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=== 동소체 ===
{{main article|탄소 동소체}}
탄소는 원자끼리의 결합 방식에 따라 다음과 같은 여러 가지 [[동소체]]가 존재한다.
단일 탄소 원자는 매우 수명이 짧다. 따라서 탄소는 보통 여러 분자 배열을 가진 다양한 원자 구조, 즉 안정적인 동소체로 존재한다. 대표적인 탄소 동소체로는 [[비정질 탄소]], [[흑연]], [[다이아몬드]] 등이 있다. 신물질인 [[풀러렌]]은 오늘날 주로 합성하여 연구에 사용되며, 풀러렌에는 [[버크민스터풀러렌]]<ref name="buckyballs"/><ref name="nanotubes">{{cite book|editor=Ebbesen, T. W.|date=1997|title=Carbon nanotubes—preparation and properties|publisher=CRC Press|location=Boca Raton, Florida|isbn=0-8493-9602-6}}</ref>, [[탄소 나노튜브]]<ref name="nanotubes2">{{cite journal|editor=Dresselhaus, M. S.|editor2= Dresselhaus, G.|editor3= Avouris, Ph.|date=2001|title=Carbon nanotubes: synthesis, structures, properties and applications|journal=Topics in Applied Physics|volume=80|isbn=3-540-41086-4|publisher=Springer|location=Berlin}}</ref>, [[탄소 나노돌기]]<ref name="nanobuds">{{cite journal|date=2007|title=A novel hybrid carbon material|journal=Nature Nanotechnology|volume=2|pages=156–161|doi=10.1038/nnano.2007.37|last1=Nasibulin|first1=Albert G.|pmid=18654245|last2=Pikhitsa|first2=P. V.|last3=Jiang|first3=H.|last4=Brown|first4=D. P.|last5=Krasheninnikov|first5=A. V.|last6=Anisimov|first6=A. S.|last7=Queipo|first7=P.|last8=Moisala|first8=A.|last9=Gonzalez|first9=D.|issue=3|bibcode=2007NatNa...2..156N|display-authors=8 }}</ref>, [[탄소 나노섬유]]<ref>{{cite journal|date=2007|title=Investigations of NanoBud formation|journal=Chemical Physics Letters|volume=446|pages=109–114|doi=10.1016/j.cplett.2007.08.050|last1=Nasibulin|first1=A.|last2=Anisimov|first2=Anton S.|last3=Pikhitsa|first3=Peter V.|last4=Jiang|first4=Hua|last5=Brown|first5=David P.|last6=Choi|first6=Mansoo|last7=Kauppinen|first7=Esko I.|bibcode=2007CPL...446..109N }}</ref><ref>{{cite journal|date=2004|title=Synthesis and characterisation of carbon nanofibers with macroscopic shaping formed by catalytic decomposition of C{{sub|2}}H{{sub|6}}/H{{sub|2}} over nickel catalyst|journal=Applied Catalysis A: General|volume=274|pages=1–8|doi=10.1016/j.apcata.2004.04.008|author=Vieira, R|last2=Ledoux|first2=Marc-Jacques|last3=Pham-Huu|first3=Cuong}}</ref> 등이 있다. 이외에도 [[론스달라이트]]<ref name="lonsdaletite">{{cite journal|date=1967|title=Lonsdaleite, a new hexagonal polymorph of diamond|journal=Nature|volume=214|pages=587–589|doi=10.1038/214587a0|first=Frondel|last=Clifford|last2=Marvin|first2=Ursula B.|issue=5088|bibcode=1967Natur.214..587F }}</ref>, [[유리상 탄소]]<ref name="glassy carbon"/>, [[탄소 나노폼]]<ref>{{cite journal|date=1999|title=Structural analysis of a carbon foam formed by high pulse-rate laser ablation|journal=Applied Physics A: Materials Science & Processing|volume=69|pages=S755–S758|doi=10.1007/s003390051522|author=Rode, A. V.|last2=Hyde|first2=S. T.|last3=Gamaly|first3=E. G.|last4=Elliman|first4=R. G.|last5=McKenzie|first5=D. R.|last6=Bulcock|first6=S.|issue=7}}</ref>, [[선형 아세틸렌성 탄소]]<ref name=LAC>{{cite book|author=Heimann, Robert Bertram|author2=Evsyukov, Sergey E.|author3=Kavan, Ladislav|last-author-amp=yes|title=Carbyne and carbynoid structures|url=https://books.google.com/books?id=swSQZcTmo_4C&pg=PA1|accessdate=2011-06-06|date=28 February 1999|publisher=Springer|isbn=978-0-7923-5323-2|pages=1–|deadurl=no|archiveurl=https://web.archive.org/web/20121123153424/http://books.google.com/books?id=swSQZcTmo_4C&pg=PA1|archivedate=23 November 2012|df=}}</ref> 등이 있다.
* [[다이아몬드]](자연계에서 가장 단단한 [[광물]])
 
