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화학종류탄소화학물

생명의 원소 탄소(=C=), 탄소화합물 Carbon chemistry

화합물의 backbone
- 탄소는 Super flex : 요술쟁이 네 개의 팔로 온갖 조화 부린다.
- 탄소는 Super power : 가장 단단한 구조물을 만든다

- 세상은 생각보다 단순한 물질로 만들어졌다
- 모든 것이 화학물질이다
- 종류는 몇 종인가 ?
- 탄소 순환
- 바다 : 이산화탄소의 포집
- 식물은 가장 위대한 화학자
- 동소체 : 흑연, 다이어몬드, 풀러렌

- CH : 탄화수소
- CHO : 지방, 탄수화물,유기산
- CHONS : 단백질
- CHONSP : 핵산,ATP

탄소는 지금까지 존재가 확인된 114종의 원소 중에서 6번째로 가벼운 원소다. 아득한 옛날 태양보다 큰 별들이 수명을 다할 때 일어나는 초신성 폭발 과정에서 만들어진 탄소가 지천으로 널려있는 것은 아니다. 탄소는 태양 질량의 0.29%에 불과하고, 지구에서도 12번째로 흔한 원소일 뿐이다. 그렇다고 탄소를 함부로 여길 수는 없다. 탄소가 나타내는 놀라운 수준의 화학적 다양성 때문이다. 지금까지 알려진 7000만 종이 넘는 화학물질 중 절대 다수가 탄소로 만들어진 것이다. 서열과 구조가 분명하게 확인된 단백질과 DNA의 수도 6000만 종이 넘는다.




탄소(carbon, 원소기호 C)는 석탄을 뜻하는 라틴어인 카르보(carbo)에서 유래한다.
외각전자가 4개라는 사실은 탄소가 다른 어떤 원소보다 다양한 화합물을 만들 수 있다는 가능성을 나타낸다. 지금까지 알려진 1천만종에 가까운 화합물 가운데 탄소가 다른 원소와 결합해 이뤄진 화합물이 대부분을 차지하고 있으니 그 다양성이 어느 정도인지 짐작할 수 있을 것이다. 이렇게 탄소와 결합한 화합물을 탄소화합물 또는 유기화합물이라고 한다.
1807년 스웨덴의 화학자 베르젤리우스는 물질을 유기물과 무기물로 구별했다. 유기물은 무기물과 달리 생물체 중에 있는 생명력과 관계가 있다고 믿었다. 이를 생기론(Vitalism)이라고 한다. 베르젤리우스는 유기화합물은 생물체의 생명력에 의해서만 만들어지는 것으로 동식물의 체내에만 존재하고 인공적으로 합성할 수 없다고 생각했다.
이렇듯 엄청난 수의 탄소화합물이 만들어질 수 있는 중요한 이유는 탄소가 수소, 질소, 산소, 황 등의 비금속 원소와 안정한 공유결합 화합물을 만들기 때문이다. 또 탄소가 다른 원자와 결합할 수 있는 최외각 전자가 4개라는 사실과 적절한 크기(0.077nm)를 갖고 있는 것도 다양한 화합물을 만들 수 있는 중요한 이유다.
탄소와 같이 4개의 외각전자를 가지고 있지만 크기가 0.118nm으로 너무 커서 탄소처럼 온갖 조화를 부리기 어려운 원소가 바로 규소(Silicone, Si)다.
또 탄소화합물은 탄소의 수가 증가할수록 사슬 모양, 가지모양, 고리 모양 등의 다양한 구조를 만들 수도 있다. 만약 과학자들이 조물주가 돼 새로운 생명체를 탄생시킨다면 무엇보다도 탄소를 이용할 것이라고 하는 이유도 여기에 있다.

생명의 원소인 탄소는 지구 환경에서 생명현상을 유지하기 위해 다음과 같은 여러 생명조건을 충족하고 있다.

첫째 생체 구성물은 에너지를 함유하고 전환하는 작업이 용이해야 한다.
둘째 생체 구성물의 조립과 분해가 용이해야 한다.
셋째 생체 구성물은 구조적 다양성을 수용할 수 있어야 한다.
넷째 생체 정보인 두뇌정보, 유전정보, 구조정보 등을 수용하고 처리할 능력이 있어야 한다.
다섯째 지구상에 풍부하게 존재해야 한다.

