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탄소

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목차

1. 개요

탄소는 숯의 형태로 오래전부터 사용되어 온 원소로, 'carbo'라는 라틴어에서 유래된 이름을 가지며, 흑연, 다이아몬드, 풀러렌, 그래핀 등 다양한 동소체를 갖는다. 탄소는 헬륨의 핵융합을 통해 생성되며, 우주에서 네 번째로 풍부한 원소이다. 탄소는 지구의 지각, 해양, 대기, 생물권 등 다양한 곳에 분포하며, 탄소 순환을 통해 환경 내에서 끊임없이 이동한다. 탄소는 12C, 13C, 14C 등 여러 동위원소를 가지며, 특히 14C는 방사성 탄소 연대 측정에 활용된다. 탄소와 그 화합물은 강철, 연필심, 연료, 보석, 플라스틱 등 다양한 용도로 사용되며, 유기 화합물의 기본 골격을 이루며 생명체 구성에 필수적인 역할을 한다.

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탄소
기본 정보
흑연과 다이아몬드
탄소의 동소체, 흑연(좌)과 다이아몬드(우)
이름탄소
영어 이름Carbon
프랑스어 이름Carbone
독일어 이름Kohlenstoff
라틴어 어원""에서 유래, '석탄'을 의미
일본어 이름炭素
로마자 표기탄소 (Tanso)
원소 기호C
원자 번호6
CAS 등록 번호atomic carbon: 7440-44-0
graphite: 7782-42-5
diamond: 7782-40-3
발견 시기고대 이집트와 수메르인들이 발견 (기원전 3750년경)
원소로 인식앙투안 라부아지에 (1789년)
물리적 성질
전자 배치[He] 2s 2p
껍질 당 전자 수2, 4
상태고체
밀도 (g/cm³)흑연: 2.266
다이아몬드: 3.515
비정질: 1.8–2.1
승화점K: 3915
°C: 3642
°F: 6588
삼중점K: 4600
kPa: 10,800
융해열 (흑연)117 kJ/mol
열용량흑연: 8.517 J/(mol·K)
다이아몬드: 6.155 J/(mol·K)
전기 음성도2.55
이온화 에너지 (kJ/mol)1차: 1086.5
2차: 2352.6
3차: 4620.5
원자 반경sp³: 77 pm
sp²: 73 pm
sp: 69 pm
반데르발스 반경170 pm
결정 구조흑연: 단순 육방정계
다이아몬드: 다이아몬드 입방정계
격자 상수 (흑연)a = 246.14 pm
c = 670.94 pm (20 °C)
격자 상수 (다이아몬드)a = 356.707 pm (20 °C)
자기 정렬반자성
전기 저항흑연: 7.837 µΩ·m
열전도율 (W/(m·K))흑연: 119–165
다이아몬드: 900–2300
열팽창 계수 (다이아몬드)0.8 (25 °C)
음속 (다이아몬드)18,350 m/s
영률 (다이아몬드)1050 GPa
전단 탄성률 (다이아몬드)478 GPa
체적 탄성률 (다이아몬드)442 GPa
포아송 비 (다이아몬드)0.1
모스 경도흑연: 1–2
다이아몬드: 10
화학적 성질
산화수3, 4, 2, 1, 0, −1, −2, −3, −4
동위 원소
동위 원소 수15
주요 동위 원소탄소-12: 98.9%
탄소-13: 1.1%
탄소-14: 1.2×10⁻⁸%
탄소-14 반감기5730 년
탄소-14 붕괴 방식β⁻

2. 역사

탄소는 숯의 형태로 유사 이전부터 사용되어 왔다. "carbon"이라는 이름은 숯을 뜻하는 라틴어 ''carbo''에서 유래했으며, 프랑스 화학자 기통 드 모르보가 명명하였다.[146] 한자어 '탄소(炭素)'는 독일어 'Kohlenstoff'에서 유래하였으며, 우다가와 료안의 저서 『세미카이소』에서 처음 사용된 것으로 여겨진다.

젊은 시절의 앙투안 라부아지에(Antoine Lavoisier)


칼 빌헬름 셸레(Carl Wilhelm Scheele)


고대 중국에서는 기원전 2500년경부터 다이아몬드가 알려져 있었고,[101][102] 고대 로마에서는 나무로부터 목탄을 얻었으며, 고대 이집트에서도 나무를 태워 목탄을 만드는 방법이 사용되었다.[151][152]

1722년 르네 앙투안 르슈르(René-Antoine Ferchault de Réaumur)는 철이 강으로 변환될 때 탄소를 흡수한다는 것을 보였다.[103] 1772년 앙투안 라부아지에(Antoine-Laurent de Lavoisier)는 다이아몬드가 탄소의 한 형태임을 증명했다. 그는 목탄과 다이아몬드를 태워 물이 생성되지 않고 무게 비율이 같은 이산화 탄소를 방출한다는 것을 확인했다. 1779년 칼 빌헬름 셸레(Carl Wilhelm Scheele)는 흑연이 납의 한 형태가 아니라 탄소의 한 형태임을 보였다.[104][154] 1786년 프랑스 과학자 클로드 루이 베르톨레(Claude Louis Berthollet), 가스파르 몽주(Gaspard Monge) 등은 흑연이 대부분 탄소로 구성되어 있음을 확인했다.[155] 앙투안 라부아지에는 1789년 자신의 저서에서 탄소를 원소로 목록에 올렸다.[154]

1985년 새로운 탄소의 동소체인 풀러렌이 발견되었고,[156] 이후 버키볼, 탄소나노튜브와 같은 나노구조체도 발견되었다.[157] 이러한 발견으로 로버트 컬(Robert Curl), 해롤드 크로토(Harold Kroto), 리처드 스몰리(Richard Smalley)는 1996년 노벨 화학상을 수상했다.[158]

3. 생성

탄소 원자핵은 거성 또는 초거성 내부에서 삼중 알파 과정을 통해 만들어진다. 이 과정은 세 개의 알파 입자(헬륨 핵)가 거의 동시에 충돌해야 하는 과정이다. 헬륨과 수소 또는 다른 헬륨 핵의 핵융합 반응으로 리튬-5와 베릴륨-8이 생성되는데, 이들은 모두 매우 불안정하여 거의 즉시 더 작은 핵으로 붕괴된다.[70] 삼중 알파 과정은 1억 켈빈 이상의 온도와 헬륨 농도를 필요로 하는데, 빅뱅 당시에는 초기 우주의 급격한 팽창과 냉각 때문에 탄소가 거의 생성되지 않았다.

CNO 순환은 별에 에너지를 공급하는 또 다른 수소 융합 메커니즘으로, 이 과정에서 탄소는 촉매 역할을 한다.