* [[흑연]]
2009년 기준으로 [[그래핀]]은 현재까지 실험적으로 검증된 가장 강한 물질이다.<ref name="lee">{{cite journal|last=Lee|first=C.|last2=Wei|first2=X.|last3=Kysar|first3=J. W.|last4=Hone|first4=J.|date=2008|title=Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene|journal=Science|volume=321|issue=5887|pages=385–8|bibcode=2008Sci...321..385L|doi=10.1126/science.1157996|pmid=18635798|laysummary=https://web.archive.org/web/20090531134104/http://www.aip.org/isns/reports/2008/027.html}}</ref> [[흑연]]에서 그래핀을 분리하는 공정은 아직까지 경제성이 떨어져 추가적인 기술 발전이 필요하다.<ref name="nypost">{{cite web|url=http://www.nypost.com/seven/08252008/news/regionalnews/toughest_stuff__known_to_man_125993.htm|title=Toughest Stuff Known to Man : Discovery Opens Door to Space Elevator|last=Sanderson|first=Bill|date=2008-08-25|publisher=nypost.com|accessdate=2008-10-09|deadurl=no|archiveurl=https://web.archive.org/web/20080906171324/http://www.nypost.com/seven/08252008/news/regionalnews/toughest_stuff__known_to_man_125993.htm|archivedate=2008-09-06|df=}}</ref> 저렴한 공정이 개발된다면, 그래핀은 [[우주 엘리베이터]] 건설에 사용될 수 있을 것이다. 그리고 수소 연료 자동차에서 안전한 수소 저장고를 만드는 데 사용될 수도 있다.<ref>{{Cite journal|last=Jin|first=Zhong|last2=Lu|first2=Wei|last3=O’Neill|first3=Kevin J.|last4=Parilla|first4=Philip A.|last5=Simpson|first5=Lin J.|last6=Kittrell|first6=Carter|last7=Tour|first7=James M.|date=2011-02-22|title=Nano-Engineered Spacing in Graphene Sheets for Hydrogen Storage|url=https://dx.doi.org/10.1021/cm1025188|journal=Chemistry of Materials|volume=23|issue=4|pages=923–925|doi=10.1021/cm1025188|issn=0897-4756}}</ref>
* [[그래핀]]
[[File:Glassy carbon and a 1cm3 graphite cube HP68-79.jpg|thumb|left|유리상 탄소 샘플]]
* [[풀러렌]]
 
