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'''탄소'''(炭素←{{llang|ja|炭素|단소}}, {{llang|en|Carbon|카번}})는 [[비금속]]인 [[화학 원소]]로, 기호는 '''C'''(←{{llang|la|Carbonium|카르보니움}})이고 [[원자번호]]는 6이다. [[원자가 전자]]는 4개이다. 존재하는 동위 원소는 총 3개로, [[탄소-12|{{위 첨자|12}}C]]와 [[탄소-13|{{위 첨자|13}}C]]는 안정적인 동위 원소지만 [[탄소-14|{{위 첨자|14}}C]]는 [[반감기]]가 약 5730년인 [[방사성 동위 원소]]이다.<ref name="isotopes">{{웹 인용|url=http://www.webelements.com/webelements/elements/text/C/isot.html|title=Carbon&nbsp;– Naturally occurring isotopes|publisher=WebElements Periodic Table|accessdate=2008-10-09}}</ref> 탄소는 [[원소 발견 역사|아주 오래 전에 존재가 밝혀진 원소들]] 중 하나이다.<ref name=D2>{{웹 인용|url=http://www.caer.uky.edu/carbon/history/carbonhistory.shtml|title=History of Carbon|accessdate=2013-01-10|보존url=https://web.archive.org/web/20121101085829/http://www.caer.uky.edu/carbon/history/carbonhistory.shtml#|보존날짜=2012-11-01|깨진링크=예}}</ref>
 
탄소는 [[지구 지각 내 원소 함량|지각을 구성하는 원소]]들 중에 15번째로 풍부하며, 우주에서 [[수소]], [[헬륨]], [[산소]] 다음인 [[원소 존재 비율|4번째로 풍부한 원소]]이다. 이렇게 탄소는 풍부하며, 탄소 화합물로서 다양한 유기 화합물을 구성할 수도 있고, 상온 상태에서 [[중합체]]를 형성할 수도 있기 때문에 우리 삶은 탄소와 밀접한 관련이 있다. 예로서 탄소는 우리 몸에서 [[산소]] 다음인 두 번째로 풍부한 원소(18.5%)이다. <ref>{{웹 인용|url=http://www.daviddarling.info/encyclopedia/E/elbio.html|제목=Biological Abundance of Elements|저자=The Internet Encyclopedia of Science|날짜=2008-10-09}}</ref>
 
탄소는 [[흑연]], [[다이아몬드]], [[비정질 탄소]] 같은 다양한 [[동소체]]를 가지고 있다. <ref name="therm prop">{{웹 인용|url=http://invsee.asu.edu/nmodules/Carbonmod/point.html|제목=World of Carbon&nbsp;– Interactive Nano-visulisation in Science & Engineering Education (IN-VSEE)|날짜=2008-10-09|확인날짜=2017-08-02|보존url=https://web.archive.org/web/20081005162616/http://invsee.asu.edu/nmodules/Carbonmod/point.html|보존날짜=2008-10-05|깨진링크=예}}</ref> 탄소의 [[물리적 성질]]은 동소체에 따라 다르다. 예를 들면, [[흑연]]은 불투명한 검은색이지만 [[다이아몬드]]는 매우 [[투명]]하다. 흑연은 종이에다 이름을 적을 수 있을 정도로 연하지만 다이아몬드는 천연물 중에서는 가장 단단한 물질이다. 흑연은 좋은 [[전기 전도체]]이지만
다이아몬드는 [[전기 전도도]]가 낮다. 일반적으로 다이아몬드, [[탄소 나노 튜브]], 흑연은 알려진 모든 물질 중에서 가장 높은 [[열전도율]]을 가진다. 모든 [[탄소 동소체]]들은 상온에서 [[고체]]이며, 흑연은 [[열역학적 평형|열역학으로 가장 안정한]] 구조이다. 또한 화학적 저항력이 강하며, 반응성이 큰 산소와 반응할 때도 고온이 필요하다.
 
