탄소가 가진 놀라운 특성

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탄소는 생명체를 만드는 기본 원소

 

오늘날 ‘탄소 제로’, ‘저탄소 녹색성장’, 탄소 저감(底減) 등의 말을 사용하면서, 탄소가 지구의 종말을 가져올지 모르는 범죄자로 취급하는데, 이런 용어는 탄소에게 불명예를 씌우는 것이다. 탄소가 제로가 되거나, 저탄소가 되거나 하면 세상에 생명체라고는 존재하지 못한다. 이런 표현 때문에 탄소에 대해 잘 알지 못하는 사람들은, 탄소가 지구상에서 없어져야 할 원소인 것처럼 생각하기 쉽다. 그러나 탄소가 있기 때문에 모든 생명체가 존재한다. 뿐만 아니라 인류는 탄소 없이는 살지 못한다. 다음은 탄소의 중요 기능 중 일부이다.

 

1. 지구상에서 가장 흔한 원소는 산소와 규소이고, 탄소는 15번째로 많이 존재한다. 그러나 우주 전체를 보면 수소, 헬륨, 산소 다음으로 4번째 많은 원소가 탄소이다.

 

2. 탄소는 생물체의 몸, 건축물, 공기 중, 땅속 어디에나 있는(ubiquitous) 물질이다. 탄소는 산소와 결합하여 동식물의 몸을 구성하는 중요한 성분이 되어 있다. 우리가 먹는 곡식, 야채, 생선, 소고기의 주성분이 탄소이다. 인체의 경우 산소 다음으로 많은 구성성분으로서, 약 18.5%가 탄소이다. 탄소는 비금속물질이면서 다른 원소와 화합하면 무기물이 되기도 하고 유기물도 되는 화학 활성이 가장 강한 원소이다. 탄소는 산소와 결합하여 일산화탄소와 이산화탄소를 만들고, 칼슘과 결합하면 석회석과 같은 무기물을 만든다.

 

3. 석탄, 석유, 석탄, 나무의 주성분이 탄소이며, 탄소가 연소하면 열과 빛을 낸다.

 

 

4. 탄소는 탄소12(12C), 탄소13(13C) 그리고 탄소14(14C) 3가지 동위원소가 있다. 지구상에 존재하는 탄소는 12C가 98.5%를 차지하고, 1.1%는 13C이며, 나머지 미량이 14C(탄소-14)이다. 이중 탄소-14는 방사선을 방출하면서 차츰 질소로 변해간다. 반감기는 5,730년이다. 탄소-14는 고대 유물의 연대측정에 활용되며, 동식물의 생리 연구에도 이용된다.

 

5. 지구상에는 어디에나 탄소가 있고, 탄소는 물처럼 끊임없이 지구상을 순환하고 있다.

 

6. 목탄이나 석탄만 탄소가 아니라 흑연도 탄소이고 다이아몬드도 탄소이다. 즉 일반 탄소와 흑연, 다이아몬드는 동소체(同素體 allotrope)라 부른다. 동소체란 같은 원소이면서 물리 화학적 성질이 다른 것을 말한다. 탄소의 동소체인 다이아몬드는 숯이나 흑연과 달리 물질 중에서 제일 단단하고 가장 투명하다. 그리고 전기에 대해서는 거의 부도체이고, 열은 잘 전도하는 성질을 가졌다. 그러나 흑연은 종이에 가볍게 그어도 검은 자국을 남길 만큼 무르며, 지극히 검고 불투명하다. 그러면서 흑연은 전기를 잘 통하는 훌륭한 도체이며, 고열에 대해서 매우 안정한 성질을 가졌다. 탄소에는 몇 가지 다른 동소체가 알려져 있다.

 

7. 목재, 섬유, 종이, 플라스틱, 고무, 타이어, 수백만 가지 유기물과 의약품의 주성분이 탄소이다. 탄소를 주원료로 만든 탄소섬유는 가벼우면서 강도가 강하여, 방탄복, 비행기 날개, 헬멧, 테니스 라켓, 골프채, 고급 낚싯대 등을 만드는 데 쓴다.

 

8. 탄소는 화학적으로 매우 안정하며, 산소와 결합하려면(이산화탄소가 되려면) 높은 열이 필요하다. 석탄이든 석유든 혼자서는 불타지 않는다. 그들이 연소하는 것은 고온(高溫) 에너지 속에서 산소와 결합되는 것이다.

 

이상과 같은 탄소 기능을 알고 보면 탄소는 참으로 귀한 물질이다. 사실 인류는 지금 탄소 없이는 살지 못하는 탄소시대(The Carbon Age)를 살고 있다. 탄소의 영어인 carbon은 프랑스의 화학자 라부아지에(Antoine-Laurent de Lavoisier, 1743~1794)가 목탄(木炭)을 의미하는 라틴어(carbo)에서 지은 원소 이름이다.

 

 

지구상에 존재하는 탄소의 양은 어느 정도인가?

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탄소는 지구에서는 15번째로 많이 존재하는 물질이다. 다음은 탄소를 포함한 중요 물질 중에 포함된 탄소의 양을 나타낸다.

 

1. 대기 중의 이산화탄소 중의 탄소：8,100억 톤

2. 물에 녹아 있는 이산화탄소 중의 탄소：36조 톤 (* 대기 중의 44.4배)

3. 생존하는 생물질 속의 탄소(건조 생물량의 평균 18.5%)：1조 9,000억 톤

4. 탄화수소：9,000억 톤

5. 원유：1,500억 톤

6. 천연가스：1,050억 톤

7. 셰일가스：5,000억 톤

8. 메탄하이드레이트(극지방과 해저)：5,000억~3조톤

9. 석탄(화석연료의 80% 차지)：4조톤

10. 1751-2008년까지 화석연료 연소로 방출된 총량：3,470억톤

 

 

대기의 산소 농도는 얼마가 최적인가?