안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
지구상에서 가장 단단한 다이아몬드와 부드러운 연필심의 흑연은 모두 탄소라는 한 가지 원소로만 이루어진 물질입니다. 이처럼 구성 성분은 같지만 원자의 배열 구조가 달라 전혀 다른 성질을 띠는 물질들을 동소체라고 부릅니다. 두 물질의 극단적인 성질 차이는 탄소 원자들이 서로 결합하는 방식에서 비롯됩니다.
다이아몬드는 탄소 원자 한 개가 주변의 다른 탄소 원자 네 개와 입체적으로 단단하게 결합하여 빈틈없는 정사면체 구조를 이룹니다. 이 결합이 삼차원 공간 전체로 끊임없이 연결되어 단단한 그물망을 형성하기 때문에 외부에서 강력한 힘을 가해도 쉽게 부서지지 않고 세계에서 가장 높은 경도를 자랑하게 됩니다. 내부의 모든 전자가 결합에 완벽하게 참여하고 있어서 전기가 통하지 않는 것도 특징입니다.
반면 흑연은 탄소 원자가 주변의 다른 탄소 원자 세 개와만 결합하여 평면상의 육각형 벌집 모양 구조를 만듭니다. 이 육각형 평면들이 시트처럼 겹겹이 쌓여 있는 구조인데, 평면 안에서의 결합은 매우 강하지만 층과 층 사이를 연결하는 힘은 매우 약합니다. 따라서 우리가 연필로 글씨를 쓸 때처럼 작은 힘만 가해도 이 층들이 쉽게 미끄러지며 떨어져 나가기 때문에 부드러운 촉감을 갖게 됩니다. 또한 결합에 참여하지 않고 남은 전자들이 층 사이를 자유롭게 이동할 수 있어서 비금속이면서도 금속처럼 전기가 잘 통하는 독특한 성질을 가집니다. 결국 물질의 정체성은 재료뿐만 아니라 구조가 결정한다는 것을 보여줍니다.