3. 1. 원시 탄소

탄소의 일부는 대폭발 핵합성 과정에서 생성되었다. 이탈리아의 천체 물리학자 파비오 이오코의 계산에 따르면, 대폭발 핵합성 과정에는 100개 이상 가능한 핵반응 경로들이 포함되었으며, 이 시기에 탄소, 질소, 산소가 만들어질 수 있었다. 비록 450경 개의 수소 원자핵마다 1개의 탄소-12 원자핵이 나타나 우주의 후속 진화에 영향을 미치기에는 너무 적었지만, 대폭발 핵합성 과정에서 생성된 1064개 이상의 원시 탄소 원자는 지금도 우주 전체에 우주 먼지와 가스로 흩어져 있다.[214]

3. 2. 항성 탄소

현재 우주에 존재하는 대부분의 탄소는 별(항성) 내부의 핵융합 반응을 통해 생성되었다.[215] 별은 주로 수소로 이루어져 있는데, 별 내부의 높은 온도와 압력으로 인해 수소 원자핵들이 융합하여 헬륨을 생성하는 '수소 연소' 반응이 일어난다. 별의 핵 주변 수소 대부분이 헬륨으로 변환되면, '헬륨 연소' 반응이 시작되는데, 이 과정에서 베릴륨을 거쳐 탄소가 만들어진다. 이 과정을 밝혀낸 사람은 영국의 천문학자 프레드 호일이다.[215]

베릴륨-8은 매우 불안정하여 금방 분해되지만, 탄소-12 핵이 특정 에너지 준위(7.68 메가볼트)에서 공명하는 특성(호일 상태) 덕분에 베릴륨-8이 붕괴하기 전에 빠르게 알파 입자를 포획하여 탄소-12가 생성될 수 있다. 호일은 이러한 삼중 알파 과정이 특정 조건에서 탄소-12 생성 속도를 약 10억 배 증가시킬 수 있다고 추정했고, 이후 호일 상태가 실제로 확인되었다.[216]

거성이나 초거성 내부에서는 세 개의 알파 입자(헬륨 핵)가 거의 동시에 충돌하는 삼중 알파 과정을 통해 탄소 원자핵이 생성된다.[70] 이 과정은 1억 켈빈 이상의 온도와 높은 헬륨 농도를 필요로 한다.[70]

CNO 순환은 별의 에너지 생성에 기여하는 또 다른 수소 융합 메커니즘으로, 이 과정에서 탄소는 촉매 역할을 한다.

이러한 핵융합 과정을 통해 우주의 탄소 농도는 점차 증가하여, 결국 수소 원자 1000개당 약 5개 비율의 탄소 원자가 존재하게 되었고, 탄소는 우주에서 네 번째로 풍부한 원소가 되었다.

3. 3. 우주 탄화

별 내부에서 생성된 탄소는 항성풍이나 초신성 폭발 등을 통해 우주 공간으로 방출된다. 이를 우주 탄화 과정이라고 부른다. 태양 정도 크기의 별은 마지막에 백색왜성이 되면서 탄소 알갱이가 별에 갇히지만, 태양보다 큰 별은 초신성 폭발로 탄소를 비롯한 다양한 원소를 우주로 방출한다.[217][218]

거성이나 초거성 내부에서는 삼중 알파 과정을 통해 탄소 원자핵이 생성된다. 이 과정은 세 개의 알파 입자(헬륨 핵)가 거의 동시에 충돌해야 한다. 헬륨과 수소 또는 다른 헬륨 핵의 추가적인 핵융합 반응으로 리튬-5와 베릴륨-8이 생성되는데, 이들은 매우 불안정하여 곧바로 더 작은 핵으로 붕괴된다.[70] 삼중 알파 과정은 1억 켈빈 이상의 온도와 헬륨 농도가 필요한데, 빅뱅 당시에는 초기 우주의 급격한 팽창과 냉각 때문에 탄소가 거의 생성되지 않았다.

현재의 우주론 이론에 따르면, 탄소는 수평 가지에 있는 별의 내부에서 생성된다.[71] 거대한 별이 초신성으로 생을 마감하면 탄소는 우주 공간으로 먼지 형태로 흩어진다. 이 먼지는 행성을 가진 차세대 항성계 형성에 필요한 물질이 된다.[48][72] 태양계는 탄소가 풍부하여 생명체가 존재할 수 있는 항성계 중 하나이다. 대부분의 학자들은 태양계와 은하수의 모든 탄소가 죽어가는 별에서 온다고 생각한다.[73][74][75]

CNO 순환은 별에 에너지를 공급하는 또 다른 수소 융합 메커니즘이며, 여기서 탄소는 촉매 역할을 한다.

4. 특성

탄소는 다양한 동소체를 가지며, 각 동소체는 고유한 물리적, 화학적 성질을 가진다. 탄소는 다른 원자들과 쉽게 결합하여 다양한 화합물을 형성하는데, 지금까지 발견된 화합물 대부분이 약 2억 개로 추정되는 탄소 화합물이다.[212] 탄소는 모든 원소 중 가장 높은 승화점을 가진다. 대기압에서는 삼중점이 및 에 있기 때문에 녹는점이 없으며, 약 에서 승화된다.[17][18]

흑연은 열역학적으로 안정하지만 비편재화된 π 결합 때문에 표준 조건에서 다이아몬드보다 반응성이 훨씬 크다. 예를 들어 표준 조건에서 높은 온도의 진한 질산은 흑연의 육각형 구조를 보존하는 대신 더 큰 구조를 분해하면서 흑연을 C6(CO2H)6의 멜리트산으로 산화시킨다.[221] 탄소는 약 의 탄소 아크로 승화한다. 따라서, 어떤 동소체든지 탄소는 텅스텐과 레늄 같은 가장 높은 녹는점을 가진 금속의 녹는점에서도 고체 상태를 유지한다. 열역학적으로 산화되기 쉬우나, 탄소는 철이나 구리 같이 표준 조건에서 약한 환원제로 작용하는 원소보다 산화에 더 효과적으로 저항한다.

