탄소 화합물은 탄소 원자를 기본으로 하여 다른 원자들과 결합하여 생성되는 다양한 화합물을 의미한다. 탄소는 최대 4개의 결합을 형성할 수 있어 다양한 구조와 성질을 가진 화합물을 만들 수 있으며, 분자 내 탄소 원자 수에 따라 끓는점이 달라진다. 탄소 화합물은 할로겐화물, 산화물, 황화물, 질화물 등 다양한 종류가 있으며, 탄소의 동소체로는 다이아몬드, 흑연, 풀러렌 등이 있다. 또한, 탄소와 금속의 결합으로 이루어진 탄화물과 탄소를 포함하는 합금도 존재하며, 강철을 비롯한 다양한 금속 제련 과정에서 탄소가 활용된다. 유기 화합물은 탄소를 포함하는 화합물로, 과거에는 생명체에서만 생성된다고 여겨졌으나 현재는 실험실에서도 합성되며, 탄소-산소, 탄소-황, 탄소-질소 화합물 등 무기 탄소 화합물도 존재한다.
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탄소 화합물 - 클로로포름 클로로포름은 화학식 CHCl3을 갖는 무색의 휘발성 액체 유기 화합물로, 마취 효과가 있어 과거에 마취제로 사용되었으나 독성 문제로 현재는 냉매 생산, 유기 용매 등으로 사용되며, 발암 가능성과 유독 물질 생성 위험으로 취급에 주의가 필요하고 사용을 줄이는 추세이다.
탄소 화합물 - 퍼플루오로데칼린 퍼플루오로데칼린은 파울러 공정을 통해 만들어지는 불활성 불소화 탄소로, 높은 산소 용해 능력 덕분에 액체 호흡, 상처 치유, 장기 보존 등의 의료 분야와 인공 혈액, 용매, 세포 배양, 현미경 이미징 등 다양한 분야에서 활용된다.
탄소 화합물
개요
정의
탄소를 주성분으로 하는 화합물
예시
메탄 에탄올 벤젠 아세트산 단백질 DNA
특징
매우 다양한 종류 존재 생명체의 기본 구성 성분 연소 가능 중합 통해 거대 분자 형성 가능
분류
주요 분류
유기 화합물: 탄소를 포함하는 화합물 (일산화 탄소, 이산화 탄소, 탄산염 등 일부 예외 존재) 무기 화합물: 탄소를 포함하지 않는 화합물 (일반적으로 광물, 염, 산, 염기 등)
유기 화합물 세부 분류
탄화수소: 탄소와 수소로만 구성 (예: 메탄, 에탄, 벤젠) 알코올: 하이드록시기(-OH) 포함 (예: 에탄올, 메탄올) 카르복시산: 카르복시기(-COOH) 포함 (예: 아세트산, 폼산) 에스터: 카르복시산 유도체 (예: 아세트산 에틸) 아민: 질소를 포함하는 유기 화합물 (예: 아닐린) 아미드: 카르복시산과 아민 반응 생성물 (예: 아세트아미드) 고분자: 반복되는 단위체로 구성된 거대 분자 (예: 폴리에틸렌, 단백질, DNA)
성질
일반적인 성질
공유 결합: 탄소 원자는 다른 원자와 공유 결합 형성 용이 사슬형, 고리형 구조 형성 가능 이성질체: 동일한 분자식을 가지지만 다른 구조를 가지는 화합물 존재 반응성: 작용기에 따라 다양한 화학 반응 참여
존재
자연
생체 분자: 생명체의 구성 성분 (탄수화물, 단백질, 지질, 핵산) 화석 연료: 석탄, 석유, 천연 가스 (탄화수소) 광물: 탄산염 광물 등
인공
플라스틱: 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등 의약품: 아스피린, 페니실린 등 농약: 유기 염소계 농약, 유기 인계 농약 등 염료: 아조 염료, 안트라퀴논 염료 등
용도
에너지원
연료 (석탄, 석유, 천연 가스)
재료
플라스틱, 섬유
의약품
각종 질병 치료제
농업
농약, 비료
화학 산업
다양한 화학 제품 생산 원료
주의사항
독성
일부 탄소 화합물은 독성을 가질 수 있음 (예: 사이안화 수소)
환경 오염
일부 탄소 화합물은 환경 오염 유발 가능 (예: 온실 기체, 잔류성 유기 오염 물질)
화재 위험
대부분의 유기 화합물은 가연성이므로 화재에 주의 필요
관련 정보
관련 학문
유기화학 생화학 고분자화학
2. 탄소 화합물의 특성
탄소 원자는 원자가 전자가 4개이므로 다른 원자들과 최대 4개의 결합을 형성할 수 있다. 이러한 특성으로 인해 탄소 화합물은 다양한 구조를 만들 수 있다. 분자 한 개당 탄소 수가 많을수록 끓는점이 높아진다. 또한, 분자를 구성하는 원자의 종류와 수가 같더라도 구조에 따라 다른 성질을 나타낼 수 있다.
