금속
산업 제조
흑연은 거대 공유 결합 구조를 가지며: 각 탄소 원자가 공유 결합으로 다른 세 탄소 원자와 결합. 탄소 원자들이 원자의 육각형 배열로 층 형성. 층 간 약한 힘 존재. 또한 흑연은 다음 특성들을 가집니다.
흑연은 다이아몬드와 비슷한 높은 녹는점을 가집니다. 흑연은 부드럽고 미끄러운 감촉으로 연필과 자물쇠 같은 것들의 건식 윤활제로 쓰입니다. 다이아몬드보다 밀도가 낮습니다. 물과 유기 용매에 불용성 – 다이아몬드가 불용성인 것과 같은 이유.
흑연은 다이아몬드와 비슷한 높은 녹는점을 가집니다. 흑연을 녹이려면 한 시트를 다른 시트에서 떼어내는 것만으론 부족합니다. 전체 구조 전체의 공유 결합을 끊어야 합니다.
부드럽고 미끄러운 감촉으로 연필과 자물쇠 같은 것들의 건식 윤활제로 쓰입니다. 트럼프 카드 한 벌을 생각하면 됩니다 – 각 카드는 강하지만 카드끼리 서로 미끄러지거나 통째로 떨어질 수 있습니다. 연필을 쓰면 시트들이 문질러져 종이에 달라붙습니다.
다이아몬드보다 낮은 밀도를 가집니다. 시트 사이에 상대적으로 큰 '낭비' 공간이 있기 때문입니다.
불용성으로 물과 유기 용매에 녹지 않습니다 – 다이아몬드가 불용성인 것과 같은 이유. 용매 분자와 탄소 원자 간 인력이 흑연의 강한 공유 결합을 극복할 만큼 강하지 않습니다.
흑연은 전기를 전도합니다. 비편재 전자들이 시트 전체를 자유롭게 이동할 수 있습니다. 흑연 조각을 회로에 연결하면 전자가 시트 한 끝에서 떨어져 나가 다른 끝에서 새로운 전자로 대체됩니다.
이 물질은 일반적으로 회흑색을 띠며 불투명하고 빛나는 검은 광택이 있습니다. 매우 부드러워 약한 압력에도 갈라지며 비중이 매우 낮습니다. 흑연은 금속과 비금속 양쪽 특성을 나타내는 독특한 물질입니다.
흑연은 유연하지만 탄성은 아니며 높은 전기/열 전도성을 가집니다. 이런 훌륭한 특성들로 야금과 제조 분야에 폭넓게 쓰입니다.
| 색상 | 강철 회색~검정 |
| 화학적 분류 | 자연 원소 |
| 조흔 | 검정 |
| 광택 | 금속성, 때론 흙빛 |
| 투명도 | 불투명 |
| 벽개 | 한 방향에서 완전 |
| 모스 경도 | 1~2 |
| 비중 | 2.1~2.3 |
| 진단 특성 | 색상, 조흔, 미끄러운 감촉, 비중 |
| 화학 조성 | C |
| 결정계 | 육방정계 |
흑연의 특성:
금속과 비금속 양쪽 특성을 가져 독특: 유연하지만 탄성은 아니며, 높은 열/전기 전도성, 높은 내열성과 화학적 불활성. 흑연은 X선과 중성자 흡착이 낮아 원자력 응용에 특히 유용.
높은 열 전도성: 그래핀 전도도 ~3000 W/mK, 구리 ~400 W/mK 비교; 높은 전기 전도성: 극도로 높은 전류 밀도 유지 능력(구리보다 100만 배 높음);
부드러움과 조흔 덕분에 연필 '심' 제작에 유용. 유연하지만 탄성은 아님. 결정은 드물지만 생기면 거친 육각형(6면) 플레이크 형태. 잘게 부서져 유연한 플레이크가 되어 서로 쉽게 미끄러짐.
그래핀의 가장 뛰어난 특성:
흑연은 매우 부드럽고 미끄럽습니다. 다이아몬드는 인간에게 알려진 가장 단단한 물질. 둘 다 탄소만으로 구성됐는데 다른 특성을 주는 건? 답은 탄소 원자들이 서로 결합하는 방식에 있습니다.