탄소는 여섯 번째 원소로, 바닥 상태 전자 배열은 1s22s22p2이며 원자가 전자는 4개이다. 1~4차 이온화 에너지는 1086.5, 2352.6, 4620.5, 6222.7 kJ/mol로 3~7족의 같은 14족 원소보다 크다. 탄소의 전기음성도는 2.5로, 같은 14족 원소(1.8~1.9)보다 훨씬 크지만 대부분의 인근 비금속과 2~3주기의 전이 금속과 가까운 수치다. 탄소의 공유 반지름은 배위수와 결합한 원자에 따라 다양하지만 평균적으로 77.2 pm (C–C), 66.7 pm (C=C), 60.3 pm (C≡C)이다. 일반적으로 공유 반지름은 배위수가 낮을수록, 결합 차수가 높을 수록 감소한다.[222]

탄소 화합물은 지구상 모든 생물들의 삶에 근본적인 영향을 끼치며, 탄소-질소 순환은 태양과 여러 별들에 의해 만들어진 에너지를 제공해주는 역할을 한다. 다양한 화합물을 형성하지만 대체로 표준 조건에서는 상대적으로 반응성이 낮다. 표준 온도 압력에서 매우 강한 산화제를 제외하고는 반응성이 낮다. 황산, 염산, 염소, 그리고 다른 알칼리 금속과 반응하지 않는다. 고온에서 탄소는 산소와 반응하여 일산화 탄소를 형성하며, 금속 산화물을 환원시킨다. 이 발열 반응은 제철 산업에서 철을 제련하고 강철의 탄소 함량을 조절하기 위해 다음과 같이 쓰인다.

: + 4 C + 2 → 3 Fe + 4 .

탄소는 황과 반응시 이황화탄소를, 수증기와 반응시 일산화 탄소를 생성한다.

:C + HO → CO + H.

탄소는 고온에서 일부 금속과 결합하여 강철에서의 철 탄화물인 세멘타이트나, 연마제로나 바이트로 끝을 강화하는데 쓰이는 탄화텅스텐 같은 금속 탄화물을 형성한다.

물리학에서 탄소는 원자간의 상대 질량을 나타내는 기본 단위로서의 역할을 한다(12C, 즉 탄소 12를 12로 기준함. 이에 적용하면 수소 원자의 질량은 1이 됨).

자연에 미량으로 존재하는 14C(탄소 14)는 방사성 동위 원소로서 5730년의 반감기를 가지며 14N으로 변환된다. 이 현상을 이용하여 약 500~5만 년 정도의 화석이나 고고학적 표본의 연대를 측정하는 방사성 탄소 연대 측정법에 사용한다. 생물이 살아있을 때는 방사성 탄소도 계속 공급되다가 생물이 죽으면 더 이상 탄소가 공급되지 않아 방사성 탄소의 양이 더 이상 늘어나지 않고 14N로 변화한다.

4. 1. 동소체

탄소는 다양한 분자 배열을 가진 다원자 구조, 즉 동소체로 존재한다. 주요 동소체로는 비정질 탄소, 흑연, 다이아몬드, 풀러렌, 그래핀 등이 있다.

탄소 동소체: a) 다이아몬드; b) 흑연; c) 론스달라이트; d–f) 풀러렌 (C, C, C); g) 비정질 탄소; h) 탄소 나노튜브.


탄소 동소체는 서로 매우 다른 특성을 가지고 있다.

흑연은 매우 부드러운 물질 중 하나이다.인조 초고경도 다이아몬드는 매우 단단한 물질이다.[223]
흑연은 극평활 특성을 지녀 매우 좋은 평활제이다.[224]다이아몬드는 최고의 연마제이다.
흑연은 전기 전도체이다.[225]다이아몬드는 우수한 전기 절연체이며[226], 그 어떤 물질보다 최고의 파괴전계영역을 자랑한다.
흑연은 방화, 열 차폐 등으로 단열재로 쓰이기도 하지만, 어떤 구조로는 좋은 열 전도체로 쓰일 수도 있다.다이아몬드는 자연물 중에서는 알려진 가장 좋은 열전도체이다.
흑연은 불투명하다.다이아몬드는 매우 투명하다.
흑연은 육방정계 결정을 형성한다.[227]다이아몬드는 등축정계 결정을 형성한다.
비정질 탄소는 완벽한 등방성 광물이다.탄소 나노튜브는 가장 잘 알려진 이방성 광물 중 하나이다.


  • '''비정질 탄소''': 결정 구조를 이루지 못하고 불규칙한 비정질 상태로 존재하며, 숯, 카본 블랙(그을음), 활성탄의 주 재료이다.
  • '''흑연''': 육각형 고리 패턴을 형성하는 층상 구조를 가지며, 부드럽고 전기 전도성이 높다.
  • '''다이아몬드''': 사면체 결합을 하고 있는 입방체 구조로, 자연물 중 경도가 가장 높다.
  • '''풀러렌''': 흑연과 비슷한 구조를 가지지만 오각형 또는 칠각형 고리도 포함하여 구, 타원체, 원통 등의 형태로 존재한다. 버크민스터풀러렌(버키볼), 탄소 나노튜브(버키튜브), 탄소 나노돌기 등이 있다.
  • '''그래핀''': 원자가 육각형 격자로 배열된 2차원 탄소 시트로, 현재까지 실험적으로 검증된 가장 강한 물질이다.


이 외에도 론스달라이트, 유리상 탄소, 탄소 나노폼, 선형 아세틸렌성 탄소(카르빈), Q-탄소 등 다양한 동소체가 존재한다.

4. 1. 1. 비정질 탄소

탄소 원자들은 결정 구조를 이루지 못하고 불규칙한 비정질 상태로도 존재한다. 이때 탄소는 분말 형태이며, 숯, 카본 블랙(그을음), 활성탄의 주 재료이다.[241]

4. 1. 2. 흑연

흑연은 각 탄소 원자들이 방향족 탄화 수소에서처럼 삼각 평면 구조로 결합하여 육각형 고리 패턴을 형성하는 층상 구조를 가진다.[241] 이 판들은 약한 반데르발스 힘으로 결합되어 있어, 판들이 서로 미끄러지기 쉽고 충격에 약하다. 따라서 흑연은 부드럽고 쉽게 쪼개지는 특성을 보인다.

흑연의 각 탄소는 최외각 전자가 4개인데, 이 중 3개의 전자가 공유 결합에 참여하고 남은 1개의 전자는 π-오비탈 형태로 비편재화되어 전기 전도체가 된다.[225] 그러나 전자는 판 사이에서만 이동할 수 있어, 대부분의 금속보다 낮은 벌크(Bulk) 전기 전도도를 보인다. 이러한 비편재화는 실온에서 흑연이 다이아몬드보다 안정한 이유 중 하나이다.

흑연은 매우 부드러운 물질 중 하나이며, 극평활 특성을 지녀 매우 좋은 평활제로 사용된다.[224] 또한 불투명하며, 육방정계 결정을 형성한다.[227] 어떤 구조에서는 좋은 열 전도체로 쓰일 수 있지만, 방화, 열 차폐 등 단열재로 쓰이기도 한다.

상업적으로 이용 가능한 흑연 광상은 중국, 인도, 브라질, 북한 등 세계 여러 지역에 분포한다.[111] 흑연 광상은 변성암 기원으로, 편암, 편마암, 변성된 사암 및 석회암 등에서 발견된다.

