[7강 물질] 탄소와 유기화합물

1. 탄소와 탄소화합물

 탄소는 인체를 구성하고, 우주에서는 6번째로 풍부한 원소이다. 탄소는 자연상태에서도 유용하지만, 산업적으로 많이 응용되기 때문에 탄소와 탄소 화합물에 대한 연구는 지속되고 있다.

 

(1) 자연에서의 탄소

 탄소는 다양한 형태의 동소체로 자연에 존재하는데, 예를 들어 다이아몬드, 흑연, 비결정성탄소 등이 있다. 탄소가 이러한 다양한 물질을 이룰 수 있는 것은 탄소의 원자 구조 때문이다. 탄소의 원자 번호는 6번으로, 6개의 양성자와 6개의 전자를 가지고 있다. 6개의 전자는 두 개의 전자껍질 속에 들어가는데, 전자 두 개는 핵에서 가장 가까운 전자껍질에, 나머지 전자 네 개는 가장 바깥쪽 전자 껍질 속에 있다. (이를 원자가 전자껍질이라 한다.) 원자가 전자껍질은 8개까지 전자를 가질 수 있기 때문에 탄소는 4개의 빈 자리를 가진 셈인데, 이는 탄소가 네 개의 다른 원자와 공유결합함으로써 전자를 채울 수 있음을 의미한다. 또한 탄소끼리는 서로 결합하여 긴 탄소사슬을 형성할 수 있는 능력도 가지고 있는데, 이런 능력로 탄소는 인체의 복잡한 화합물의 뼈대를 이루는 중요한 구성원소가 된다.

 

수많은 구조로 변형될 수 있는 탄소. 원자가 전자에 4개의 빈 자리를 가진 덕이라고 한다.

 광합성에서 반응과 생성물은 모두 탄소 화합물을 포함한다. 인체에 에너지를 공급하는 탄수화물도 탄소 사슬로 이루어져 있다. 탄소가 '생명의 원소'라 불리는 이유이다.

 

(2) 산업적으로 응용되는 탄소

 탄소를 이용하는 산업 분야는 매우 광범위하다. 의약품이나 음식, 의류, 연료 등등 어디에나 찾아볼 수 있다. 자연적인 형태 중에서는 다이아몬드를 가장 널리 이용하는데, 단순 장식품을 넘어 축음기 바늘과 해부용 칼, 드릴 날 등으로도 사용된다. 이는는 단단한함과 내구성 덕분이다. 플러렌은 60개의 탄소 원자들이 구 형태로 배열된 탄소의 동소체로 광학과 반도체에 쓰이며, 질병을 치료할 때 약품전달 시스템으로 응용될 수 있어 나노 의학에서 커다란 잠재성을 가지고 있다.

 

2. 유기 화합물

 '유기'라는 말은 19세기에 처음 사용되었는데, 생물체로부터 만들어진 화합물과 그렇지 않은 것을 구분하기 위함이었다. 유기 화합물은 탄소-수소 결합을 가진 화합물을 뜻한다. 위의 사진에서도 보다시피 다양한 화합물을 구성할 수 있는 탄소의 특성으로 인해 유기 화합물의 수는 헤아릴 수 없을만큼 많다. 탄소는 두 원자가 거의 동등하게 전자를 공유하는 공유결합을 하는데, 이는 매우 안정적인 특징이 있다. 생명체의 핵심 기능은 큰 유기 분자를 합성하는 것인데, 탄소는 이런 기능에 아주 특화되어있다고 볼 수 있다.

 

 우리가 일상에서 흔히 접하는 유기 화합물의 대부분은 석유에서 만들어진 것이다. 이러한 유기 화합물은 흔히 석유 화학제품이라고 불린리는데, 자동차 엔진은 물론 의류에서도 볼 수 있다. 이뿐만 아니다. 플라스틱, 핸드로션, 렌즈, 알레르기 치료제 등도 무수한 석유 화학제품이다. 원유에는 수백 가지의 유기 화학 물질이 들어있어서, 분별 증류라는 정제 과정을 통해 서로 다른 화학 성분들을 분리한다. (각 유기 화합물 사이의 끓는점 차이를 이용한다.)

 

출처: 금성출판사 / 끓는점의 차이를 이용한 원유의 분별증류 과정이다.