2. 1. 탄소 화합물의 다양성
탄소 원자는 원자가 전자 수가 4이기 때문에 다른 원자들과 최대 4개의 결합을 형성하면서 다양한 구조를 만들 수 있어 탄소 화합물이 다양하다.
분자 한 개당 탄소 수가 많을수록 끓는점이 높다. 또 분자를 구성하는 원자의 종류와 수가 같아도 구조에 따라 다른 성질을 나타낼 수 있다.[1]
2. 2. 물리적 성질
탄소 원자는 원자가 전자가 4개이므로 다른 원자들과 최대 4개의 결합을 형성하면서 다양한 구조를 만들 수 있어 탄소 화합물이 다양하다.
분자 한 개당 탄소 수가 많을수록 끓는점이 높다. 또 분자를 구성하는 원자의 종류와 수가 같아도 구조에 따라 다른 성질을 나타낼 수 있다.
3. 탄소의 동소체
탄소의 동소체(다이아몬드, 흑연, 풀러렌)를 다루는 무기 화학은 1985년 버크민스터풀러렌이 발견되면서 크게 발전했으며, 이후 추가적인 풀러렌과 그 유도체들이 발견되었다.
3. 1. 주요 동소체
탄소의 알려진 무기 화학, 즉 탄소의 동소체(다이아몬드, 흑연, 풀러렌)는 1985년 버크민스터풀러렌의 발견과 함께 발전했으며, 추가적인 풀러렌과 다양한 유도체들이 발견되었다. 그러한 유도체 종류 중 하나는 포접 화합물로, 이온이 풀러렌의 탄소 껍질에 둘러싸인 형태이다. 이러한 포접은 내포 풀러렌에서 "@" 기호로 표시된다. 예를 들어, 버크민스터풀러렌 내에 갇힌 리튬 이온으로 구성된 이온은 Li+@C60으로 표시된다. 다른 이온 화합물과 마찬가지로, 이 복합 이온은 원칙적으로 반대 이온과 쌍을 이루어 염을 형성할 수 있다. 다른 원소들도 흑연 삽입 화합물에 통합된다.
3. 2. 내포 풀러렌
풀러렌의 유도체 종류 중 하나는 포접 화합물로, 이온이 풀러렌의 탄소 껍질에 둘러싸인 형태이다. 이러한 포접은 내포 풀러렌에서 "@" 기호로 표시된다. 예를 들어, 버크민스터풀러렌 내에 갇힌 리튬 이온으로 구성된 이온은 Li+@C60으로 표시된다. 다른 이온 화합물과 마찬가지로, 이 복합 이온은 원칙적으로 반대 이온과 쌍을 이루어 염을 형성할 수 있다. 다른 원소들도 소위 흑연 삽입 화합물에 통합된다.
3. 3. 흑연 삽입 화합물
흑연은 풀러렌과 같이 다양한 유도체들이 발견되었는데, 그 중 하나는 포접 화합물이다. 포접 화합물은 이온이 풀러렌의 탄소 껍질에 둘러싸인 형태이다. 이러한 포접은 내포 풀러렌에서 "@" 기호로 표시된다. 예를 들어, 버크민스터풀러렌 내에 갇힌 리튬 이온은 Li+@C60으로 표시된다. 다른 이온 화합물과 마찬가지로, 이 복합 이온은 원칙적으로 반대 이온과 쌍을 이루어 염을 형성할 수 있다. 다른 원소들도 흑연 삽입 화합물에 통합된다.[1]
4. 탄화물
탄화물은 탄소보다 전기음성도가 낮은 원소와 탄소의 이원 화합물이다. 탄화물은 결합 특성에 따라 이온성, 공유 결합성, 침입형 탄화물로 분류할 수 있다.
탄화 수소는 탄소(C) 원자와 수소(H) 원자로만 이루어진 탄소 화합물이다. 유기 화합물은 일반적으로 탄소 원자를 포함하는 화합물을 의미한다.[4]
5. 1. 유기 화합물의 역사
과거에는 유기 화합물은 살아있는 유기체에 의해서만 생성될 수 있다고 생각했다. 그러나 시간이 지나면서 과학자들은 실험실에서 유기 화합물을 합성하는 방법을 배우게 되었다. 유기 화합물의 수는 방대하며, 알려진 화합물의 수는 약 1,000만 개에 달한다.[4] 그러나 이론적으로는 무한히 많은 수의 이러한 화합물이 가능하다.