천연 흑연에는 비정질, 박편 또는 결정질 박편, 맥상 또는 덩어리상의 세 가지 유형이 있다.

  • 비정질 흑연: 품질이 가장 낮고 가장 풍부하며, 저가 흑연 제품에 사용된다.
  • 박편 흑연: 비정질 흑연보다 덜 흔하고 품질이 더 높으며, 팽창성 흑연으로 가공되어 난연제 등 다양한 용도로 사용될 수 있다.
  • 맥상 또는 덩어리상 흑연: 가장 희귀하고 가치 있으며 품질이 가장 높은 천연 흑연 유형이다.


미국 지질조사국(USGS)에 따르면, 2010년 세계 천연 흑연 생산량은 110만 톤이었으며, 주요 생산국은 중국(80만 톤), 인도(13만 톤), 브라질(7만 6천 톤), 북한(3만 톤), 캐나다(2만 5천 톤) 등이다.

일상생활에서 흑연은 샤프펜슬 심 등으로 사용된다.[149]

4. 1. 3. 다이아몬드

2005년 다이아몬드 생산량


다이아몬드는 탄소 원자들이 사면체 결합을 하고 있는 동소체로, 규소, 게르마늄과 같은 입방체 구조를 하고 있다. 흑연보다 밀도가 두 배 가량 높다. 다이아몬드는 매우 강한 공유결합을 하고 있어, 자연물 중에서는 경도가 가장 높은 물질이다. 보석, 연마재, 절삭 공구 등에 사용된다.[223]

"다이아몬드는 영원하다"는 통념과는 달리, 다이아몬드는 STP 하에서 열역학적으로 불안정하며(Δf''G''°(다이아몬드, 298 K) = 2.9 kJ/mol[242]) 흑연으로 상전이한다.[211] 하지만 활성화 에너지 장벽이 매우 높아서 STP에서는 매우 느리게 일어나는 현상이다.

다이아몬드 공급망은 소수의 강력한 기업들이 통제하고 있으며, 전 세계적으로도 소수의 지역에 집중되어 있다. 다이아몬드 광석에서 실제 다이아몬드를 차지하는 비율은 매우 작다. 광석을 압쇄하는 과정에서 큰 다이아몬드가 파손되지 않도록 주의해야 하며, 이후에는 밀도에 따라 입자를 분류한다. 오늘날에는 X선 형광 분석법을 이용하여 다이아몬드가 풍부한 밀도 구간에서 다이아몬드를 찾아낸 후, 최종 분류 단계는 수작업으로 이루어진다. X선 사용이 보편화되기 전에는 그리스 벨트를 이용하여 분리했다. 다이아몬드는 광석의 다른 광물보다 그리스에 달라붙는 경향이 더 강하기 때문이다.[113]

역사적으로 다이아몬드는 인도 남부의 충적층에서만 발견되는 것으로 알려져 있었다.[114] 인도는 기원전 9세기경 발견된 이후[115] 18세기 중반까지 세계 다이아몬드 생산을 주도했지만, 18세기 후반에는 이러한 광산의 상업적 잠재력이 고갈되었고, 1725년 최초로 인도 외 지역 다이아몬드가 발견된 브라질에 그 자리를 내주었다.[116]

1차 광상(킴벌라이트와 람프로이트)의 다이아몬드 생산은 1870년대 남아프리카에서 다이아몬드 광산이 발견된 후에야 시작되었다. 생산량은 시간이 지남에 따라 증가했으며, 그 이후로 45억 캐럿이 넘는 다이아몬드가 채굴되었다.[117] 상업적으로 유용한 다이아몬드 매장지는 대부분 러시아, 보츠와나, 오스트레일리아, 콩고 민주 공화국에 있다.[118] 2005년에는 러시아가 전 세계 다이아몬드 생산량의 5분의 1 가까이를 생산했다(대부분 야쿠티아 지방에서; 예를 들어, 미르 파이프와 우다치나야 파이프). 그러나 오스트레일리아의 아가일 광산이 2018년 1400만 캐럿을 생산하며 단일 최대 생산지가 되었다.[119][120] 캐나다의 디아빅과 에카티 광산과 같은 새로운 광산은 보석 품질의 원석을 생산하기 때문에 더욱 가치가 높아질 것으로 예상된다.[121]

미국에서는 아칸소주, 콜로라도주, 몬태나주에서 다이아몬드가 발견되었다.[122] 2004년 미국에서 현미경으로만 볼 수 있는 다이아몬드가 놀랍게도 발견[123] 되면서 2008년 1월 몬태나주 외딴 지역에서 킴벌라이트 파이프의 대량 샘플링이 이루어졌다.[124]

라부아지에는 밀폐 용기에 넣은 다이아몬드를 돋보기로 연소시키면 이산화탄소만 생성된다는 실험을 통해 다이아몬드가 탄소의 동소체임을 밝혀냈다.

4. 1. 4. 풀러렌

풀러렌은 흑연과 비슷한 구조를 가진 합성 결정체이지만, 육각형 고리로만 구성된 흑연과는 달리 오각형 또는 칠각형 고리도 포함하고 있다. 탄소 원자들이 흑연 판에서 떨어져 나가거나 새로 추가되면 판은 구, 타원체, 원통 형태로 휘게 된다. 풀러렌은 버크민스터풀러렌(버키볼)[228][229], 탄소 나노튜브(버키튜브)[230], 탄소 나노돌기[231] 등으로 나눌 수 있다. 풀러렌의 특성은 아직 완전히 밝혀지지 않았으며, 나노 기술 분야에서 활발히 연구되고 있다. 풀러렌과 버크민스터풀러렌(버키볼)이라는 명칭은 디오데식 돔의 발명가인 리처드 버크민스터 풀러의 이름을 딴 것이다. 버크민스터풀러렌은 삼각피라미드 분자 구조를 가진 고분자 물질이며, 회전 타원체 형태이다. 가장 잘 알려져 있고 단순한 것은 축구공 모양의 C 버크민스터풀러렌이다.[228] 탄소 나노튜브는 버크민스터풀러렌과 구조적으로 비슷하지만, 속이 빈 원통 형태로 굽은 판에서 각 원자들이 삼각피라미드 구조로 결합해 있다.[229][230] 탄소 나노돌기는 2007년에 처음 밝혀졌으며, 버크민스터풀러렌이 탄소 나노튜브에 공유 결합되어 있다.[231]

4. 1. 5. 그래핀

그래핀은 2009년 기준으로 현재까지 실험적으로 검증된 가장 강한 물질이다.[238] 흑연에서 그래핀을 분리하는 공정은 아직 경제성이 떨어져 추가적인 기술 발전이 필요하다.[239] 저렴한 공정이 개발된다면, 그래핀은 우주 엘리베이터 건설에 사용될 수 있을 것이다. 또한 수소 연료 자동차에서 안전한 수소 저장고를 만드는 데도 사용될 수 있다.[240]

4. 1. 6. 기타 동소체

론스달라이트[234], 유리상 탄소[235], 탄소 나노폼[236], 선형 아세틸렌성 탄소(카르빈)[237], Q-탄소[246] 등이 있다.

