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by 코디정 Mar 01. 2020

물질의 제왕 탄소

37호 | 문과도 이해하는 과학이야기

물질의 제왕, 탄소

태초에 빅뱅이 있었습니다. 먼저 수소(Hydrogen)가 생겼습니다. 그다음이 헬륨(Helium)이었지요. 까마득한 먼 옛날 혼돈의 시간 속에서 아직 생명은 탄생하지 못했습니다. 하지만 그 먼 옛날이나 지금이나 우주의 75%는 수소이며, 나머지 25%는 헬륨입니다. 하지만 75+25는 100이 못 되지요. 99.9 정도입니다. 빅뱅 이후에 아주 소량의 원소들이 탄생했습니다. 그중에 탄소(Carbon)가 있었습니다. 1억도의 온도에서 헬륨이 융합해서 베릴륨이 만들어졌고 이 베릴륨이 다시 헬륨과 융합하여 탄소가 탄생했습니다. 우주가 제왕을 낳는 순간이었지요.

탄소는 우주 전체에서 4번째 많은 원소입니다(출처에 따라 약간씩 다릅니다. 브리태니카에서는 수소, 헬륨, 산소, 네온, 질소 다음으로 우주서열 서열 6위, 위키에서는 산소 다음 4위입니다. 그래 봤자 아주 소량이지요). 지구에서는 대략 19위 정도의 서열로 지각의 0.025% 정도입니다. 그다지 풍부하지 않네요? 하지만 탄소는 홀로 존재하지 않고 수백 만 개의 화합물(compounds)로 존재한답니다. 그리고 모든 생명의 근원으로 활동합니다. 지구에 다양성을 가져다 주지요. 또한 물질에 수많은 상상력을 일으킵니다. (켁, 물질에 상상력이라니!!)

자, 그러면 물질의 제왕을 살펴볼까요?

기본정보

탄소는 원자번호 6번입니다. 기호는 C이며 원자량(atomic mass)는 12입니다. 전자는 6개이지만, 안쪽에 있는 2개는 안정되어 있으므로 최외각의 원자가 전자는 4입니다. 비금속 화학원소입니다. 상온에서는 고체입니다. 순수한 탄소를 녹이려면 섭씨 3642도(3915K)의 고온이 필요합니다. 철(Fe)의 녹는점이 섭씨 1538도(1811F) 정도예요. 철보다 2배는 더 녹이기 어렵답니다. 순수한 탄소로는 대표적으로 투명하고 매우 단단한 다이아몬드(diamond)와 검고 매우 무른 흑연(graphite)이 있는데, 무엇을 더 녹이기 어려울까요? 다이아몬드보다 흑연이 더 녹이기 어렵답니다. 흑연이 다이아몬드보다? 뭐, 이것만으로는 대단한 특징은 아니지요.

탄소끼리, 탄소 동위원소

Carbon Isotope

탄소가 모든 물질의 제왕인 까닭은 다른 물질(원소)과의 유별난 관계 때문입니다. 탄소는 수백 만 개 이상의 화합물을 만듭니다. 하지만 그런 건 나중에 살펴보기로 하고, 우선 순수한 탄소에 대해서만 먼저 살펴볼게요. 탄소의 원자량은 12입니다. 이것을 12C라고 합니다.(12는 위첨자로 표시해요) 이 12C가 지구의 98.93%입니다. 그런데 13C도 있어요. 이것은 1.07% 정도 존재하는 탄소입니다. 재미있는 것은 14C가 매우 소량 존재한다는 것인데, 이것을 탄소 방사성 동위원소라고 부르고, 그 양이 매우, 매우 적음에도 우리 인류의 과거 탐험에 시계 역할을 해준답니다. "탄소연대측정"이라는 말을 들어보셨지요? 14C의 양은 시간이 지남에 따라 줄어드는데, 그 양이 초기값보다 절반으로 줄어드는 데 소요되는 시간(반감기)이 약 5730년입니다. 그러면 어떤 화석에 포함되어 있는 14C의 양을 측정해서 그 화석의 연대기를 측정할 수 있게 된 것이지요.

