깊이가 있는 탄소이야기

이 세상은 탄소로 만들어졌다고 해도 과언이 아닙니다. 
탄소는 알면 알수록 더욱 깊이가 있습니다. 
유기물(유기화합물)은 생명체의 활동에 의해 생기는 탄소를 포함한 화합물입니다. 
무기물(무기화합물)은 탄소를 포함하지만 생물에 의해 만들어지지 않는 화합물로 이산화탄소가 대표적입니다. 
이 글을 통해 탄소를 자세히 알아, 2050년까지 탄소중립을 이루는데 도움이 되길 바랍니다.

원자량 12로 원자번호 6번 탄소

우주에서 수소, 헬륨, 산소 다음 네 번째로 큰 질량을 차지하며 지각에서는 15번째로 풍부한 원소입니다. 
탄소는 모든 생명체를 이루는 기본 구성 요소로 사람 체중에서 약 18%의 질량을 차지합니다.
탄소(carbon)는 핵에 양성자의 수가 6개, 그 주위 전자도 6개 있습니다.  
전자의 위치를 보면 안쪽에 2개의 전자와 바깥 계도에 4개의 전자가 있습니다.
이 바깥 4개 전자로 인해 다른 탄소 또는 다른 원자들과 자유자재로 결합하여 아주 다양한 화합물을 만들 수 있습니다.
우리가 상상할 수 없을 만큼 아주 다양합니다.  이것은 다른 원자와 비교하여 탄소만이 가지고 있는 특별함 입니다.

최초의 탄소는 어떻게 만들어졌을까요?

별(항성)의 핵융합으로부터 만들어졌습니다. 
수소와 헬륨처럼 빅뱅에서 만들어진 양성자들이 별(항성)이 만들어지는 과정에서 헬륨으로 뭉쳐지면서 어마어마한 에너지가 만들어집니다. 
양성자와 양성자가 융합을 하면 별이 발생시키는 에너지원 중 하나가 됩니다.
헬륨의 동위원소인 헬륨-4들이 서로 융합하여 감마선을 방출하면서 베릴륨-8을 만들 수 있습니다.  
베릴륨-8이 또 다른 헬륨-4와 융합하여 감마선을 방출하면서 가장 안정적인 탄소 동위원소 c-12를 만듭니다.
탄소의 전자는 총 6개로 안쪽에 2개 전자는 안정적 형태라 결합하는데 사용할 수 없고 바깥쪽에 있는 4개 전자가 화학반응에 관여합니다.
온실가스인 메테인을 보면 CH4로 탄소 바깥의 4개의 전자에 각각 수소원자 4개가 결합이 되어 있습니다.
탄소입장에서 총 8개의 전자를 수소들과 공유하고 있습니다.
8개의 전자가 원자 바깥에 안정적으로 배치되는 옥텟규칙 (Octet Rule) 을 만족합니다.
이처럼 탄소는 4개의 전자로 안정된 분자를 만들어 옷텟규칙이 성립되는 다양한 결합형태(단일결합, 이중결합...결합)로 분자를 만듭니다. 탄소는 천만여종의 유기화합물을 구성하는데 사용되는 원소입니다.
수 없이 많은 탄소구조체가 반복적으로 연결된 고분자는 플라스틱을 만들어 인간생활을 윤택하게 합니다.
※ 동위원소는 원자번호는 같으나 원자의 질량이 다른 원소(양성자의 수는 같으나 중성자의 수가 다르다.)
동소체는 한가지 원자로만 이루어졌으나 원자들의 배열 순서나 구조가 달라 성질이 다른 화합물 입니다.
탄소의 동위원소  c-12, c-13, c-14등은  자연에서 흔하게 존재합니다.  동위원소  c-12는 자연상태에서 거의 모든 탄소를 이루고 있는 형태입니다.
같은 탄소들끼리 결합하였지만 배열구조와 결합방식의 차이로 성질이 다른 화합물인 흑연이나 다이아몬드는 대표적인 탄소의 동소체입니다.
최근에는 탄소분자가 결정구조를 이뤄서 길게 늘어선 분자사슬로 이루어진 다양한 종류의 탄소섬유를 합성하여 산업 소재로 활용하고 있습니다. 
※   플러렌, 탄소나노튜브, 그레핀( 흑연을 얇게 벗겨낸 한겹의 탄소박 ), 핵자기공명 등 다양한 곳에서 탄소동위원소들이  쓰임.

화학에 생명을 불어넣은 원소인 탄소

생명 유지에 필요한 거대분자인 단백질, 지방, 탄수화물 또한 탄소 중심의 거대 화합물입니다.
이 거대 화합물들이 땅속에서 오랜 동안 열과 압력을 받으면 탄소로 구성된 석유와 석탄이 만들어 집니다.
이렇게 생명체에 의해 만들어진 탄소화합물을 유기탄소물 이라고 하는데 이를 불에 태우면 고온의 빛과 열을 발생시키면서 이산화탄소와 물이 생성됩니다. 
생물들은 산소를 이용한 호흡을 통해 유기물을 분해하여 에너지를 얻고 연소과정과 동일하게 이산화탄소와 물을 생성합니다. 
모든 생물체들이 산소를 이용하여 유기물을 분해하고 이산화탄소를 배출한다면 지구 대기의 산소 농도는 낮아지고 이산화탄소 농도는 높아질 것입니다.
그러나 유기물과 산소를 소비하는 생물만 있는 것이 아니라 이산화탄소와 물을 이용하여 유기물과 산소를 생성하는 생물들이 더 많아 걱정할 필요는 없습니다.
광합성이라는 탄소동화작용은 태양빛을 이용해 이산화탄소와 물을 결합하여 포도당이라는 유기물을 생합성하고 산소를 생성합니다.
식물, 해조류, 시아노 박테리아 등이 가장 대표적인 광합성 생물이자 스스로 먹이를 해결하는 자가영양생물체 이기도 합니다.
인간을 포함한 동물과 균류들은 유기물을 스스로 합성하지 못해 다른 생물들이 만든 유기물과 산소 호흡으로 생명을 유지합니다. 그래서 자가영양생물체인 식물, 해조류, 시아노 박테리아 등이 만드는 유기탄소에 종속되어 있기 때문에 종속영양생물체라고 합니다.
지구생태계에서 탄소는 자가 영양 생물과 종속 영양 생물의 상호 균형에 의한 일정한 순환을 통해 그 형태를 바꿉니다. 
그 매개가 바로 이산화탄소지요.  이산화탄소는 대기, 해양 심층수와 표충수에 녹아 있는 형태로 존재합니다.
특히, 해양 심층수에는 전체 이산화탄소의 95%에 달하는 38,100기가톤이 녹아 있습니다.
바다 저 깊은 곳에서 표층으로 거의 올라오지 않은 심층수는 그야말로 거대한 이산화탄소의 저장고인 셈입니다.
양조장에서 발견된 톡 쏘는 탄산은 이산화탄소 때문입니다.
아이스크림 가게에서 포장 시 넣어주는 드라이아이스는 고체형태의 이산화탄소입니다.
청량감을 느끼고 싶을 때 마시는 탄산수나 맥주 그리고 발효가 잘된 톡 쏘는 맛의 김치 또한 이산화탄소가 물에 녹아 탄산을 형성했기 때문입니다.
이렇게 우리 주변에 탄소는 넘쳐납니다.  이제 이 탄소들을 어떻게 관리하냐에 따라 지구인의 운명이 바뀝니다.