탄소는 우주에서 수소, 헬륨, 산소 다음인 네 번째로 많은 질량을 차지하고 있으며, 지각에서는 15번째로 풍부한 원소이다. 또한 탄소는 모든 생명체를 이루는 기본 구성 요소로, 우리 인체의 무게를 분석했을 때 산소 다음으로 많은 약 18%의 질량을 차지하고 있다. 그 외에도 탄소는 대기 중에 이산화 탄소 형태로 존재하며, 금속 염의 형태로 지각에 존재하기도 한다. 생명체 외의 물질 중 고분자나 화석 연료 등에도 포함되어있기 때문에 우리의 주변과 삶을 구성하는 기본 원소라고 할 수 있다.

고대로부터 탄소는 숯(목탄)의 형태로 많이 사용되었으며, 기본적인 연료 외에 철 등의 금속 제련 용도로도 사용되었다. 탄소의 동소체인 흑연과 다이아몬드 역시 오래 전부터 알려지고 사용되었다. 흑연은 필기를 하거나 그림을 그리는 도구로, 다이아몬드는 장식용 보석으로 사용되었다. 1772년 라부아지에(A. Lavoisier)는 같은 양의 숯과 다이아몬드를 따로 연소시키면, 각각 같은 양의 이산화 탄소를 발생시킨다는 사실을 바탕으로 숯과 다이아몬드가 화학적으로 같은 원소임을 밝혔다.

라부아지에의 실험에 이어 1779년 셸레(C. Scheele)는 흑연도 탄소의 동소체임을 밝혔으며, 흑연(黑鉛, 검은 납이라는 뜻의 한자어)의 영어 이름, 그래파이트(graphite)는 1789년 베르너(A. G. Werner)가 흑연을 필기구로 사용한 것을 고려하여 ‘쓰다’라는 뜻의 그리스어 ‘graphein’을 따라 명명하였다.

1980년대에는 탄소의 또 다른 동소체인 풀러렌(Fullerene)이 처음 발견되었으며, 풀러렌이라는 이름은 이 분자의 모양과 비슷한 축구공 형태로 돔 구조를 설계한 건축가 풀러(R. Fuller)의 이름에서 유래한다. 2000년대에는 원자 1개와 같은 두께를 가지는 탄소판인 그래핀(graphene)이 새로운 탄소의 동소체로 발견되었으며, 그래핀이라는 이름은 흑연(graphite)과 이중 결합을 뜻하는 접미어 ‘ene’을 합쳐 만들어진 이름이다.

확대보기

탄소의 동소체인 흑연(왼쪽)과 다이아몬드(오른쪽) (출처)

라부아지에는 1789년 출판된 저서에서 탄소를 원소의 한 가지로 기록하고, 목탄을 뜻하는 라틴어 ‘carbo’에서 유래한 ‘carbon’이라는 단어를 사용하였다. 탄소를 나타내는 원소 기호로는 C가 사용된다.

탄소는 동소체에 따라 매우 다른 물리적인 특성들을 보여준다. 흑연은 투명하지 않은 검은색이며, 경도가 1로 매운 무른 물질이다. 또한 전기가 잘 통하는 도체이다. 하지만 다른 동소체인 다이아몬드는 무색 투명하며, 경도가 가장 높은 10인 물질이다. 또한 다이아몬드는 전기가 통하지 않는 부도체이지만, 열은 다이아몬드가 흑연보다 잘 전달한다.

탄소는 녹는점과 승화점이 매우 높은 원소이고, 1기압에서는 온도가 아무리 높아도 녹지 않는다. 탄소는 다른 탄소 원자, 수소 원자, 그 외에 여러 원자들과 직접적인 공유 결합을 형성할 수 있다. 이때 하나의 탄소 주위에 4개의 결합까지 가질 수 있으며, 경우에 따라 단일 결합, 이중 결합, 삼중 결합이 가능하다.

탄소는 주기율표에서 원자 번호에 따라 6번째, 2주기의 4번째에 위치한다. 2주기를 놓고 보면 가장 왼쪽의 리튬부터 오른쪽의 (비활성 기체를 제외한) 플루오린 사이의 중간에 위치하고, 전기음성도 역시 중간 정도의 값을 갖는다. 따라서 탄소는 자신보다 전기음성도가 높은 원소와 결합하는 경우는 상대적으로 양전하를(예: 탄소-할로젠 결합, 탄소-산소 결합 등), 자신보다 전기음성도가 낮은 원소와 결합하는 경우에는 상대적으로 음전하를 가질 수 있기 때문에 (예: 유기리튬시약, 그리냐르 시약 등) 다양한 화합물을 구성하거나 반응에 참여할 수 있다.

