탄소의 동소체. 다이아몬드와 흑연

탄소의 동소체. 다이아몬드와 흑연

allotropes of carbon. diamond and graphite

 

 

 

[ 그림 출처 commons.wikimedia.org ] Diamond and graphite samples.

( 참고: 흑연과 다이아몬드의 높은 끓는점 https://ywpop.tistory.com/8942 )

 

 

 

 

A1 = 다이아몬드, A2 = 흑연.

 

 

 

 

▶ 다이아몬드가 흑연보다 더 단단한 이유

> 다이아몬드는 보다 약한 sp^3 결합이지만,

고체 전체적으로 화학적으로 결합되어 있고,

흑연은 보다 강한 sp^2 결합이지만,

층과 층은 화학결합이 아닌

분자간 힘(분산력)으로 상호작용하고 있기 때문이다.

( 참고: 분산력 https://ywpop.tistory.com/2585 )

 

> 흑연은 sp^2 결합에 존재하는 파이전자 때문에

좋은 전기 전도체가 되고,

층과 층 사이의 약한 분산력 때문에

층과 층이 잘 미끄러져 좋은 고체 윤활제가 된다.

 

 

 

▶ 다이아몬드는 sp^3 탄소이므로, 단일결합 (–C–C–C–C–),

흑연은 sp^2 탄소이므로, 단일결합+이중결합 (–C=C–C=C–).

> 다중결합일수록, 결합세기는 증가한다.

( 참고: 결합 엔탈피 https://ywpop.tistory.com/2558 )

 

 

 

▶ 단일결합보다 다중결합의 세기가 더 강하다?

이 이유는 과학보다는 상식에 가깝다.

A와 B는 상대방과 한 팔로 잡고 있고, ( A–B )

C와 D는 상대방과 양 팔로 잡고 있다. ( C=D )

같은 힘으로 각각 양쪽을 잡아 당겼을 때,

( ⇚ A–B ⇛ vs. ⇚ C=D ⇛ )

어느 쪽이 보다 쉽게(빨리) 떨어질까?

 

 

 

 

[그림] graphite structure.

sp^2 탄소는

3개의 시그마결합, 1개의 파이결합을 갖기 때문에,

이중결합을 가진다.

 

 

 

▶ 흑연이 다이아몬드보다

원자간 결합 힘이 더 크므로 (더 강하므로)

흑연은 다이아몬드보다 화학적으로 더 안정한 물질이다.

 

 

 

▶ 이중결합에 존재하는 π-전자 때문에 흑연은 전기 전도체이고,

π-전자가 없는 다이아몬드는 전기 부도체이다.

 

 

 

 

 

[ 그림 출처 commons.wikimedia.org ] Eight Allotropes of Carbon.

a) Diamond

b) Graphite

c) Lonsdaleite

[ https://en.wikipedia.org/wiki/Lonsdaleite ]

d) C60 (Buckminsterfullerene)

e) C540 (see Fullerene)

f) C70 (see Fullerene)

g) Amorphous carbon: 석탄(coal), 그을음 또는 검댕(soot)

[ https://en.wikipedia.org/wiki/Amorphous_carbon ]

h) single-walled carbon nanotube

 

 

 

 

[ 관련 글 https://ywpop.tistory.com/7668 ] 흑연, 풀러렌, 탄소 나노튜브, 그래핀

 

[ 관련 글 https://ywpop.tistory.com/9978 ] 풀러렌(C60)과 다른 탄소 동소체의 공통점과 차이점

 

 

 

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