정의상, 유기 화합물은 적어도 하나의 탄소 원자를 포함해야 하지만, 이 기준은 일반적으로 충분하다고 여겨지지 않는다. 실제로 유기 화합물과 무기 화합물의 구분은 궁극적으로 관습의 문제이며, 다음과 같이 양쪽으로 분류된 여러 화합물이 있다.
과거에는 유기 화합물은 살아있는 유기체에 의해서만 생성될 수 있다고 생각했다. 그러나 시간이 지나면서 과학자들은 실험실에서 유기 화합물을 합성하는 방법을 배우게 되었다. 유기 화합물의 수는 방대하며, 알려진 화합물의 수는 약 1,000만 개에 달한다.[4] 그러나 이론적으로는 무한히 많은 수의 이러한 화합물이 가능하다.
정의상, 유기 화합물은 적어도 하나의 탄소 원자를 포함해야 하지만, 이 기준은 일반적으로 충분하다고 여겨지지 않는다. 실제로 유기 화합물과 무기 화합물의 구분은 궁극적으로 관습의 문제이며, 양쪽으로 분류된 여러 화합물에는 다음이 있다.
탄소에는 산소 화합물(옥소탄소)이 많이 있는데, 가장 흔한 것은 이산화 탄소(CO2)와 일산화 탄소(CO)이다. 잘 알려지지 않은 산화물로는 아산화 탄소(C3O2)와 멜리트산 무수물(C12O9)이 있다.[5] 이산화이탄소(C2O), 옥살산 무수물(C2O4), 삼산화 탄소(CO3)와 같이 불안정하거나 찾기 어려운 산화물도 있다.
6. 1. 1. 옥소탄소 음이온
산소와 탄소로만 구성된 음이온인 옥소탄소 음이온이 있다. 가장 흔한 것은 탄산염(CO32−)과 옥살산염(C2O42−)이다. 이에 해당하는 산은 매우 불안정한 탄산(H2CO3)과 비교적 안정적인 옥살산(H2C2O4)이다. 이러한 음이온은 부분적으로 탈양성자화되어 중탄산염(HCO3−) 및 수소옥살산염(HC2O4−)을 생성할 수 있다. 아세틸렌다이카르복실산염(O2C–C≡C–CO22−), 멜리테이트(C12O96−), 스퀘어산(C4O42−) 및 로디조네이트(C6O62−)와 같은 다른 더 이국적인 탄소-산소 음이온도 존재한다. 이러한 산의 일부 무수물은 탄소의 산화물이다. 예를 들어 이산화 탄소는 탄산의 무수물로 볼 수 있다.
옥소탄소 음이온은 산소와 탄소로만 구성된 음이온이다. 가장 흔한 것은 탄산염(CO32−)과 옥살산염(C2O42−)이다. 이에 해당하는 산은 매우 불안정한 탄산(H2CO3)과 비교적 안정적인 옥살산(H2C2O4)이다. 이러한 음이온은 부분적으로 탈양성자화되어 중탄산염(HCO3−) 및 수소옥살산염(HC2O4−)을 생성할 수 있다. 아세틸렌다이카르복실산염(O2C–C≡C–CO22−), 멜리테이트(C12O96−), 스퀘어산(C4O42−) 및 로디조네이트(C6O62−)와 같은 다른 더 이국적인 탄소-산소 음이온도 존재한다. 이러한 산의 일부 무수물은 탄소의 산화물이다. 예를 들어 이산화 탄소는 탄산의 무수물로 볼 수 있다.
시안화물, 시안산염, 풀민산염, 티오시안산염 및 시아나미드 다원자 이온의 무기 염 및 착물은 탄소를 포함하는 무기 화합물이다. 시안화물의 예로는 시안화 구리 (CuCN)와 시안화 칼륨 (KCN)이 있고, 시안산염의 예로는 시안산 칼륨 (KNCO)과 시안산 은 (AgNCO)이 있으며, 풀민산염의 예로는 풀민산 은 (AgOCN)과 풀민산 수은 (HgOCN)이 있고, 티오시안산염의 예로는 티오시안산 칼륨 (KSCN)이 있다.
6. 4. 할로젠화 탄소
할로젠화 탄소는 유기물로 보기도 하고 무기물로 보기도 하는 물질이다.
일반적인 탄소 할로젠 화합물에는 사플루오린화 탄소(CF4), 사염화 탄소(CCl4), 사브롬화 탄소(CBr4), 사아이오딘화 탄소(CI4)를 비롯하여 수많은 다른 탄소-할로젠 화합물이 있다.
