같은 탄소로 이루어졌는데 다이아몬드는 단단하고 흑연은 부드러운 이유가 뭔가요?

Question

화학시간에 탄소 원자의 결합 배열이 다르다고 배웠는데, 결정 구조의 차이가 이렇게 극단적인 물성 차이를 만드는 원리가 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.

동일한 탄소 원자로만 이루어진 다이아몬드와 흑연의 물성이 다른 이유는 구조 때문 입니다. 다이아몬드는 3차원 그물망 구조이고 흑연은 쉽게 미끄러지는 2차원 쌓인 종인 구조 이기 때문입니다.

다이아몬드는 탄소 하나가 다른 탄소 4개와 결합해 빈틈없는 3차원 정사면체 그물망을 형성 합니다. 모든 방향의 결합이 균일하게 강한 공유결합이므로 지구상에서 가장 단단한 물성을 가집니다.

흑연은 탄소하나가 다른 탄소 3개와 결합해 2차원 육각형 판을 만들고 이 판들을 겹겹이 쌓은 형태를 취합니다. 판 사이를 잇는 힘이 매우 약해 조금만 힘을 주어도 층이 쉽게 미끄러져 떨어져 나가므로 부드럽습니다.

그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다:)

Answer 2

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

다이아몬드와 흑연은 모두 탄소로만 이루어진 물질로, 이를 동소체라고 합니다. 두 물질의 성질과 굳기가 다른 이유는 결정구조의 차이 때문입니다. 다이아 몬드는 원자가 전자가 4개인 탄소 원자 하나에 4개의 탄소가 모두 공유 결합한 정사면체의 입체 구조로 되어 있어 모든 원자가 빈틈없이 3차원 그물망 구조로 견고하게 연결되어 있기 때문에, 외부에서 어떤 방향으로 힘을 가하더라도 단단한 공유 결합 전체가 저항하여 지구상에서 가장 단단한 강도를 가지게 됩니다.

반면 흑연은 탄소 원자 하나에 3개의 탄소 원자만 결합되어 있는 육각형 벌집 모양의 판 모양을 형성합니다. 판 내부의 공유 결합은 매우 강하지만, 층과 층 사이에는 화학 결합이 아닌 매우 약한 힘이 작용하기 때문에 작은 힘에도 층과 층 사이가 미끄러지듯 쉽게 떨어져 나가며 부드럽고 깎이기 쉬운 성질을 띱니다. 연필을 쓸 때 흑연 층이 깎여 종이에 묻어 나오는 것도 이 미끄럼 현상 때문입니다.