| 원소기호 | C |
|---|---|
| 원자번호 | 6 |
| 원자량 | 12.011 |
| 용융점 | 3,550℃ |
| 비등점 | 4,827℃ |
| 비중 | 1.8 ~ 2.1g/cc (비결정성) |
| 상태 | 고체, 금속 |
주기율표 제4B족에 속하는 탄소족 원소. 비중은 1.8∼2.1(비결정성), 3.15∼3.53(다이아몬드), 1.9∼2.3(흑연)이다. 자연계에 널리 존재하는 원소이며, 비금속원소로서는 황과 함께 기원전부터 알려져 있는 가장 오래된 원소의 하나이다. 비결정성 탄소인 그을음이나 숯은 고대로부터 알려져 있으며, 다이아몬드(금강석)는 《구약성서》 중에 기재(記載)되어 있다. 1772년 A.L. 라부아지에가 다이아몬드의 연소에 의해서 이산화탄소만이 생긴다는 것을 발견하였고, 96년 영국의 S. 테넌트는 다이아몬드가 탄소만으로 이루어짐을 밝혔다. 영어 carbon의 어원은 분명치 않으나, 라틴어의 carbo(석탄·목탄)에서 유래하였다. 천연으로는C(98.90％)와C(1.10％)의 2종류의 동위원소가 있는데, C는 원자량의 표준(C의 원자량을 12.0000000으로 함)이 되고 있다. 방사성 동위원소로서는C(β,외에 반감기 19.2초),C(β, EC ＜전자포획＞, 20.38분)C(β, 5730년),C(β,외, 2.449초)가 있다. 홑원소물질로서는 그을음 등의 비결정성 탄소, 흑연·다이아몬드 등의 동소체(同素體)가 존재하며, 그 밖에 각종 화합물로서 자연계에 널리 분포한다. 즉 대기권에는 이산화탄소·메탄과 그 밖의 것, 수권(水縫)에는 탄산이온, 암석권에는 탄산염 등으로 존재한다. 또한 탄소는 석탄·석유의 성분이며, 각종 유기화합물로서 생물권에 널리 분포되어 있으며, 자연계에서 각종 경로를 통해 순환하고 있다. 즉 식물은 대기 중의 이산화탄소와 물로부터 광합성에 의해서 탄수화물과 그 밖의 것을 만들고, 동물은 이 탄수화물과 그 밖의 것을 섭취하여 소화·흡수함으로써 분해시킨다. 또 죽은 후에는 박테리아 등의 작용으로 모두 분해되어 이산화탄소 등으로서 대기 중으로 돌아간다. 또는 생물체가 석탄·석유 등의 화석연료나 석회암 등이 되고, 연소나 기타에 의해서 대기 중으로 이행하는데, 이것을 탄소의 순환이라 한다.
탄소의 동소체로서는 비결정성 탄소·흑연·다이아몬드 이외에도 노르말 사슬모양의 탄소분자로 이루어진 것도 있다. 각각의 물리학적 및 화학적 성질은 매우 다르지만, 그 차이는 각각 구조의 차이에 기인하는 경우가 많다. 다이아몬드는 하나의 탄소원자를 중심으로 정사면체를 이루듯이 4개의 탄소원자가 단일결합(單一結合)하고, 다시 그들 탄소원자가 사면체형으로 4개의 탄소원자와 결합하여 3차원적으로 성장한 거대분자구조를 가진다. 즉, 단결정 하나가 하나의 분자인 것이다. 이 때문에 전기전도성이 없고 완전한 절연체이며, 이제까지 알려져 있는 물질 가운데 가장 높은 굳기와 강한 공유결합으로 연결되어 있으므로 화학적으로는 매우 비활성이어서 거의 모든 시약과 반응하지 않는다. 이에 반해 흑연은 탄소원자의 6원자고리가 평면적으로 무한히 연결된 평면형 거대분자(폴리센)가 층을 이루어 포개어진 것이다. 전기전도성은 폴리센의 평면 짝이중결합계에서의 전자이동성(電子易動性)으로부터 전도성이 생겨, 전극 등으로 이용될 정도가 된다. 또 이 층상구조로 인해 유연하고 활성(滑性)이 있으며, 쪼개지기 쉽지만 거대분자이므로 반응성은 적다. 그러나 이들 탄소평면 사이는 반데르발스힘으로 연결되어 있을 뿐이어서 그 간격은 탄소원자 사이의 14.2nm에 대하여 35.3nm로 비교적 넓어, 이 층 사이에 다른 원자가 끼어든 이른바 삽입화합물을 만든다(예를 들어 CF라든가 CK 등). 이들 구조로 보아 다이아몬드와 흑연의 비중이 다르다는 것도 알 수 있다. 