안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
질문자님 말씀처럼 다이아몬드와 흑연은 둘 다 순수한 탄소(C) 원자로만 이루어진 물질입니다. 화학에서는 이처럼 구성 원소는 같지만 원자의 배열 상태가 달라 성질이 완전히 다른 물질들을 동소체라고 부릅니다.
그럼 다이아몬드와 흑연이 구조와 성질이 어떻게 다른지 설명해 드리도록 하겠습니다.
다이아몬드는 탄소 원자 하나가 주변 원자 4개와 결합한 3차원의 정사면체 구조입니다. 탄소의 모든 전자가 단단히 공유 결합해 있어 천연 물질 중 가장 굳기가 단단하며, 움직일 수 있는 자유 전자가 없어 전기가 통하지 않습니다.
반면 흑연은 탄소 원자가 주변 원자 3개와 결합해 육각형 벌집 모양 평면이 겹겹이 쌓인 2차원 층상 구조를 이룹니다. 층 간 결합력이 약해 쉽게 미끄러지므로 성질이 매우 부드럽습니다. 또한, 결합에 참여하지 않은 탄소당 1개의 전자가 판 사이를 자유롭게 이동할 수 있어 비금속임에도 전기가 잘 통합니다. 그래서 흑연으로 이루어진 연필심이 전기가 잘 통하고 건전지 중심에 있는 막대도 흑연입니다.
이처럼 전자를 결합에 모두 묶어둔 입체 구조의 다이아몬드와 자유 전자를 남겨둔 평면 구조의 흑연의 차이가 두 물질의 성질을 결정합니다.