탄소 나노폼은 1997년에 발견된 강자성 동소체이다. 탄소 원자들이 6원자 및 7원자 고리에서 삼각 결합하고 있는 삼차원 망에서 저밀도 클러스터 조립으로 뭉쳐져 있으며, 밀도는 2kg/m3밖에 되지 않는다.[244] 유리상 탄소는 밀폐기공률이 매우 높지만,[235] 흑연과는 달리 판이 나란히 쌓이지 않고 불규칙하게 배열되어 있다. 선형 아세틸렌성 탄소의 화학 구조는 ―(C:::C)―[237] 이다. ''sp'' 혼성 오비탈로 선형 결합하고 있으며, 단일 결합과 삼중 결합이 교대로 이어지는 카르빈 중합체이다. 영률이 다이아몬드의 40배[245]이기 때문에 나노 기술 분야에서 상당한 관심이 쏟아지고 있다.

2015년, 노스 캐롤라이나 주립 대학의 한 연구팀은 비정질 탄소 분말에 짧은 시간 동안 고에너지 레이저를 쏘아 Q-탄소라 명명한 새로운 탄소 동소체를 발견했다. Q-탄소는 강자성이자 형광 물질이고, 다이아몬드보다 경도가 높은 것으로 밝혀졌다.[246]

5. 주요 화합물

탄소는 다양한 무기 화합물과 유기 화합물을 형성한다. 일산화탄소(CO)는 무기물이지만, 메테인(CH4), 포도당(C6H12O6) 등은 탄소 화합물인 유기물이다. 그러나 탄소가 있다고 해서 모두 유기물인 것은 아니다. 오늘날에는 탄소, 산화탄소, 금속의 탄산염, 시안화물·탄화물 등을 제외한 탄소화합물을 유기물로 본다.[15]

탄소는 고온에서 산소와 반응하여 산화탄소를 형성하고, 금속 산화물에서 산소를 빼앗아 원소 금속을 남긴다. 이 발열 반응은 철강 산업에서 철을 제련하고 강철의 탄소 함량을 제어하는 데 사용된다.[83]

: + 4 C + 2 → 3 Fe + 4 .

탄소는 황과 반응하여 이황화탄소를 형성하고, 석탄 가스화에 사용되는 석탄 가스 반응에서 수증기와 반응한다.[83]

:C + H2O → CO + H2.

탄소는 고온에서 일부 금속과 결합하여 금속 탄화물을 형성하는데, 예를 들어 강철의 세멘타이트(철 탄화물)와 탄화텅스텐이 있다.[83]

가장 간단한 유기 화합물인 메테인의 구조식.


탄소는 탄소-탄소 결합으로 매우 긴 사슬을 형성할 수 있으며, 이러한 성질을 연쇄 작용이라고 한다. 탄소-탄소 결합은 강하고 안정적이다. 탄소를 포함하는 화합물이 탄소를 포함하지 않는 화합물보다 훨씬 많다.[81]

원자 탄소는 수명이 매우 짧아, 다양한 분자 배열을 가진 다원자 구조로 안정화되는데, 이를 동소체라고 한다. 탄소 동소체의 시스템은 극단적인 범위를 포함한다.[83]

흑연은 알려진 가장 부드러운 물질 중 하나이다.합성 나노결정 다이아몬드는 알려진 가장 단단한 물질이다.[21]
흑연은 매우 우수한 윤활제이며, 초윤활성을 나타낸다.[22]다이아몬드는 궁극적인 연마제이다.
흑연은 전기를 전도하는 전기 전도체이다.[23]다이아몬드는 우수한 전기 절연체이며,[24] 알려진 어떤 물질보다 가장 높은 항복 전계 강도를 갖는다.
일부 흑연 형태는 단열(즉, 방화벽 및 방열판)에 사용되지만, 일부 다른 형태는 우수한 열전도체이다.다이아몬드는 가장 잘 알려진 천연 열전도체이다.
흑연은 불투명하다.다이아몬드는 매우 투명하다.
흑연은 육방정계로 결정화된다.[25]다이아몬드는 입방정계로 결정화된다.
비정질 탄소는 완전히 등방성이다.탄소 나노튜브는 알려진 가장 이방성 물질 중 하나이다.


5. 1. 무기 화합물

이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 탄산염 등은 탄소를 포함하는 무기 화합물에 해당한다. 앙금 생성 반응을 통해 만들어지는 탄산 칼슘, 탄산 바륨 등은 흰색 앙금이며, 산과 반응하여 이산화 탄소와 물을 생성한다. 이러한 성질을 이용하여 탄산 이온(CO32-)을 검출할 수 있다.[113] 이산화탄소는 지구 온난화의 주요 원인 중 하나로, 탄소 배출권 등의 형태로 사용량을 규제하려는 움직임이 있다.[114]

탄소의 옥소산은 관용명을 가지며, 대표적인 예는 다음과 같다.

옥소산의 명칭화학식구조식옥소산염의 명칭비고
탄산
(carbonic acid)		H2CO3탄산염
( - carbonate )		유리산은 매우 불안정하다. 염은 안정하다.
과탄산(과산화일탄산)
(peroxomono carbonic acid)		H2CO4과탄산염
( - peroxomono cabonite )		유리산은 단리할 수 없다. 염은 안정하다.


5. 2. 유기 화합물

유기 화합물은 구조의 기본 골격으로 탄소 원자를 갖는 화합물을 통칭한다. 탄소-탄소 결합은 강하고 안정적이기 때문에 탄소는 서로 연결되는 긴 사슬을 형성할 수 있으며, 이를 연쇄 작용이라고 한다. 이러한 연쇄 작용을 통해 탄소는 무수히 많은 화합물을 형성하며, 탄소를 포함하는 화합물이 탄소를 포함하지 않는 화합물보다 훨씬 많다.[81]

가장 간단한 형태의 유기 분자는 탄화수소이며, 탄소 원자 사슬에 결합된 수소 원자로 구성된다. 탄화수소 골격은 산소, 질소, 황, 인 등 다른 원자(헤테로원자)로 치환될 수 있다. 헤테로원자를 포함하는 원자의 특정 그룹(작용기)은 많은 수의 유기 화합물에서 반복적으로 나타나며, 공통된 반응성 패턴을 부여한다.[82]

탄소는 모든 알려진 유기 생명체에 존재하며 유기 화학의 기초이다. 수소와 결합하여 다양한 탄화수소를 형성하는데, 이는 냉매, 윤활유, 용매, 플라스틱 및 석유 화학 제품 제조를 위한 화학적 원료, 그리고 화석 연료로서 산업적으로 중요하다.