별것도 아닌 것 같나요? 하지만 과거 연구를 하는 사람한테는 14C가 아주 놀랍고 고마운 원소입니다. 이런 과거로 여행하는 탄소 시계를 발견하는 것만으로도 윌러드 프랭크 리비(Willard Frank Libby 1908~1980)는 1960년 노벨화학상을 받았답니다.

탄소 동위원소는 탄소끼리 어떻게 결합되느냐를 따지지 않고, 그저 순수한 탄소의 원자량의 차이만 살펴보는 것이지요. 이제 순수한 탄소끼리 서로 단단하게 모여서 어떤 포즈를 취하느냐에 따라 현저하게 달라지는 탄소의 놀라운 특성을 탐험해 보겠습니다. 그걸 탄소 동소체(Carbon Allotropes)라고 불러요. 탄소 원자만으로도 끼리끼리 모여서 얼마나 큰 위력을 발휘하고 인류에 얼마나 큰 기쁨을 주는지...

탄소끼리, 탄소 동소체

Carbon Allotropes

<탄소동소체>는 순수한 탄소입니다. 하지만 탄소원자들이 서로 뭉쳐서 연결되고 결합되는 구조가 다릅니다. 일단 누구나 다 아는 탄소동소체가 있지요. 흑연(Graphite)과 다이아몬드(Diamond)입니다. 이 두 가지 모두 순수한 탄소원자로 이루어져 있습니다."뭐야 얘네들, 똑같은 놈들이잖아!" 다이아몬드와 흑연이 똑같은 탄소라는 사실을 알아낸 할아버지가 있습니다. 근대 화학의 아버지라 불리던 프랑스 천재 할아버지 앙투안 라브와지에(Antoine-Laurent de Lavoisier 1743~1794)였습니다. 비운의 천재였지요. 절정기 나이에 프랑스혁명이라는 격변기에 단두대로 처형당했답니다.

단두대에 사라진 위대한 화학자, 라브와지에

1772년 라브와지에는 아주 값비싼 다이아몬드를 샀습니다. 유리 그릇에 그 다이아몬드를 넣고, 햇빛을 이용한 거대한 연소기를 만들어서 햇빛의 초점을 유리 그릇에 들어 있는 다이아몬드에 맞췄습니다. 어떻게 되었을까요? 다이아몬드가 타서 사라졌습니다. (아, 이런 미친. 지금이나 당시에나 다이아몬드는 엄청 값비싼 보석이잖아요. 그런 보석을 태워버린 거예요!!)

유리 그릇의 무게에는 변함이 없었습니다. 그렇다면 다이아몬드는 기체로 날라가 버린 것이지요. 그 기체가 무엇일까요? 마찬가지 실험을 숯에 대해서도 했습니다. 결과는 같았고 동일한 기체가 발생했습니다. 우리는 그 기체를 이산화탄소라고 부르지요. 다이아몬드와 숯은 모두 동일한 물질이고 단지 그 형태만 다르다는 결론을 내렸습니다. 라브와지에는 그 물질에 '탄소Carbon'라는 명칭을 붙였습니다.

자, 이제 탄소동소체가 어떻게 생겨먹었는지 살펴보겠습니다. 똑같은 탄소이지만 탄소끼리 모여서 몸뚱아리를 만든 형태, 즉 구조가 다릅니다.

흑연(Graphite)

암석입니다. 세상에서 가장 무른 물질 중의 하나이지요. 잘 부스러져요. 아래 사진에서 보는 검탱입니다. 그래서 연필 재료로 쓰였습니다. 다이아몬드보다 더 녹이기 어렵거든요. 열에 매우 강합니다. 그래서 로켓 엔진 내벽으로 사용하다거나 내열재로 쓰입니다.

물리적인 구조는 아래와 같습니다. 전기를 아주 잘 통합니다. 흑연은 한반도에 많습니다. 특히 북한은 세계 4위 수준의 매장량입니다. 다이아몬드가 아닌 흑연이 한반도에 많은 건 다행입니다. 다이아몬드였다면 괜히 내전과 침략이 일어날 테니까요. 흑연은 아래 그림처럼 6각형 탄소격자가 층층이 쌓이는 구조입니다.