* Chaoite - 운석 충돌로 만들어진 광물
탄소 원자들은 결정 구조를 이루지 못하고 불규칙한 [[비정질 고체|비정질]] 상태로도 존재한다. 이때 탄소는 분말 형태이며, [[목탄]], [[카본 블랙]]([[그을음]]), [[활성탄]]의 주 재료이다. 대기압에서 탄소의 가장 안정한 상은 [[흑연]]인데, 각 원자들이 [[방향족 탄화 수소]]에서 삼각평면 구조로 결합해 육각 고리 패턴을 형성하고 있다.<ref>{{cite book|title=The polymorphism of elements and compounds|last=Jenkins|first=Edgar|date=1973|publisher=Taylor & Francis|isbn=0-423-87500-0|page=30|url=https://books.google.com/books?id=XNYOAAAAQAAJ&pg=PA30|accessdate=2011-05-01|deadurl=no|archiveurl=https://web.archive.org/web/20121123204229/http://books.google.com/books?id=XNYOAAAAQAAJ&pg=PA30|archivedate=2012-11-23|df=}}</ref> 따라서 흑연은 판상 구조를 하고 있으며, 각각의 판은 약한 [[판데르발스 힘]]으로 결합되어 있다. 각각의 판들은 미끄러지기 쉬우며 충격에 약하기 때문에 흑연은 부드럽고 쉽게 [[벽개 (광물)|쪼개지는]] 특성을 가지고 있다. 탄소의 최외각 전자가 4개이므로 흑연에서 세 개의 공유 결합을 이루고 남은 전자는 π-오비탈의 형태로 비편재화되어 있기 때문에 흑연은 전기 전도도가 높은 물질이다. 그런데 전자는 각각의 판 사이에서만 이동할 수 있기 때문에 대부분의 [[금속]]보다 낮은 벌크(Bulk) [[전기 전도도]]를 가진다. 비편재화는 실온에서 흑연이 다이아몬드보다 안정한 이유 중 하나이다.
* Lonsdaleite
[[File:Eight Allotropes of Carbon.png|thumb|300px|탄소 동소체: a) [[다이아몬드]]; b) [[흑연]]; c) [[론스달레이트]]; d–f) [[풀러렌]] (C{{sub|60}}, C{{sub|540}}, C{{sub|70}}); g) [[비정질 탄소]]; h) [[탄소 나노튜브]].]]
* [[어모퍼스 탄소]]
 
* [[탄소 나노폼]]
초고압에서 탄소는 [[다이아몬드]] 상을 가진다. 다이아몬드는 흑연보다 밀도가 두 배 가량 높다. 다이아몬드에서 각 탄소 원자들은 [[사면체]] 결합을 하고 있으며, [[규소]], [[게르마늄]]과 같은 [[등축정계|입방체]] 구조를 하고 있다. 다이아몬드는 매우 강한 공유결합을 하고 있어, 자연물 중에서는 [[모스 굳기계|경도가 가장 높은]] 물질이다. "다이아몬드는 영원하다"는 통념과는 반대로, 다이아몬드는 [[표준 온도 압력|STP]] 하에서 열역학적으로 불안정하며(Δ<sub>f</sub>''G''°(다이아몬드, 298&nbsp;K) = 2.9&nbsp;kJ/mol<ref>{{Cite journal |last=Rossini |first=F. D. |last2=Jessup |first2=R. S. |date=1938 |title=Heat and Free Energy of Formation of Carbon Dioxide and of the Transition Between Graphite and Diamond |url=http://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/jres/21/jresv21n4p491_A1b.pdf |journal=Journal of Research of the National Bureau of Standards |volume=21 |issue=4 |pages=491 |via= |doi=10.6028/jres.021.028}}</ref>) [[흑연]]으로 상전이한다.<ref name="therm prop"/> 하지만 활성화 에너지 장벽이 매우 높아서 [[표준 온도 압력|STP]]에서는 매우 느리게 일어나는 현상이다. 상도표에서 탄소의 저압, 저온 상태는 실험적으로 정확히 확인되지 않았지만, 밀도 함수 이론을 통한 연구를 통해 0 K, 0 Pa에서 다이아몬드가 흑연보다 1.1 kJ•mol<sup>−1</sup> 더 안정하다는 사실을 밝혀냈다.<ref>{{Cite journal|last=Grochala|first=Wojciech|date=2014-04-01|title=Diamond: Electronic Ground State of Carbon at Temperatures Approaching 0 K|url=http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201400131/abstract|journal=Angewandte Chemie International Edition|language=en|volume=53|issue=14|pages=3680–3683|doi=10.1002/anie.201400131|issn=1521-3773}}</ref> 특정 조건에서 탄소는 다이아몬드처럼 모든 원자가 공유결합된 육방 결정 격자인 [[론스달레이트]] 상을 가진다.<ref name="lonsdaletite"/>
* [[탄소 나노튜브]]
 