다이아몬드와 탄소의 차이:
| 다이아몬드 | 흑연 |
| 결정질 성질 | 층상 구조 |
| 각 C는 sp³ 혼성화로 이웃 C 원자 4개와 4개 공유 결합 | 각 C 원자는 sp² 혼성화로 다른 3개 C 원자와 3개 시그마 결합. 4번째 전자는 파이 결합 |
| 기하학은 사면체 | 기하학은 평면 |
| C-C 결합 길이 154 pm | C-C 결합 길이 141.5 pm |
| 깨기 어려운 강고한 공유 결합 | 부드러움. 층들 쉽게 분리됨 |
| 전기 절연체 | 양호한 전기 전도체 |
이후 재료가 방사상으로 갈라지며 결국 분해. 라이스 대학 연구진은 그래핀 300층(최대 100nm 두께)이 그런 미세 탄환을 완전히 막을 수 있음을 발견.
흑연은 어두운 회색~검정, 불투명, 매우 부드러움(모스 경도 1.5), 다이아몬드는 무색 투명 가능, 자연계 가장 단단한 물질.
흑연은 매우 부드러워 이 척도에서 경도 1~2. 다이아몬드는 가장 단단한 천연 물질로 경도 10. 다른 천연 물질 중 경도 10인 것 없음.
흑연 분자에서 각 탄소 원자의 원자가 전자 하나가 자유로움. 프레임워크 내 자유 전자 덕분에 흑연은 전기를 전도. 따라서 흑연은 양호한 전기 전도체라 합니다.
각 탄소 원자의 혼성화가 sp³라는 설명은 흑연에 옳지 않음. 탄소 전자 배치는 1s²2s²2p².
탄소의 4번째 원자가 자유로움. 그래서 양호한 전기 전도체고 이것이 광택 화합물로 만듦. 광택은 빛이 결정/광물/암석 표면과 상호작용하는 방식. 따라서 흑연은 금속 광택을 가짐.
흑연은 여러 층으로, 각 층은 탄소 원자의 육각형 배열. 층 간 약한 힘으로 서로 미끄러질 수 있음. 이 미끄러짐이 흑연을 미끄럽게 하고 비교적 좋은 윤활제로 만듦.
흑연은 비금속이며 전기를 전도하는 유일한 비금속. 주기율표 오른쪽에서 비금속 찾기 가능, 흑연은 양호한 전기 전도체인 유일한 비금속.
다이아몬드는 고성능 마이크로전자 민감 부위 열을 빼내는 방열판에 사용. 흑연 용도: 분말 흑연은 중장비 윤활제로. 어두운 회색 색상 이용해 검은 페인트와 잉크 제조에도 쓰임.
그래핀은 단순히 흑연의 한 원자 층 – 육각형/벌집 격자 배열 sp² 결합 탄소 원자 층. 흑연은 흔한 광물로 그래핀 여러 층으로 구성. 그래핀과 흑연의 구조적 구성과 제조법은 약간 다름.
"그래핀은 다이아몬드보다 강하고 단단하면서 고무처럼 길이 1/4까지 늘어남" 안드레 가임, 2010년 노벨물리학상 수상자(콘스탄틴 노보셀로프와 공동)로 그래핀 발견 공로.
단일 층 탄소 원자로 된 그래핀은 존재 확인된 가장 강한 소재로, 강철보다 200배 강하고 종이보다 가볍고 놀라운 기계적/전기적 특성 보유.
흑연은 층 구조. 층 간 약한 반데르발스 힘. 그래서 층들이 서로 미끄러질 수 있음. 따라서 흑연은 부드러움.
흑연은 흥미로운 물질, 탄소 동소체(다이아몬드도 마찬가지). 금속과 비금속 양쪽 특성 나타냄. 하지만 금속처럼 흑연은 외부 원자가 껍질 전자 이동성 덕분에 매우 양호한 전기 전도체.
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