다이아몬드(Diamond)

금강석이라고도 불리지요. 가장 강한 물질 중의 하나이지요. 열전도율이 매우 좋습니다. 그러나 전기가 통하지 않아요. 흑연과 달리 아주 훌륭한 절연체입니다. 그러나 무엇보다 무적의 보석입니다. 보석 중의 보석입니다. 더이상 자세한 설명이 필요가 없겠지요? 하지만 다이아몬드는 결국 탄소입니다.

블러드 다이아몬드(Blood Diamond)라는 말을 들어보셨는지요? 레오나르도 디카프리오가 나온 2007년 영화입니다. 아프리카 시에라리온을 배경으로 합니다. 서아프리카에는 작은 나라인 시에라리온은 다이아몬드가 풍부합니다. 앙골라, 라이베리아, 콩고 민주공화국 모두 다이아몬드가 있습니다. 그러자 사람들이 총을 들었지요. 오늘은 슬픈 이야기가 아닌 '탄소'가 주제이니까 이만하겠습니다.

풀러렌(Fullerene)

1985년 탄소축구공이 발견되었습니다. 흑연 조각에 레이저를 쏘았더니 측연의 격자 구조가 바뀌면서 새로운 탄소끼리가 탄생했어요. 지름이 약 1nm(1나노미터는 10억분의 1미터입니다)인 나노축구공이었습니다. 탄소 원자 60개가 축구공 모양으로 결합한 버크민스터풀러렌(Buckminsterfullerene, C60)은 버키볼(buckyball)이라고도 불려요. 이 나노축구공을 발견한 해럴드 크로토(Sir Harold Walter Kroto 1939~2016), 로버트 컬(Robert Floyd Curl 1933~), 리처드 스몰리(Richard Errett Smalley 1943~2005)는 1996년 노벨화학상을 받았답니다. 아래처럼 생겼어요.

그런데 위와 같은 풀러렌만 있는 게 아니예요. 여전히 다양한 형태의 풀러렌이 연구되고 있습니다. 상당히 안정된 구조여서 높은 열과 압력을 견딜 수 있는 탄소덩어리입니다. 빛을 흡수하여 활성산소를 만드는 성질도 있다고 합니다. 이걸로 뭘 할 건데? 워낙에 신소재여서 아직 정해진 것은 없는 것 같더군요. 반도체 소자나 태양전지 분야에서 사용한다거나 활성산소를 이용해 암세포를 박살내는 신약 개발에도 연구되고 있다고 합니다.

그래핀(Graphene)

러시아 출신 영국 과학자 안드레 콘스탄틴 가임(Sir Andre Konstantin Geim 1958~)이라는 사람이 있습니다. 아주 웃긴 천재입니다. 여러분, 세상에서 가장 얇은 물질을 만들어 볼까요? 그렇게 해서 그의 연구팀은 2004년 스카치테이프를 흑연(Graphite)에 붙였다 떼어내는 간단한 방법으로 흑연에서 1개의 층을 분리하는 데 성공했습니다. 그 2차원 구조물이 "그래핀"입니다. 세상에서 가장 강하고 가장 단단하며 또한 가장 얇은 2차원 물질입니다. 두께가 원자 한 개의 두께인, 0.2nm(100억분의 2m)입니다. 가임 경은 2010년 노벨물리학상을 받았습니다.

흑연의 3차원 구조에서 1개 평면을 떼어낸 것이 그래핀입니다만, 신묘하게도 흑연과는 정말 다른 특성을 보입니다. 최고의 전도체입니다. 구리보다 100배 이상 전기를 잘 통합니다. 세상에서 가장 단단한 강철보다 100배 이상 더 단단합니다. 가시광선을 97.7%를 통과시킵니다. 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 뛰어납니다. 마음껏 늘리거나 구부릴 수 있을 정도로 유연합니다. 그래핀 필터를 이용하면 바닷물을 간단하게 마실 수 있는 물로 만들 수도 있다고 합니다. 물분자는 통과시킵니다. 그러나 소금은 그래핀을 통과하지 못하는 원리입니다.