다이아몬드는 흑연보다 훨씬 밀도가 크므로, 흑연으로부터 다이아몬드를 만드는 데에는 매우 높은 압력이 필요하다. 실제로 1955년 크롬·철·백금 등의 금속을 촉매로 하여 약 3000K에서 125kbar 이상의 고압을 이용하여 처음으로 전환에 성공했다. 현재 공업용으로서 충분한 품질의 것으로 0.1car(캐럿) 정도의 크기의 것이 만들어지고 있다. 다이아몬드 결정을 심(心)으로 하여 탄소질(質)의 가스 속에서 결정을 성장시킴으로써 보다 낮은 압력에서 인조 다이아몬드를 만드는 시도도 이루어지고 있다. 비결정성 탄소는 흑연의 미세한 결정이 모인 것이므로, 다이아몬드나 흑연에 비하면 훨씬 활성이 크다. 녹는점은 각 동소체 모두 상당히 높고 고온에서는 종종 승화한다. 산·알칼리 수용액이나 모든 용매에는 녹지 않지만, 고온에서는 철·코발트·니켈 및 백금족(族) 원소에 약간 녹는다. 또한 비결정성 탄소는 염소산염과 질산의 혼합물에 의해 쉽게 산화되지만, 흑연은 서서히 산화된다. 다이아몬드는 이와 같이 강한 산화제에 의해서도 거의 침식되지 않는다. 흑연은 산소 속에서 600∼700℃로 가열하면 이산화탄소가 된다. 다이아몬드는 공기를 차단하여 2000℃로 강하게 가열하면 흑연이 되는데, 공기 중에서는 700∼900℃에서 연소한다. 탄소의 전기음성도(電氣陰性度)는 2.5로 중간 정도의 값을 가지며, 금속이나 금속성 원소와 결합하여 탄소화물을 만들고 이산화탄소·이황화탄소·사염화탄소 및 각종 탄산염 등의 무기화합물도 생성하는데, 가장 큰 특징은 방대한 수의 각종 유기화합물을 만드는 일이다. 이것은 탄소가 가장 전형적인 비금속원소이므로 같은 원소의 원자끼리 이어져서 결합하는 현상, 즉 연쇄현상을 나타내기 때문이다. 이 경향은 전체 원소 중에서 탄소가 가장 강하여, 일반적으로는 주기율표 중에서의 위치가 탄소에서 먼 원소일수록 이 현상이 감소된다. 이 탄소-탄소의 사슬을 만드는 능력이 유기화학의 넓은 분야를 여는 것이 된다. 전체 원소 가운데 관련되는 화합물의 수효가 가장 많은 것은 수소이지만, 탄소도 그에 버금가는 것이다.
공업적으로 각종 탄소제품이 만들어지고 있는데 원료로서는 보통 석탄·석유·천연가스·천연흑연 등이 쓰이고 목적에 따라 합성고분자 등도 쓰인다. 비결정성 탄소로서는 카본블랙과 활성탄이 가장 많이 만들어진다. 카본블랙은 자동차 타이어를 비롯하여 각종 고무의 충전제로 쓰이고 인쇄 잉크로도 쓰이는데, 주로 천연가스나 석유의 불완전연소로 만들어진다. 활성탄은 음료수 등의 정수, 식품공업 등에서 탈색 등의 흡착제로서 널리 쓰이는데, 각종 목재, 야자껍데기, 석탄 등에 공기를 차단하고 600∼900℃로 가열하여 탄화시킨 다음, 염화아연 등의 금속염화물을 작용시켜서 활성화(賦活)하여 만든다. 그리고 최근에는 유리상 탄소와 탄소섬유가 가장 널리 만들어져 쓰이고 있다. 유리상 탄소는 유기물의 고체상 열분해로 만들어지는 경질탄소로 겉보기나 단면은 유리 모양이다. 흑연 구조의 발달이 극단적으로 억제되어 있어서 등방성(等方性)·불통기성(不通氣性)이며, 밀도가 작아(1.4∼1.6g/㎤) 발열체·도가니·보호관·판자·지그(jig) 등으로 용도가 개발되고 있다. 유리상 탄소섬유는 극히 강한 기계성·내마모성 등이 있어 항공기·선박·기계·건축 등의 각종 공사용으로 쓰이고 있다. 또 흑연은 천연산 뿐 아니라 인조품도 대량으로 만들어져, 탄소전극 및 발열체로서 널리 쓰이고 있다. 흑연전극의 주원료는 석유코크스이며, 탄소전극에는 하소 무연탄, 전해판에는 피치코크스 등이 쓰이는데, 이들을 분쇄하여 성형·소성(燒成)하면 만들어진다. 이 밖에도 흑연은 내화물, 전기용 브러시 등으로도 쓰인다. 인조 다이아몬드는 주로 공업용 연삭숫돌 등으로 쓰인다.