다이아몬드는 산소가 차단되면 왜 흑연으로 변하나요?
광물이 산소가 차단된다고 다른 물질로 변한다는 것도 신기하지만 다이아몬드와 흑연은 너무 큰 차이가 있잖아요? 다이아몬드가 채굴 전 산 속의 바위 등 안에서도 산소와 차단된 상태에서도 흑연으로 변하지 않았음에도 어떻게 산소가 차단되면 흑연으로 바뀔 수 있는지 궁금합니다.
안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
관련 내용에 답변 드리겠습니다. 사실 다이아몬드가 흑연으로 변하는 과정은 산소 차단 여부와는 직접적인 관련은 없습니다. 다이아몬드가 흑연으로 변하는 핵심은 압력과 온도 조건입니다.
다이아몬드가 흑연으로 변하려면 원자들이 결합을 완전히 재배열되어야 하는데, 이 과정은 매우 높은 활성화 에너지가 필요합니다. 하지만 다이아몬드가 흑연으로 변하는데 활성화 에너지를 넘기 쉽지 않기 때문에 그대로 다이아몬드로 남아있을 수 밖에 없습니다.
다이아몬드는 지하 깊은 곳, 고온·고압 환경에서 형성됩니다. 지표로 올라온 뒤에는 압력이 낮아져서 사실상 흑연이 더 안정하지만, 변환 속도가 극도로 느려서 수억 년 동안 그대로 다이아몬드로 남을 수 있는 것입니다.
1명 평가안녕하세요.
다이아몬드가 산소가 차단되면 흑연으로 변한다는 표현은 흔히 들리지만, 과학적으로는 조금 오해가 있는데요 다이아몬드는 단순히 산소가 없다고 해서 자동으로 흑연으로 변하는 물질이 아닙니다.
오히려 높은 온도에서 산소가 없을 때 흑연화가 가능해진다는 의미에 가깝습니다. 그 원리를 차근차근 과학적으로 설명해 드리겠습니다.
다이아몬드와 흑연, 두 물질은 모두 순수한 탄소(C)로 이루어져 있지만 결합 방식이 완전히 다릅니다. 다이아몬드는 탄소가 3차원적으로 모두 강하게 결합하여 사면체 구조를 이루고 흑연은 탄소가 평면층으로 연결되고 층끼리는 약한 힘으로만 붙어 평면 구조를 이룹니다.
실제로 저온·저압에서는 흑연이 가장 안정한 구조이고, 고압·고온에서는 다이아몬드가 안정합니다. 즉, 우리가 실생활에서 사용하는 압력에서는 흑연이 더 자연스러운’ 형태이고, 다이아몬드는 고압 때문에 억지로 유지되는 구조라고 이해할 수 있습니다.
따라서 두 구조가 전환되려면 탄소–탄소 결합의 재배열이 필요하며 이 변화는 결합을 끊고 다시 만드는 과정이기 때문에 에너지 장벽이 매우 높습니다. 그래서 상온에서는 사실상 전혀 변하지 않습니다.
다이아몬드는 공기가 있는 곳에서 고온에 노출되면 산화되어 CO₂로 타버립니다. 그런데 산소가 없는 상태에서 고온, 보통 1500~2000°C 이상을 가하면 다이아몬드는 타지 않고 대신 결합 구조 재배열이 일어나기 쉬워지며 그 결과 탄소는 저압에서 가장 안정한 흑연 구조로 다시 조직화될 수 있습니다. 감사합니다.