완전 꿈의 신소재이지요. 그래핀을 마음껏 제조할 수 있다면 떼돈 벌겠지요? 그런데 이게 참 어렵습니다. 안정적인 대량생산이 어렵다는 말씀입니다. 가임 박사처럼 노동자들이 스카치테이프를 들고 작업을 해야 할까요?

흑연, 그래핀 트랜지스터, 스카치테이프.

탄소나노튜브(Carbon nanotube)

일본 NEC 연구소의 이이지마 스미오(Sumio Iijima 1939~) 박사가 1991년 처음으로 발견한 탄소입니다. 풀러렌과 비슷한 것 같기도 하고 또 그래핀과 비슷한 것 같지요. 탄소 원자들이 6각형 구조로 연결되어 있고, 그 6각형이 서로 이어지면서 원기둥의 모양으로 탄소끼리 결합해 있습니다.

그래핀에서 플러렌, 탄소나노튜브, 흑연이 만들어지는 방법

탄소나노튜브는 그래핀 만큼은 꿈의 신소재는 아닙니다만 그래핀보다는 더 상업화에 성공적인 탄소입니다. 강철보다는 훨씬 강한 물질입니다. 인피니티 워에서 아이언 맨은 탄소 나노튜브 슈트를 입었잖아요? 그게 다 이유가 있는 셈이지요. 사실 순수한 철(iron, Fe)은 그다지 단단하지 않습니다. 탄소를 조금 섞어줘야만 합니다. 철이 주성분에 탄소함유가 0.3~2% 정도인 금속을 강철(steel)이라고 합니다. 탄소가 섞여야만 단단한 강철이 만들어졌던 것인데, 탄소만으로 이루어진 탄소나노튜브는 그런 강철보다 100배는 더 강하다고 합니다.

탄소는 지구를 지켜줍니다

이산화탄소

지금까지 탄소끼리를 살펴봤습니다. 그러나 탄소는 대체로는 홀로 존재하지 않습니다. 수백 만 개의 화합물(compounds)로 곳곳에 존재합니다. 그리고 모든 생명에 에너지를 줍니다. 탄소가 없다면 생명은 존재할 수 없습니다. 모든 학문은 결국 생명을 연구하는 것입니다. 탄소화학물만을 특히 연구하는 학문을 우리는 유기화학(Organic chemistry)이라고 하지요. 탄소가 없는 생명체는 없습니다. 바이러스조차 그 안에는 탄소가 있습니다. 유기화학에서는 식물도 대표적인 생명체로 간주됩니다(식물도 DNA가 있어요~). 이산화탄소(Carbon dioxide)는 유기화합물은 아닙니다만, 모든 생명의 시작물질이기도 합니다. 이산화탄소가 없으면 다 죽습니다. 물론 이산화탄소가 너무 많아도 다 죽습니다만...

이산화탄소는 순환됩니다. 대기 중에는 이산화탄소가 있습니다. 광합성에 의해 상당수의 이산화탄소를 식물이 흡수합니다. 동물과 식물 호흡으로 이산화탄소가 배출되지요. 바다는 매우 많은 이산화탄소를 흡수하지요. 식물성 플랑크톤이 광합성을 하면서 상당량의 이산화탄소를 먹습니다. 나무든 동식물이든, 육지생명이든 바다생명이든 죽은 다음에는 적합한 조건에서 오랜 시간이 흐른 후 화석연료(Fossil fuel)가 됩니다. 그게 석유, 천연가스, 셰일가스, 석탄이 됩니다. 화석연료를 사용하면 이산화탄소가 배출됩니다. 귀소본능 같은 것이지요. 처음 시작한 곳으로 되돌아가는 것입니다.

