안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
다이아몬드와 흑연의 성질이 전혀 다른 이유는 탄소 원자들이 서로 연결되는 결합 방식과 3차원 결정 구조가 완전히 다르기 때문입니다. 좀 더 자세히 설명해 드릴게요.
다이아몬드는 탄소 원자 1개가 주변의 다른 탄소 원자 4개와 강하게 결합하여 정사면체 모양을 이룹니다. 이 결합이 사방으로 끊임없이 연결되어 단단한 3차원 입체 그물망 구조를 형성합니다. 반면, 흑연은 탄소 원자 1개가 주변의 탄소 원자 3개와 결합하여 평면 육각형 벌집 모양의 판을 만듭니다. 이 얇은 판들이 여러 겹으로 쌓여 있는 구조입니다.
다이아몬드는 탄소가 가진 4개의 원자가 전자가 모두 공유 결합에 남김없이 쓰이기 때문에 원자 사이를 이동할 수 있는 자유 전자가 전혀 남지 않습니다. 따라서 다이아몬드는 전기가 통하지 않는 절연체가 되며, 3차원 구조 전체가 빽빽한 공유 결합으로 고정되어 있어 극도로 단단한 성질을 가집니다. 아울러 빛의 가시광선 영역을 대부분 그대로 통과시키기 때문에 투명하고 빛을 크게 굴절시키는 광학적 특성을 보여줍니다.
흑연은 결합에 참여하지 않고 남은 탄소의 4번째 전자는 판 내부를 자유롭게 이동할 수 있는 전자가 됩니다. 이 자유 전자의 존재 덕분에 흑연은 금속처럼 전기가 매우 잘 통하는 도체 특성을 지니며, 가시광선을 널리 흡수하여 검은색의 불투명한 외관을 띠게 됩니다. 또한 육각형 판 내부의 결합력은 강하지만 층과 층 사이를 끌어당기는 힘은 매우 약하기 때문에, 외부에서 살짝 힘을 주면 층이 쉽게 미끄러지고 부서지면서 연필심처럼 부드럽게 묻어나게 됩니다.