무기화합물에서 탄소의 [[산화수]]는 일반적으로 +4이다. 다만 예외적으로 [[일산화 탄소]]와 [[전이금속]] [[카보닐]] 복합체는 산화수가 +2이다. 무기 탄소화합물은 [[석회암]], [[백운암 (암석)|백운암]], [[이산화 탄소]]가 대부분이지만, [[석탄]], [[이탄]], [[석유]], [[메테인 하이드레이트]] 같은 유기적 침전물에도 상당히 많다. 탄소는 다른 원소와 비교해서 수많은 [[화합물]]을 결합한다. 표준 조건 하에서 이론적으로 가능한 화합물은 밝혀진 것만 거의 1천만 개 정도이다. <ref name=lanl>{{웹 인용|저자=Chemistry Operations|날짜=2003년 12월 15일|url=http://periodic.lanl.gov/elements/6.html|title=Carbon|출판사=Los Alamos National Laboratory|확인날짜=2008-10-09|보존url=https://web.archive.org/web/20080913063402/http://periodic.lanl.gov/elements/6.html |보존날짜=2008-09-13}}</ref> 그래서 탄소는 종종'원소의 제왕'이라고 불렸다.<ref>{{저널 인용|성=Deming |이름=Anna |날짜=2010 |제목=King of the elements? |url=http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0957-4484/21/30/300201/pdf |저널=Nanotechnology |권=21 |doi=10.1088/0957-4484/21/30/300201 |확인날짜=2016년 11월 15일}}</ref>
 
== 역사 ==
== 특성 ==
[[파일:Carbon-phase-diagramp korean.svg|섬네일|left|260px|이론적으로 예상되는 탄소의 [[상평형 그림]]]]
[[탄소 동소체]]에는 부드러운 [[흑연]]과 가장 단단한 자연물인 [[다이아몬드]]가 있다. 탄소 원자는 같은 탄소 원자는 물론 다른 [[원자]]와 쉽게 [[화학 결합]]을 하며, 적합한 다가 원자와 안정된 다양한 공유 결합을 이룰 수 있다. 발견된 [[화합물]]의 거의 대부분은 약 1천만 개로 추정되는 탄소 화합물이다.<ref name=lanl/> 탄소는 가장 높은 [[승화 (화학)|승화]]점을 가지고 있는 원소이다. [[삼중점]]은 10.8 ± 0.2&nbsp;MPa에 4,600 ± 300 K (~4,330&nbsp;°C or 7,820&nbsp;°F)으로 [[대기압]]에서 녹는점이 없고, <ref name=triple2/><ref name=triple3/> 3,900&nbsp;K의 승화점을 가진다. <ref name="triple">{{저널 인용|journal=Nature|volume=276|pages=695–696|date=1978|doi=10.1038/276695a0|title=The controversial carbon solid−liquid−vapour triple point|first=A.|last=Greenville Whittaker|issue=5689|bibcode=1978Natur.276..695W }}</ref><ref>{{뉴스 인용|url=http://lbruno.home.cern.ch/lbruno/documents/Bibliography/LHC_Note_78.pdf|title=On Graphite Transformations at High Temperature and Pressure Induced by Absorption of the LHC Beam|first=J. M.|last=Zazula|date=1997|accessdate=2009-06-06|publisher=CERN}}</ref> 흑연은 열역학적으로 안정하지만 결합에 취약한 전이된 파이 결합 때문에 [[표준 온도 압력|표준 조건]]에서 다이아몬드보다 반응성이 훨씬 뛰어나다. 예를 들면, 표준 조건에서 높은 온도의 진한 [[질산]]은 흑연의 육각형 구조를 보존하는 대신 더 큰 구조를 분해하면서 흑연을 C<sub>6</sub>(CO<sub>2</sub>H)<sub>6</sub>의 [[멜리트산]]으로 산화시킨다. <ref name=Greenwood289>Greenwood and Earnshaw, pp. 289–292</ref>
 
탄소는 온도 {{convert|5800|K|C F}}의 탄소 아크로 승화한다. 따라서, 동소체꼴에 상관없이 탄소는 [[텅스텐]]과 [[레늄]] 같이 가장 높은 녹는점을 가진 금속의
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>{{저널 인용|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>{{저널 인용|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 [[론스달라이트]] 상을 가진다.<ref name="lonsdaletite"/>
 
[[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"/>
 
[[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>{{저널 인용|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>{{저널 인용|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.

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