관 모양 (죽부인 모양)	축구공 모양 (정육각형 + 정오각형)
1몰당 원자 / 분자 수	\( 6.02 \times 10^{23} \)			\( 60 \times 6.02 \times 10^{23} \)
1몰당 질량	12g			12 * 60 = 720g
1g당 원자 / 분자 수	\( \frac {6.02 \times 10^{23}} {12} \)

여기서 주의하셔야 할 점은, 1g당 원자 / 분자 수가 모두 같다는 것입니다.

 

또한, 풀러렌은 12g이 아닌 720g이 1몰입니다.

 

 

해당 게시물에 사용된 사진의 출처는 ZUM 지식백과입니다. 문제 시 삭제 조치하겠습니다.