우리 인류가 화석연료를 사용하지 않았을 때에는 이산화탄소 사이클에 큰 문제는 없었지요. 산업이 발전하면서 화석연료 사용이 기하급수적으로 늘어나고 말았습니다. 이산화탄소가 너무 많아졌다는 것이지요. 이산화탄소는 온실가스입니다. 지구를 따뜻하게 지켜주지요. 이산화탄소가 없다는 지구는 화성처럼 추워집니다. 그런데 공기중에 이산화탄소가 너무 많아지면 이게 또 곤란하지요. 금성처럼 뜨거워진다는 이야기입니다. 사람이 살 수가 없게 돼요. 그래서 지구온난화 문제를 해결하자고 지혜로운 사람들이 그 난리를 피우는 것입니다. 지구에 세들어 사는 인간이라면 누구나 지혜로운 목소리에 귀를 기울여야겠지요.

탄소는 지구를 지켜줍니다

유기화합물

탄소가 모든 물질의 제왕이 될 수 있던 것은 수백만 개가 넘는 탄소화합물을 만들기 때문입니다. 일단 생명이 있는 모든 존재는 아주 다양한 탄소화합물을 갖고 있습니다. 학교에서 배우는 몇 가지 탄소화합물을 다시 살펴보지요. 가장 간단한 탄소와 수소의 화합물입니다. 탄소의 개수에 따라 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄, 헥산, 헵탄, 옥탄, 노난, 데칸이라고 명명합니다. 간단한 연결이지요. 여기에 탄소끼리 이중결합을 한다거나 수소가 아닌 다른 원소가 붙는다거나 하면서 매우 많은 탄소화합물을 만들어낼 수 있습니다.

아까도 살펴봤지만, 탄소는 육각형을 좋아해요. 탄소 6개와 육각형 구조로 결합된 다음에 각각 1개씩의 수소와 결합할 수 있습니다. C6H6입니다. 이것을 벤젠(Benzene)이라고 부르지요. 왼쪽은 정확하게 표현했고, 오른쪽은 대충 표현했습니다. 벤젠고리라고 부릅니다.

이런 육각형 고리를 갖는 탄소화합물, 너무나 많습니다. 육각형이 하나만 나오는 게 아니라 여러 개가 막 연결되는 구조의 탄소화합물도 있습니다. 구조가 다르면 성질도 달라집니다. 그리고 유기화학은 이런 걸 공부합니다. 나중에 나이를 먹고 완전 노인이 되어 은퇴를 하게 되면, 말년에 유기화학을 공부해볼까 합니다. 시간이 평화롭게 흐르겠지요.

모든 생명체에는 DNA가 있잖아요. 디옥시리보 핵산(DeoxyriboNucleic Acid)입니다. 두 개의 긴 가닥이 서로 꼬여 있는 이중나선 구조로 되어 있습니다. 이 가닥을 잘 살펴보면, 아데닌, 티민, 구아닌, 시토신의 배열로 이루어져 있습니다. 이것을 DNA 염기서열이라고 하지요. 그림에는 표시되어 있지 않지만, 모두 탄소를 기본 골격으로 하는 탄소화합물입니다.

단백질(Protein)의 기본이 되는 유기화합물인 아미노산(Amino acids)은 탄소, 수소, 산소, 질소가 결합한 화합물입니다. 지방(Fat)은 탄소와 수소가 결합한 화합물입니다. 탄수화물(carbonhydrate)은 말 그대로 탄소와 물이 결합된 것 같은 화합물입니다. Cm(H2O)n의 화학식을 갖는 탄소화합물이지요. 우리 몸에 에너지를 제공하는 포도당(glucose)은 C6H12O6의 화학식을 갖습니다. 비타민은 어떨까요? 비타민도 탄소를 기본 골격으로 하는 화합물입니다. 이렇듯 생명을 연구하는 것은 결국 탄소화합물을 연구하는 것이 되는 것이지요.

생명이 있는 곳에는 그 생명을 유지하기 위해서 언제나 탄소가 관여합니다. 생명이 다하면 흙으로 돌아가는 게 아니라 탄소로 돌아갑니다. 그게 연료가 되는 것이고요. 또한 탄소는 생명체의 활동에 언제나 어떻게든 관여합니다. 너무 많은 이야기를 한 것 같습니다. 사실은 아주 작은 지식만 이야기했을 뿐이겠지요.