산소와 수소와 결합하면 탄소는 설탕, 리그난, 키틴, 알코올, 지방, 방향족 에스터, 카로티노이드 및 테르펜을 포함한 많은 중요한 생물학적 화합물 그룹을 형성할 수 있다. 질소와 결합하면 알칼로이드를 형성하고, 황을 더하면 항생제, 아미노산 및 고무 제품을 형성한다. 이러한 다른 원소에 인을 더하면 생명체의 화학 코드 운반체인 DNA와 RNA, 그리고 모든 살아있는 세포에서 가장 중요한 에너지 전달 분자인 아데노신 삼인산(ATP)을 형성한다.[83]


5. 2. 1. 탄산

탄산 이온(CO32-)은 앙금 생성 반응을 통해 검출할 수 있다. 탄산 칼슘, 탄산 바륨 등은 흰색 앙금이며, 산과 반응하여 이산화 탄소와 물을 생성한다. 탄소의 옥소산은 관용명을 갖는다.

옥소산의 명칭화학식구조식옥소산염의 명칭비고
탄산
(carbonic acid)		H2CO3탄산염
( - carbonate )		유리산은 매우 불안정하다. 염은 안정하다.
과탄산(과산화일탄산)
(peroxomono carbonic acid)		H2CO4과탄산염
( - peroxomono cabonite )		유리산은 단리할 수 없다. 염은 안정하다.



※''옥소산염 명칭의 '-'에는 양이온 종의 명칭이 들어간다.''

6. 분포

탄소는 우주에서 수소, 헬륨, 산소 다음으로 질량 기준 네 번째로 풍부한 원소이다.[48] 태양, 별, 혜성, 행성의 대기 등에서 발견된다.[48] 지구 전체 질량의 약 0.07%를 차지하며, 핵, 맨틀, 지각, 해양, 대기, 생물권 등에 분포한다.

1990년대 해수면 용존 무기 탄소 농도(GLODAP 기후학 자료)

  • 지구 대기: 이산화탄소 형태로 약 900기가톤 (ppm당 2.13기가톤)이 존재한다.
  • 수권: 모든 수역에 약 36,000기가톤의 탄소가 용해되어 있다.
  • 생물권: 약 550기가톤으로 추정되지만, 지하 미생물의 양 때문에 불확실성이 크다.[50]
  • 탄화수소: 석탄, 석유, 천연가스 등에 포함되어 있다.
  • 석탄 매장량: 약 900기가톤 (자원은 18,000기가톤)[51]
  • 석유 매장량: 약 150기가톤
  • 천연가스 매장량: 약 105기가톤 (탄소), 셰일 가스 등 비전통적 매장량은 약 540기가톤 (탄소)[52]
  • 메탄 하이드레이트: 극지방과 해저에 500~3,000기가톤으로 추정되는 양이 존재한다.[53][54]
  • 탄산염 암석: 석회암, 돌로마이트, 대리석 등 탄산염 암석은 질량의 약 12%가 탄소이다.
  • 석탄: 탄소가 매우 풍부하며(무연탄은 92~98% 함유)[57] 광물성 탄소의 가장 큰 상업적 공급원이다.(4,000기가톤, 화석연료의 80%)[58]


개별 탄소 동소체의 경우, 흑연은 미국(주로 뉴욕주와 텍사스주), 러시아, 멕시코, 그린란드, 인도에서 대량으로 발견된다. 천연 다이아몬드는 고대 화산 "목" 또는 "파이프"에서 발견되는 킴벌라이트 암석에서 산출된다. 대부분의 다이아몬드 매장지는 아프리카(남아프리카 공화국, 나미비아, 보츠와나, 콩고 공화국, 시에라리온)에 있다. 아칸소주, 캐나다, 러시아 북극권, 브라질, 오스트레일리아 북부 및 서부에서도 발견되며, 현재는 희망봉 해역의 해저에서도 채굴한다. 다이아몬드는 자연적으로 발견되지만, 미국에서 사용되는 모든 산업용 다이아몬드의 약 30%는 현재 인공적으로 제조되고 있다.

탄소가 풍부한 소행성은 태양계의 소행성대 외곽에 비교적 많이 분포되어 있다. 이러한 소행성은 아직 과학자들이 직접 채취하지는 못했지만, 가상적인 우주 기반 탄소 채굴에 사용될 수 있다.[61]

7. 탄소 순환

탄소 순환 도표. 검은색 숫자는 다양한 저장소에 저장된 탄소량을 10억 톤 단위로 나타냅니다("GtC"는 기가톤의 탄소를 의미하며, 수치는 2004년 기준입니다). 보라색 숫자는 매년 저장소 간에 이동하는 탄소량을 나타냅니다. 이 도표에서 정의된 퇴적물에는 약 7000만 GtC의 탄산염암과 케로젠이 포함되어 있지 않습니다.


지구상에서는 한 원소가 다른 원소로 전환되는 경우가 매우 드물기 때문에 지구상의 탄소량은 사실상 일정하다. 탄소를 사용하는 과정은 어딘가에서 탄소를 얻어 다른 곳에 배출해야 하는데, 환경에서 탄소의 경로는 탄소 순환을 형성한다.[77] 예를 들어, 광합성 식물은 대기(또는 해수)에서 이산화탄소를 흡수하여 캘빈 순환과 같은 탄소 고정 과정을 통해 생물량으로 만든다.[78] 이 생물량 중 일부는 동물에 의해 섭취되고, 일부 탄소는 동물에 의해 이산화탄소로 배출된다. 탄소 순환은 이보다 훨씬 복잡하다. 예를 들어, 일부 이산화탄소는 바다에 용해된다. 박테리아가 이를 소비하지 않으면 죽은 식물이나 동물의 물질은 석유나 석탄이 될 수 있으며, 이는 연소될 때 탄소를 방출한다.[79][80]

탄소는 지각의 원소 존재도에서 15번째로 많은 원소이며,[160] 지구의 지표 및 해양에서 탄소의 원소 분포는 무게 비율로 0.08%에 불과하다.[145] 그러나 탄소는 다른 원소와의 결합 방식에 따라 성질이 다른 다양한 화합물을 만들어내며 지구 환경 속에 존재한다.[166]

탄소는 지각, 해양, 생물권, 대기권을 순환하며, 연간 이동량은 약 2,000억 톤으로 추산된다. 탄소의 약 9할은 광물로 존재하며, 그중에서도 환원된 형태, 즉 탄소 입자·석유·석탄·천연가스가 4분의 3 이상을 차지한다. 4분의 1은 탄산염 암석(석회암, 돌로마이트, 결정질 석회암 등)이다. 해양 등 물에 녹아 있는 탄산도 많으며, 그 양은 탄소량으로 36조 톤에 달한다. 다음으로 생물권에 1조 9,000억 톤, 대기권의 이산화탄소로 8,100억 톤이 있다.