* [[응집 다이아몬드 나노막대]]
[[풀러렌]]은 합성 결정체로, 흑연과 비슷한 구조를 하고 있지만 육각형 고리로만 구성된 흑연과는 달리 오각형 또는 칠각형 고리를 가지고 있다. 탄소 원자들이 흑연 판에서 떨어져 나가거나 새로 추가되면 판은 구, 타원구, 원통 형태로 휘게 된다. 풀러렌은 [[버크민스터풀러렌]](버키볼), [[탄소 나노튜브]](버키튜브), [[탄소 나노돌기]]로 나눌 수 있다. 풀러렌의 특성은 아직 완전히 밝혀지지 않았으며, 나노 물질 분야에서 활발히 연구되고 있다. 풀러렌과 버크민스터풀러렌(버키볼)이라는 명칭은 디오데식 돔의 발명가인 [[리처드 버크민스터 풀러]]의 이름을 딴 것이다. 버크민스터풀러렌은 [[삼각피라미드 분자 구조]]를 하고 있는 고분자 물질이며, 회전 타원체 형태이다. (가장 잘 알려져 있고 단순한 것은 축구공 모양의 C{{sub|60}} 버크민스터풀러렌이다<ref name="buckyballs"/>) 탄소 나노튜브는 버크민스터풀러렌과 구조적으로 비슷하지만, 속이 빈 [[원기둥|원통]] 형태로 굽은 판에서 각 원자들이 삼각피라미드 구조로 결합해 있다.<ref name="nanotubes"/><ref name="nanotubes2"/> 탄소 나노돌기는 2007년에 처음 밝혀졌으며, 버크민스터풀러렌이 탄소 나노튜브에 공유결합되어 있다. <ref name="nanobuds"/>
* [[그을음]]
 
* 'Glassy carbon'
[[탄소 나노폼]]은 1997년에 발견된 [[강자성]] 동소체이다. 6원자 및 7원자 고리에서 탄소 원자들이 삼각 결합하고 있는 삼차원 망에서 원자들이 저밀도 클러스터 조립으로 뭉쳐져 있다. 탄소 나노폼은 밀도가 2&nbsp;kg/m{{sup|3}}밖에 되지 않는다.<ref>{{cite journal|url=http://www.aip.org/pnu/2004/split/678-1.html|title=Carbon Nanofoam is the World's First Pure Carbon Magnet|volume=678|issue=1|date=March 26, 2004|author=Schewe, Phil|author2=Stein, Ben|last-author-amp=yes|journal=Physics News Update|deadurl=no|archiveurl=https://web.archive.org/web/20120307104655/http://www.aip.org/pnu/2004/split/678-1.html|archivedate=March 7, 2012|df=}}</ref> [[유리상 탄소]]는 밀폐기[[공극률|공률]]이 매우 높지만,<ref name="glassy carbon"/> 흑연과는 달리 판이 나란히 쌓이지 않고 불규칙하게 배열되어 있다. [[선형 아세틸렌성 탄소]]의 화학 구조는 ―(C:::C){{sub|''n''}}―이다.<ref name=LAC/> ''sp'' [[혼성 궤도|혼성 오비탈]]로 선형 결합하고 있으며, 단일 결합과 삼중 결합이 교대로 이어지는 [[카르빈]] 중합체이다. [[영률]]이 다이아몬드의 40배<ref>{{cite journal|title=Harder than Diamond: Determining the Cross-Sectional Area and Young's Modulus of Molecular Rods|author=Itzhaki, Lior|doi=10.1002/anie.200502448|journal=Angew. Chem. Int. Ed.|date=2005|volume=44|last2=Altus|first2=Eli|last3=Basch|first3=Harold|last4=Hoz|first4=Shmaryahu|pmid=16240306|issue=45|pages=7432–5}}</ref>이기 때문에 [[나노 기술]] 분야에서 상당한 관심이 쏟아지고 있다.
 
2015년, 노스 캐롤라이나 주립 대학의 한 연구팀은 비정질 탄소 분말에 짧은 시간동안 고에너지 레이저를 쏘아, [[Q-탄소]]라 명명한 새로운 탄소 동소체를 발견했다. Q-탄소는 강자성이자 형광 물질이고, 다이아몬드보다 경도가 높은 것으로 밝혀졌다.<ref>{{Cite web|url=https://news.ncsu.edu/2015/11/narayan-q-carbon-2015/|title=Researchers Find New Phase of Carbon, Make Diamond at Room Temperature|website=news.ncsu.edu|access-date=2016-04-06|deadurl=no|archiveurl=https://web.archive.org/web/20160406002158/https://news.ncsu.edu/2015/11/narayan-q-carbon-2015/|archivedate=2016-04-06|df=}}</ref>
 
=== 탄산 ===