다이아몬드와 흑연은 둘 다 탄소인데 왜 이렇게 성질이 다른가요?

Question

지구과학에서 광물을 배우는데 다이아몬드와 흑연이 똑같이 탄소로 이루어져 있다고 들었어요. 같은 원소로 이루어졌는데 왜 하나는 세상에서 가장 단단하고 하나는 무르고 잘 부서지는 건지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 박재화 박사입니다.

다이아몬드와 흑연은 둘 다 탄소로 되어 있습니다만, 탄소 원자들이 결합하고 있는 방식이 다릅니다.

다이아몬드는 탄소 원자 하나가 주변 탄소들과 입체적으로 3차원 결합을 하고 있는 구조라 어느 방향에서 힘을 받더라도 강한 특징을 가지고 있습니다. 모스 경도가 10이 가장 강한데, 다이아몬드가 10입니다. 긁힘에도 매우 강하고, 쉽게 눌리거나 부서지지 않는 단단한 성질을 가집니다.

반대로 흑연은 탄소 원자들이 넓은 판처럼 층을 이루고 있고, 층과 층 사이는 비교적 약하게 붙어 있습니다. 그래서 종이를 문지르면 연필심이 묻어나듯이, 흑연은 층이 쉽게 미끄러지기 때문에 무르고 잘 벗겨지는 특징이 있습니다. 그러나 2차원으로는 강도도 강하고 여러 특성이 우수해서 현재 많은 활용이 기대되고 있는 꿈의 소재입니다.

Answer 2

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

다이아몬드와 흑연은 모두 탄소로 이루어져 있지만 원자들이 결합하는 방식이 달라 성질이 크게 달라집니다 다이아몬드는 탄소 원자가 3차원으로 매우 강하게 연결되어 매우 단단한 반면 흑연은 탄소 원자가 층을 이루고 층 사이의 결합이 약해 쉽게 미끄러지고 부서 집니다 즉 같은 원소라도 원자의 배열과 결합 구조가 다르면 물리적 성징이 완전히 달라질 수 있습니다

Answer 3

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

같은 벽돌로도 튼튼한 집과 허술한 담을 지을 수 있듯, 탄소 원자를 어떻게 쌓느냐가 중요해요.

다이아몬드는 탄소 하나하나가 사방 네 개의 이웃과 단단히 손을 잡고 삼차원 그물처럼 얽혀 있어요. 그래서 세상에서 가장 단단한 물질이 되죠. 반면 흑연은 탄소가 육각형 판을 이루며 평평하게 깔리고, 이 판들이 겹겹이 포개어진 구조에요. 판 안쪽 결합은 튼튼한데 판과 판 사이를 잡아주는 힘이 아주 약해요. 그래서 살짝만 문질러도 층이 벗겨지고, 연필심에 종이 자국을 남기는 이유가 이런이유에요 :)