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세련된뱀눈새49
흑연과 다이아몬드는 같은 탄소로 되어 있는데. 단단한 정도와 전기전도도에서 차이가 나는 것인지 궁금합니다.
안녕하세요~
흑연과 다이아몬드는 같은 탄소로 구성되어 있는데. 왜 단단한 정도와 전기전도도에서 차이가 나는 것인지 궁금합니다.
4개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
흑연과 다이아몬드는 모두 탄소 원자로만 이루어져 있지만, 원자들이 어떤 방식으로 배열되고 결합하는지에 따라 성질이 완전히 달라집니다.
다이아몬드에서는 각 탄소 원자가 네 개의 다른 탄소와 강한 공유결합을 맺어 정사면체 형태의 3차원 격자를 형성합니다. 이 구조는 모든 방향에서 단단히 연결되어 있어 외부 힘을 가해도 쉽게 깨지지 않습니다. 그래서 다이아몬드는 자연계에서 가장 단단한 물질 중 하나로 꼽히며, 동시에 모든 전자가 결합에 참여하기 때문에 자유롭게 움직일 수 있는 전자가 없어 전기를 거의 흐르지 못합니다.
반면 흑연은 각 탄소 원자가 세 개의 탄소와 결합해 평면적인 육각형 구조를 이루고, 이러한 평면들이 층층이 쌓여 있습니다. 층 사이에는 약한 반데르발스 힘만 작용하기 때문에 층이 쉽게 미끄러져 부드럽게 느껴집니다. 또 결합에 사용되지 않은 전자가 층 위에서 자유롭게 움직일 수 있어 전기가 잘 통합니다.
즉, 다이아몬드는 3차원적으로 강하게 연결된 구조 덕분에 단단하지만 전기 절연체이고, 흑연은 층 구조와 자유 전자 덕분에 부드럽고 전도체라는 차이가 생기는 것입니다.
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채택된 답변안녕하세요.
네, 질문해주신 흑연과 다이아몬드는 둘 다 탄소로만 이루어져 있는 동소체인데요, 단단한 정도와 전기전도도에서 극명한 차이를 보입니다. 이는 원자들이 서로 결합하는 방식과 배열 구조가 완전히 다르기 때문에 물리적 성질이 크게 달라진 것입니다. 우선 다이아몬드는 탄소 원자 하나가 주변의 다른 탄소 원자 4개와 강한 공유결합을 하면서 3차원 정사면체 격자 구조를 형성하는데요, 이 구조에서는 모든 전자가 결합에 사용되어 매우 안정한 네트워크를 이루게 됩니다. 이처럼 모든 방향으로 촘촘하게 연결된 3차원 결합 구조 때문에 다이아몬드는 자연계에서 가장 단단한 물질 중 하나입니다. 또한 이 경우에는 전자가 결합에 모두 묶여 있어 자유롭게 이동할 수 있는 자유전자가 없기 때문에 전기 전도성이 거의 없는 절연체가 됩니다.
반면에 흑연은 구조가 다이아몬드와는 완전히 다른데요, 흑연에서는 탄소 원자 하나가 3개의 탄소 원자와 평면 구조로 결합하여 육각형 벌집 모양의 층 구조를 만듭니다. 이렇게 만들어진 얇은 탄소 층들이 여러 겹으로 쌓여 있는데, 층과 층 사이의 결합은 매우 약한 반데르발스 힘으로만 붙어 있습니다. 따라서 흑연은 쉽게 미끄러지고 연필심처럼 부드럽게 부서질 수 있습니다. 또한 다이아몬드와 흑연은 전자 구조에서도 차이를 보입니다. 흑연에서는 탄소 원자가 세 개만 결합하고 남는 전자 하나가 층 전체에 걸쳐 자유롭게 이동할 수 있는 상태가 되다보니, 이 전자들이 움직이면서 전류를 운반하기 때문에 흑연은 전기 전도성을 가지는 것입니다. 반면 다이아몬드는 모든 전자가 결합에 묶여 있기 때문에 전기가 거의 흐르지 않습니다. 감사합니다.
안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.
맞습니다. 아시는데로 흑연과 다이아몬드는 둘다 탄소로만 구성되어 있습니다
하지만 화학식으로는 동일하지만 입체적으로 구조를 보게되면 탄소가 결합된 형태가 다릅니다
탄소의 경우 원자번호 6번으로 6개의 전자를 가지고 있으며 최외각 전자껍질에 4개의 전자를 가지고있어 최대 4개의 다른 원자와 공유결합을 만들 수 있습니다.
한마디로 팔을 4개 가지고 있다고 생각하시면 됩니다
흑연의 경우는 탄소가 팔을 3개만 사용하여 결합하여 육각형 형태로 구성되고 이것이 판형태로 분자구조를 이루게 됩니다. 그리고 판과 판사이는 분자간결합이 작용하고 있어 아주 약한 형태 입니다.
반면 다이아몬드의 경우 탄소의 팔 4개를 전부사용하여 서로 결합하고 있어 판형태가 아닌 정사면체 입체형태로 분자구조를 이루고 있습니다. 탄소간 사용할 수 있는 모든 공유결합을 구성하고 있다보니 구조가 아주 탄탄하고 강력합니다.
그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다~! 더 궁금한게 있으시면 언제든지 문의 주십시요:)
안녕하세요. 정철 박사입니다.
같은물질로 이루어져 있는건 사실이지만 흑연과 달리 다이아몬드는 고온 고압이라는 환경이 더해져 3차원의 구조를 갖습니다 그래도 더 단단하고 외관도 다른것입니다