탄소를 함유한 수백 가지의 합금이 존재한다. 이 중 가장 흔한 것은 "탄소강"이라고도 불리는 강철(:분류:강철)이다. 모든 종류의 강철은 정의상 일정량의 탄소를 포함하며, 모든 철 합금은 어느 정도의 탄소를 함유하고 있다.
철과 탄소를 기반으로 하는 다른 일반적인 합금으로는 무연탄철, 주철, 선철, 연철 등이 있다. 더 전문적인 용도로는 철, 망가니즈, 탄소의 합금인 스피겔아이젠과 코발트, 크롬, 텅스텐, 탄소의 합금인 스텔라이트가 있다.
의도적으로 넣었는지 여부와 상관없이, 알루미늄, 크롬, 마그네슘, 몰리브덴, 니오브, 토륨, 티타늄, 텅스텐, 우라늄, 바나듐, 아연, 지르코늄 등의 일반적인 금속과 그 합금에서도 소량의 탄소가 발견된다. 예를 들어, 이러한 금속 중 다수는 탄소의 한 형태인 코크스로 제련되며, 알루미늄과 마그네슘은 탄소 전극을 사용하는 전해조에서 만들어진다. 이러한 모든 금속에 탄소가 어느 정도 분포되는 것은 불가피하다.
7. 1. 철-탄소 합금
탄소를 함유한 수백 가지의 합금이 존재한다. 이 합금들 중 가장 흔한 것은 "탄소강"이라고도 불리는 강철이다(:분류:강철 참조). 모든 종류의 강철은 정의상 일정량의 탄소를 포함하며, 모든 철 합금은 어느 정도의 탄소를 함유하고 있다.
철과 탄소를 기반으로 하는 다른 일반적인 합금으로는 무연탄철, 주철, 선철, 연철 등이 있다.
더 전문적인 용도로는 철, 망가니즈, 탄소의 합금인 스피겔아이젠과 코발트, 크롬, 텅스텐, 탄소의 합금인 스텔라이트가 있다.
7. 2. 기타 합금
탄소를 함유한 수백 가지의 합금이 존재한다. 이 중 가장 흔한 것은 "탄소강"이라고도 불리는 강철이다(:분류:강철 참조). 모든 종류의 강철은 정의상 일정량의 탄소를 포함하며, 모든 철 합금은 어느 정도의 탄소를 함유하고 있다.
철과 탄소를 기반으로 하는 다른 일반적인 합금으로는 무연탄철, 주철, 선철, 연철 등이 있다.
더 전문적인 용도로는 철, 망가니즈, 탄소의 합금인 스피겔아이젠과 코발트, 크롬, 텅스텐, 탄소의 합금인 스텔라이트가 있다.
의도적으로 넣었는지 여부와 상관없이, 알루미늄, 크롬, 마그네슘, 몰리브덴, 니오브, 토륨, 티타늄, 텅스텐, 우라늄, 바나듐, 아연, 지르코늄 등의 일반적인 금속과 그 합금에서도 소량의 탄소가 발견된다. 예를 들어, 이러한 금속 중 다수는 탄소의 한 형태인 코크스로 제련되며, 알루미늄과 마그네슘은 탄소 전극을 사용하는 전해조에서 만들어진다. 이러한 모든 금속에 탄소가 어느 정도 분포되는 것은 불가피하다.
7. 3. 금속 제련과 탄소
탄소강이라고도 불리는 강철은 탄소를 함유한 가장 흔한 합금이다. 모든 종류의 강철은 정의상 일정량의 탄소를 포함하며, 모든 철 합금은 어느 정도의 탄소를 함유하고 있다.
철과 탄소를 기반으로 하는 다른 일반적인 합금으로는 무연탄철, 주철, 선철, 그리고 연철 등이 있다.
더 전문적인 용도로는 철, 망가니즈, 탄소의 합금인 스피겔아이젠과 코발트, 크롬, 텅스텐, 탄소의 합금인 스텔라이트가 있다.
알루미늄, 크롬, 마그네슘, 몰리브덴, 니오브, 토륨, 티타늄, 텅스텐, 우라늄, 바나듐, 아연, 그리고 지르코늄과 같은 금속과 그 합금에서도 소량의 탄소가 발견된다. 예를 들어, 이러한 금속 중 다수는 탄소의 한 형태인 코크스로 제련되며, 알루미늄과 마그네슘은 탄소 전극을 사용하는 전해조에서 만들어진다. 이러한 모든 금속에 탄소가 어느 정도 분포되는 것은 불가피하다.
참조
[1]
서적
Organic Chemistry
[2]
서적
Encyclopedia of Inorganic Chemistry
[3]
서적
Advanced Inorganic Chemistry
[4]
웹사이트
Carbon
http://periodic.lanl[...]
Los Alamos National Laboratory
2003-12-15
[5]
문서
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