확대보기

다양한 탄소 동소체의 구조 a) 다이아몬드, b) 흑연, c) 론스달라이트(lonsdaleite), d-f), 풀러렌, g) 비결정성 탄소, h) 탄소나노튜브 (출처)

탄소의 동소체인 흑연과 다이아몬드는 자연에서 얻어지며, 흑연의 경우 연간 약 100만톤 규모로 생산되어, 필기구, 내화물, 윤활제, 주물 및 브레이크 라이닝 등에 사용된다. 다이아몬드는 연간 26,000 kg 정도(약 13,000만 캐럿)가 러시아, 보스와나, 콩고 공화국, 호주 등에서 생산된다. 자연에서 얻는 것 외에 화학적인 합성도 가능하다. 2,500 °C에서 실리카와 코크스를 반응시켜 합성 흑연을 얻을 수 있으며, 합성 다이아몬드는 고온 고압 공정 또는 화학 증기 증착법으로 연간 약 10만kg가 생산된다. 합성 다이아몬드는 장식용 보석 외에 산업용 절삭기구 및 연마제로 주로 사용된다. 최근 발견된 풀러렌과 그래핀은 전자 제품의 부품과 재료로 활용할 수 있는 가능성이 높기 때문에, 이를 이용한 다양한 응용 연구가 진행되고 있다.

확대보기

탄소의 사용: 흑연-연필심 (출처)

자연계에는 세 종류의 탄소 동위원소 ¹²C, ¹³C, ¹⁴C가 알려져 있으며, 각각 98.93%, 1.07%, 1 X 10^-10%의 존재 비율을 갖는다. 이 중 ¹²C는 원자 질량 단위(atomic mass unit, amu)를 정의할 때 기준값으로 사용되어, ¹²C 원자 1개의 질량의 1/12를 1 amu로 정의한다. 핵 스핀이 0인 ¹²C와 달리 ¹³C는 핵 스핀이 -½이어서 핵 자기 공명 분광법(NMR spectroscopy)에 감응하며, 자연계에 관찰이 용이할 정도로 충분한 양(1.07%)이 존재하므로 핵 자기 공명 분광법에 의한 유기화합물의 구조 분석에서 중요한 역할을 한다. ¹⁴C는 반감기가 5760년인 방사성 동위원소로, 대기 중의 ¹⁴C 비율은 항상 일정하고 호흡을 하거나 광합성을 하는 생명체가 살아 있을 때 그 안의 ¹⁴C 비율 역시 대기 중의 비율과 일치한다. 그런데 이들 생명체가 죽은 뒤에는 그 안에 있는 ¹⁴C의 비율이 시간이 지남에 따라 점차 줄어들기 때문에 사체의 ¹⁴C의 비율을 측정하면 그 생명체가 죽은 지 얼마나 경과되었는지 알아낼 수 있다. 이를 방사성 탄소 연대 측정법이라고 하며, 유기물이 포함된 고고학 유물의 연대를 측정하는 데 아주 유용한 방법이다. 그 외에도 ¹⁴C는 동위원소 표지물질로서 대사 질환이나 암 등의 의학 연구에 요긴하게 사용된다.

확대보기

가장 간단한 유기 화합물인 메테인의 구조 (출처)

탄소 원자는 주위에 4개의 결합을 할 수 있는 성질과 탄소-탄소 결합을 이룰 수 있는 성질을 바탕으로 사슬 혹은 고리 형태의 탄소 골격 구조를 형성할 수 있다. 또한 탄소는 수소, 질소, 산소, 황 등의 다른 원소와도 결합을 이룰 수 있기 때문에 탄소 화합물의 종류는 매우 다양하다. 또한 탄소와 탄소 사이의 결합은 단일 결합, 이중 결합, 삼중 결합이 가능하며, 결합하고 있는 형태에 따라 매우 다양한 형태의 이성질체가 존재할 수 있다.

이런 다양한 탄소-탄소 결합을 기반으로 하는 물질들이 생명체에서 많이 발견되었기 때문에 생물과 관계되었다는 뜻의 유기 화합물(organic compounds)로 정의되었다가 지금은 탄소를 포함한 화합물들을 의미하는 용어로 쓰인다. 초기의 분류는 유기 화합물이 대사 등의 생명과 관계된 현상으로만 만들어지고, 무기물로부터는 만들어질 수 없다는 생각에서 유래한다. 하지만, 1828년 독일의 화학자 뵐러 (F. Wöhler)가 무기물인 시안산암모늄으로부터 유기물인 요소(urea)를 합성한 실험을 통해 그 생각이 틀렸음을 밝혀내었고, 그 이후로 현재의 유기화합물은 탄소의 홑원소 물질 (예: 흑연, 다이아몬드), 산소와 직접 결합하고 있는 탄소 (예: 이산화 탄소), 금속의 탄산염 (탄산칼슘), 시안화물(시안산) 등을 제외한 탄소 화합물의 총칭으로 사용되고 있다.