안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
다이아몬드와 흑연은 모두 탄소라는 단일 원소로만 이루어진 동소체이지만, 탄소 원자 간의 결합 방식과 그로 인한 결정 구조가 완전히 다르기 때문에 성질이 완전히 다릅니다.
흑연이 금속처럼 전기를 잘 통하는 이유는 sp2 혼성 결합 구조와 그로 인해 발생하는 자유롭게 움직이는 전자 때문입니다. 이와 관련하여 설명해 드릴게요.
흑연이 다이아몬드와 달리 전기가 잘 통하는 원인은 sp2 혼성 결합에 따른 구조와 비편재화 전자에 있습니다.
탄소 원자는 4개의 원자가 전자를 가지는데, 다이아몬드는 4개 전자를 모두 이웃 원자들과의 결합해 있어 이동할 수 있는 전자가 없습니다. 반면 흑연은 탄소 원자가 주변 원자 3개와만 결합하여 2차원 육각형 벌집 모양의 평면 층상 구조를 형성합니다.
이때 결합에 참여하지 않고 남은 1개의 원자가 전자가 특정 원자에 구속되지 않고 층 평면 전체를 자유롭게 돌아다닐 수 있는 비편재화 전자가 됩니다. 이 자유 전자들이 금속 내부의 자유 전자처럼 전하를 운반하는 매개체 역할을 하기 때문에, 흑연은 평면 방향으로 매우 우수한 전기전도성을 띠게 됩니다.