다이아몬드와 흑연이 모두 탄소로만 이루어져 있는데, 결합 구조 차이로 인해 성질이 어떻게 달라지나요?
안녕하세요. 다이아몬드와 흑연은 둘 다 탄소로 이루어져 있지만 자연계에서는 흑연이 훨씬 안정하기 때문에 다이아몬드가 희소해서 가치가 있다고 하던데요, 다이아몬드와 흑연이 모두 탄소로만 이루어져 있는데, 결합 구조 차이로 인해 성질이 어떻게 달라지나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 다이아몬드와 흑연은 모두 탄소 원자만으로 이루어진 동소체이지만, 탄소 원자들이 어떤 방식으로 결합하느냐에 따라 전혀 다른 성질을 보이게 됩니다.
다이아몬드는 각 탄소 원자가 sp³ 혼성 궤도를 이용해 4개의 다른 탄소와 강한 공유 결합을 형성하며, 이 결합이 3차원적으로 끝없이 이어진 거대한 격자를 만드는데요, 따라서 모든 결합이 등방적이고 매우 강합니다. 이때 다이아몬드는 3차원적으로 매우 강한 공유 결합망을 이루고 있어 자연계에서 가장 단단한 물질 중 하나입니다.
반면에 흑연은 각 탄소 원자가 sp² 혼성 궤도를 이용해 3개의 탄소와 공유 결합을 형성해 평면적인 육각형 구조를 이루고, 남은 하나의 전자는 π 전자로서 층 전체에 비편재화되어 전도성을 가지는데요, 이 층들은 약한 반데르발스 힘으로 서로 결합해 있어서 쉽게 미끄러질 수 있으며, 층간 결합이 약해 층이 쉽게 미끄러져 연필심처럼 부드럽게 쓰여집니다.
또한 말씀해주신 것처럼 상온, 상압에서 열역학적으로는 흑연이 더 안정한 형태를 이루고 있는데요, 다이아몬드는 고온·고압 조건에서 형성되었기 때문에 지구 표면에서는 준안정 상태로 존재하지만, 전환 속도가 매우 느려서 일상적으로 안정하게 남아 있습니다. 감사합니다.
안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.
맞습니다. 다이아몬드나 흑연 모두 탄소로만 이루어진 물질 입니다. 하지만 탄소가 결합 하는 방식에 따라 성질이 완전 달라지게 된 것 입니다.
흑연과 다이아몬드가 탄소원자가 전자를 공유하는 방식에서 차이가 있는데 다이아몬드의 경우 탄소의 4가지 결합이 전부 탄소로만 이루어져 3차원의 망상 구조를 가지고 있고 흑연의 경우는 탄소의 3가지 결합이 탄소와 결합하고 나머지 하나의 전자가 남아있는 상태 입니다.
그래서 다이아몬드는 모든 방향으로 결합을 하고 있기에 매우 단단하며 흑연의 경우는 층과 층사이는 반데르발스 포스만 작용하기에 약한 결합력을 가지고 있습니다.
그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다~! 더 궁금한게 있으시면 언제든지 문의 주십시요:)
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