매장 석유화학 연료로서 석탄이 9,000억 톤, 석유는 1,500억 톤, 천연가스는 1,050억 톤에 더하여, 셰일가스와 같이 채굴하기 어려운 형태로 별도로 5,400억 톤의 존재가 예상된다.[163] 이것들 외에도 메탄하이드레이트로서 극지에 봉인되어 있으며, 이것의 탄소량은 시베리아의 영구 동토층만 해도 1조 4,000억 톤으로 추산된다.[164]

8. 동위 원소

탄소는 6개의 양성자와 여러 개의 중성자(2개에서 16개까지 다양함)를 포함하는 원자핵을 가진다. 탄소에는 두 가지 안정적인 천연 동위원소가 존재한다.[62] 탄소-12(12C)는 지구상 탄소의 98.93%를 차지하며, 탄소-13(13C)는 나머지 1.07%를 차지한다.[62] 1961년, 국제순수 및 응용화학연합(IUPAC)은 원자량의 기준으로 탄소-12 동위원소를 채택했다.[64] 핵자기 공명(NMR) 실험에서 탄소의 확인은 13C 동위원소를 사용하여 이루어진다.

탄소-14(14C)는 천연적으로 발생하는 방사성 동위원소로, 성층권 하부와 대류권 상부의 대기 상층부에서 질소와 우주선의 상호 작용에 의해 생성된다.[65] 지구상에는 1조 분의 1(0.0000000001%) 또는 그 이상의 미량으로 존재하며, 대부분 대기와 표층 퇴적물, 특히 이탄과 기타 유기물에 국한되어 있다.[66] 약 5,730년의 비교적 짧은 반감기 때문에, 14C는 고대 암석에는 거의 존재하지 않는다. 이 원리는 1949년에 발명된 방사성탄소 연대 측정에 사용되며, 약 4만 년까지의 탄소질 물질의 연대를 측정하는 데 광범위하게 사용되어 왔다.[67][68]

탄소에는 알려진 동위원소가 15가지 있으며, 그중 가장 수명이 짧은 것은 8C로, 양성자 방출을 통해 붕괴하며 반감기는 3.5 × 10-21초이다. 특이한 19C는 핵 헤일로를 나타내는데, 이는 핵이 일정 밀도의 구체라면 예상되는 것보다 반지름이 상당히 크다는 것을 의미한다.[69]

9. 용도

탄소와 그 화합물은 매우 다양한 용도로 사용된다. 탄소는 다른 원자들과 쉽게 결합하여 다양한 화합물을 만들 수 있으며, 지구상의 모든 생명체의 기본 골격을 형성한다.


  • 산업: 탄소는 철강 산업에서 철을 제련하고 강철의 탄소 함량을 조절하는 데 사용된다.
  • + 2 → 3 Fe + 4 .
  • 이황화탄소 제조: 탄소는 황과 반응하여 이황화탄소를 만든다.
  • 석탄 가스화: 석탄 가스화에 사용되는 석탄 가스 반응에서 수증기와 반응한다.
  • C + HO → CO + H.
  • 금속 탄화물: 고온에서 일부 금속과 결합하여 금속 탄화물을 형성한다. (예: 강철의 세멘타이트, 탄화텅스텐)


탄소 동소체는 다음과 같이 매우 다양한 특성을 가진다.

특성흑연다이아몬드
경도매우 무름가장 단단함[21]
윤활성매우 우수, 초윤활성[22]궁극적인 연마제
전기 전도성전기 전도체[23]우수한 전기 절연체[24]
열전도성일부 형태는 단열재, 일부는 우수한 열전도체가장 잘 알려진 천연 열전도체
투명도불투명매우 투명
결정 구조육방정계[25]입방정계
등방성비정질 탄소는 등방성탄소 나노튜브는 이방성



샤프심은 흑연(점토나 합성 결합제와 혼합되는 경우가 많음)으로 만들어진다.


나무와 압축 숯 막대


탄소섬유 직물

9. 1. 동소체

탄소는 수명이 매우 짧아, 다양한 분자 배열과 원자 구조를 가진 안정적인 동소체로 존재한다. 대표적인 탄소 동소체로는 비정질 탄소, 흑연, 다이아몬드가 있다. 풀러렌은 합성 물질로, 버크민스터풀러렌[228][229], 탄소 나노튜브[230], 탄소 나노돌기[231], 탄소 나노섬유[232][233] 등이 연구되고 있다. 론스달라이트[234], 유리상 탄소[235], 탄소 나노폼[236], 선형 아세틸렌성 탄소[237]도 탄소 동소체에 속한다.

2009년 기준으로 그래핀은 실험적으로 검증된 가장 강한 물질이다.[238] 그러나 흑연에서 그래핀을 분리하는 공정은 경제성이 낮아 기술 발전이 더 필요하다.[239]

탄소는 결정 구조가 없는 불규칙한 비정질 상태로도 존재하며, 분말 형태의 숯, 카본 블랙(그을음), 활성탄이 이에 해당한다. 대기압에서 가장 안정한 탄소 동소체는 흑연이다. 흑연에서 각 탄소 원자는 방향족 탄화 수소처럼 삼각평면 구조로 결합해 육각형 고리 패턴을 형성한다.[241] 흑연은 판상 구조로, 각 판은 약한 반데르발스 힘으로 결합되어 있어 부드럽고 쉽게 쪼개진다. 흑연은 탄소 원자의 최외각 전자 4개 중 3개가 공유 결합에 참여하고 남은 전자가 π-오비탈 형태로 비편재화되어 전기 전도성이 높다. 하지만 전자는 각 판 사이에서만 이동 가능하므로, 대부분의 금속보다 벌크(Bulk) 전기 전도도는 낮다. 이러한 비편재화는 실온에서 흑연이 다이아몬드보다 안정한 이유 중 하나이다.

