안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
금강석인 다이아몬드가 가장 단단한 고유의 굳기를 갖는 이유는 모든 탄소 원자가 주변의 탄소 원자 4개와 강한 공유 결합을 이루어 완벽한 입체 정사면체 그물망 구조를 형성하기 때문입니다.
탄소 원자 1개는 4개의 최외각 전자를 가지는데, 다이아몬드 구조 내부에서는 이 전자 4개가 모두 인접한 탄소 4개와 전자쌍을 공유하는 공유결합을 형성합니다. 켤합각이 109.5도를 이루며 정사면체의 중심과 꼭짓점 방향으로 균형 있게 배치되어 입체적으로 가장 안정적인 형태를 가집니다.
같은 탄소로 이루어진 흑연은 얇은 판이 겹겹이 쌓인 층상 구조라 층간 결합이 약해 잘 미끄러지고부서지는 반면 다이아몬드는 약한 결합 부위가 전혀 없이 상하좌우 모든 방향이 단단한 공유 결합으로만 빽빽하게 연결된 단일 거대 결정 구조입니다. 그리고 탄소 원자는 크기가 작아 원자 핵 사이의 거리가 매우 가깝습니다. 결합 길이가 짧을수록 전자쌍을 끌어당기는 힘이 강해지므로, 외부에서 스크래치나 변형을 일으키려면 이 무수한 공유 결합을 강제로 끊어내야만 합니다.
이처럼 모든 방향으로 힘이 균일하게 분산되는 단단한 3차원 뼈대 구조 덕분에 다이아몬드는 자연계 물질 중 가장 높은 모스 굳기를 가집니다.