초고압에서 탄소는 다이아몬드 상을 가진다. 다이아몬드는 흑연보다 밀도가 약 두 배 높다. 각 탄소 원자는 사면체 결합을 하며, 규소, 게르마늄과 같은 입방체 구조를 이룬다. 다이아몬드는 매우 강한 공유결합으로 경도가 가장 높은 자연물이다. 그러나 "다이아몬드는 영원하다"는 말과 달리, STP에서 열역학적으로 불안정하며(Δf''G''°(다이아몬드, 298 K) = 2.9 kJ/mol[242]) 흑연으로 상전이한다.[211] 다만, 높은 활성화 에너지 장벽 때문에 STP에서 상전이는 매우 느리게 일어난다. 0 K, 0 Pa에서 다이아몬드가 흑연보다 1.1 kJ·mol−1 더 안정하다는 연구 결과도 있다.[243] 특정 조건에서 탄소는 론스달라이트 상을 가지는데, 이는 모든 원자가 공유결합된 육방 결정 격자 구조이다.[234]

풀러렌은 흑연과 비슷하지만 오각형 또는 칠각형 고리를 포함하는 합성 결정체이다. 탄소 원자가 흑연 판에서 떨어지거나 추가되면 구, 타원구, 원통 형태로 휘어진다. 풀러렌은 버크민스터풀러렌(버키볼), 탄소 나노튜브(버키튜브), 탄소 나노돌기로 나뉜다. 풀러렌의 특성은 아직 완전히 밝혀지지 않아 나노 물질 분야에서 활발히 연구 중이다. 풀러렌과 버크민스터풀러렌(버키볼)은 리처드 버크민스터 풀러의 이름을 땄다. 버크민스터풀러렌은 삼각피라미드 분자 구조의 고분자 물질로, 회전 타원체 형태이다. (가장 단순한 예시는 축구공 모양의 C 버크민스터풀러렌이다[228]) 탄소 나노튜브는 버크민스터풀러렌과 유사하지만, 속이 빈 원통 형태이며, 각 원자들이 삼각피라미드 구조로 결합해 있다.[229][230] 탄소 나노돌기는 2007년에 발견되었으며, 버크민스터풀러렌이 탄소 나노튜브에 공유결합된 형태이다.[231]

탄소 나노폼은 1997년에 발견된 강자성 동소체이다. 6원자 및 7원자 고리에서 탄소 원자들이 삼각 결합하는 삼차원 망에서 원자들이 저밀도 클러스터로 뭉쳐져 있다. 밀도는 2 kg/m3밖에 되지 않는다.[244] 유리상 탄소는 밀폐기공률이 높지만,[235] 흑연과 달리 판이 불규칙하게 배열되어 있다. 선형 아세틸렌성 탄소는 ―(C:::C)― 구조를 가지며,[237] ''sp'' 혼성 오비탈로 선형 결합하고 단일 결합과 삼중 결합이 교대로 나타나는 카르빈 중합체이다. 영률이 다이아몬드의 40배[245]로 나노 기술 분야에서 주목받고 있다.

2015년, 노스 캐롤라이나 주립 대학 연구팀은 비정질 탄소 분말에 고에너지 레이저를 짧게 쏘아 Q-탄소를 발견했다. Q-탄소는 강자성, 형광을 띠며 다이아몬드보다 경도가 높다.[246]

9. 2. 유기물

유기 화합물(organic Compounds)은 구조의 기본 골격으로 탄소 원자를 갖는 화합물을 통칭한다. 유기물은 생명체의 활동에 의해 생기는 것이라는 의미로 생성된 명칭이며, 생명 현상을 유지하는 데 필요한 기본적인 화합물이다. 사람뿐만 아니라 모든 생명 활동의 기본으로 수많은 유기물이 존재하고, 생물체가 유기물을 사용한다.

탄소는 모든 알려진 유기 생명체에 존재하며 유기 화학의 기초이다. 수소와 결합하면 다양한 탄화수소를 형성하는데, 이는 냉매, 윤활유, 용매, 플라스틱 및 석유 화학 제품 제조를 위한 화학적 원료, 그리고 화석 연료로서 산업적으로 중요하다.

산소와 수소와 결합하면 탄소는 설탕, 리그난, 키틴, 알코올, 지방, 방향족 에스터, 카로티노이드 및 테르펜을 포함한 많은 중요한 생물학적 화합물 그룹을 형성할 수 있다. 질소와 결합하면 알칼로이드를 형성하고, 황을 더하면 항생제, 아미노산 및 고무 제품을 형성한다. 이러한 다른 원소에 인을 더하면 생명체의 화학 코드 운반체인 DNA와 RNA, 그리고 모든 살아있는 세포에서 가장 중요한 에너지 전달 분자인 아데노신 삼인산(ATP)을 형성한다.[83]

탄소가 없다면 우리가 아는 생명체는 존재할 수 없다. 식량과 목재를 제외한 탄소의 주요 경제적 용도는 탄화수소, 특히 천연가스와 원유(석유)와 같은 화석 연료의 형태이다. 원유는 석유화학 산업에 의해 정유소에서 증류되어 휘발유, 등유 및 기타 제품을 생산한다. 셀룰로스는 식물이 목재, 면화, 리넨 및 삼의 형태로 생산하는 천연 탄소 함유 중합체이다. 셀룰로스는 주로 식물의 구조 유지를 위해 사용된다. 상업적으로 가치 있는 동물성 탄소 중합체에는 양모, 캐시미어 및 실크가 포함된다. 플라스틱은 합성 탄소 중합체로 만들어지며, 종종 산소와 질소 원자가 주 중합체 사슬에 규칙적인 간격으로 포함된다. 이러한 많은 합성 물질의 원료는 원유에서 나온다.

9. 3. 무기물

이산화 탄소는 탄산음료, 소화기, 드라이아이스 등에 쓰인다.[15] 탄산 칼슘은 시멘트, 제지, 플라스틱, 고무 등에 쓰인다.[15]

10. 안전 및 주의사항

순수한 탄소는 인체에 대한 독성이 매우 낮으며 흑연이나 목탄 형태로 안전하게 취급할 수 있다. 소화관의 산성 내용물에서도 용해나 화학적 공격에 대한 저항력이 있어, 일단 신체 조직에 들어가면 영구적으로 남아 있을 가능성이 높다. 카본 블랙은 문신에 사용된 최초의 안료 중 하나로 추정되며, 아이거의 미라 외치의 탄소 문신은 5200년 동안 남아 있었다.[132]

하지만 다량의 석탄 먼지나 그을음(카본 블랙)을 흡입하면 폐 조직을 자극하고 석탄폐증을 유발할 수 있어 위험하다. 연마제로 사용되는 다이아몬드 먼지는 섭취하거나 흡입하면 유해할 수 있다. 디젤 엔진 배기가스에는 미세한 탄소 입자가 생성되며 폐에 축적될 수 있다.[133]

탄소는 일반적으로 지구상의 생명체에 대한 독성이 낮지만, 탄소 나노입자는 초파리에게 치명적이다.[134]

다양한 탄소 화합물에는 일산화탄소, 시안화물(CN−)과 같이 치명적인 독극물과 포도당 및 단백질과 같은 생명에 필수적인 물질이 포함되어 있다.

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