탄소 하면 대부분의 사람들이 석탄을 떠올리는 것은 어쩌면 당연할지도 모르겠다. 하지만 석탄은 탄소덩어리의 가장 초보적인 모습에 불과하다. 석탄은 단지 연료로만 사용되는 것이 아니다. 석탄에서는 비닐론과 같은 합성섬유의 원료도 나오고 또 비료나 온갖 귀중한 의약품을 만드는데 유용하게 쓰인다. 공업에서 중요한 또하나의 원료는 원유다. 사람들은 생활의 에너지원인 원유를 떠올리면서도 이 원유가 탄화수소의 혼합물이라는 사실은 잊고 있는 듯하다. 원유에는 탄소가 83-87%, 수소가 11-17% 들어있고 나머지는 산소, 질소, 황 등으로 돼 있다. 그렇다면 이러한 원유들이 많은 탄소를 함유한 까닭은 무엇일까. 그것은 바로 아주 먼 옛날 동식물과 같은 유기체가 지각 변동이나 자연조건의 변화로 땅속에 묻혀 오랜 세월이 흐르면서 원유로 변했기 때문이다.
이밖에도 주변에서 볼 수 있는 아름다운 꽃이나 나무, 동물들, 사람들의 기본 골격을 구성하고 있는 것도 탄소이고, 우리가 입고 다니는 옷도 탄소로 이뤄진 화합물이다. 즉 1371년 문익점이 목화를 심기 시작한 때부터 입었던 무명천, 1935년 나일론이 처음 만들어졌을 때부터 입고 있는 수십 종의 합성섬유가 모두 탄소화합물이다.
또 우리가 사용하는 플라스틱 그릇, 가구, 음식들에도 모두 탄소가 포함돼 있다. 뿐만 아니다. 담배의 필터 부분을 보자. 흡착성이 뛰어난 차콜이라는 까만 알갱이는 담배가 연소될 때 발생하는 유해 기체들을 흡착한다. 또 우리가 먹는 까만 설탕도 탄소를 통과하면 흰 설탕으로 바뀐다. 강이 오염됐다는 소식이 있으면 제일 먼저 출동하는 것이 탄소로 이뤄진 활성탄들이다. 또 배탈이 났을 때 지사제로 쓰이는 약의 주성분은 탄소다.  이밖에도 가볍고 강도 높은 재료를 필요로 하는 스포츠용품에는 거의 탄소가 약방의 감초처럼 끼어있다. 근래에는 우주선의 전지에서부터 각종 부속품을 포함한 몸체까지 탄소가 포함되지 않은 곳이 없다. 사람들은 산소가 없으면 곧 죽을 것처럼 떠든다. 하지만 정작 탄소가 없으면 죽는다는 것을 알고 있을까. 도대체 탄소는 어떤 원소이기에 보이지 않게 이 세계를 움직이고 있는 것일까.

4개의 전자가 외각전자로 있다. 이들 외각전자가 어떤 배치를 하느냐에 따라 흑연이 될 수도 있고 다이아몬드가 될 수도 있다. 4개의 전자가 공유결합을 위한 팔을 뻗어 정사면체의 꼭지점에서 다른 탄소와 결합을 하면 전기전도성이 없는 다이아몬드가 된다. 물론 결합력은 강해 경도가 높다.
반면 흑연은 4개의 전자 중 3개는 평면에서 1백20도로 결합할 수 있는 팔을 만들고 나머지 한 개의 전자는 평면에 수직으로 팔을 뻗어 다른 탄소와 결합돼 있다. 동일 평면상에서 결합돼 있는 힘은 매우 강하나 아래위에 겹쳐져 있는 면들 간의 결합은 약하다. 따라서 흑연층 간의 결합은 파괴되기 쉽고 윤활성이 좋다. 이러한 성질을 이용한 것이 연필심과 같은 것이다.
흑연의 평면에 수직된 방향으로 결합을 이루고 있는 전자는 평면을 따라 쉽게 움직일 수 있어서 흑연은 전기를 잘 통하는 물질이 된다. 이런 전자들은 가시광선 영역의 빛을 모두 흡수하기 때문에 흑연을 비롯한 탄소재료의 대부분이 검은색을 띤다. 반면 다이아몬드는 탄소의 외각전자들이 모두 탄소와 탄소 사이에 묶여있어서 가시광선을 흡수하지 못하기 때문에 투명하게 보이는 것과 비교가 된다.
결합하는 방법에 따라 흑연과 다이아몬드로 그 운명을 달리한 탄소가 근래 들어서는 또다른 모습으로 현대의 과학자들을 흥분시키고 있다. 그들은 다름 아닌 풀러렌(Fullerene)과 탄소나노튜브. 이들은 나노테크놀러지의 선두 주자로 초전도체나 집적도가 어마어마한 반도체로서 각광을 받고 있다.



생명체는 왜 탄소를 택하였는가?

→ 탄소는 지구상에서 13번째로 많은 원소이지만 지구전체를 놓았을때는 0.2%밖에 되지 않는다 탄소화합물은 다른 원소로 이루어진 화합물의 수보다도 많습니다. 이는 탄소의 성질이 새로운 화합물을 만들기 위해 그 어떠한 원소보다도 용이 하다는 말이다.

어떠한 성질 때문에 화합물을 만드는데 용이하다는 것일까?

우선 탄소는 공유결합(covalent bond)을 하는데 최적의 조건을 가지고 있으며 생명체를 이루는 다른 원자들 특 수소. 질소. 산소. 황, 등의 비금속 원소와 안정한 공유결합 화합물을 만들 수 있다. 여기서 공유결합이란 2개의 원자들이 원자가전자(valence electron)의 전자쌍을 서로 공유하여 결합을 이루는 상태라고 말할 수 있다. 그런데 탄소는 가장 바깥 껍질에 4개의 전자들을 가지고 있다. 이 4개의 전자들이 옥텟(octet) 규칙에 의하여 다른 원소들의 각각의 전자들과 4번의 공유결합을 할 수 있게 된다. 그러나 이러한 의문을 가질 수 있을 것이다. “생명체들은 왜 공유결합이 필요하며, 원소들은 그냥 가만히 있을 것이지 공유결합을 하려고 하는 것인가?” 생명체에게 공유결합이 필요한 이유는? 화학결합의 종류는, 이온결합, 공유결합, 배위결합, 수소결합들이 있는데 이중 생명체에서 적합한 화학결합은 이온결합과 공유결합 두 개로 꼽을 수 있는데 세포속의 물 때문에 이온결합은 결합이 쉽게 부숴지는 경향이 있어서 생명체에서의 가장 적합한 화학결합은 공유결합이라고 말할수 있는 것이다. 원소들은 왜 공유결합을 하려고하는 것인가? 그 이유는 원자핵 주위를 돌고있는 전자들 중에서 가장 바깥껍질에 있는 전자(원자가 전자)가 8개 일 때 매우 안정한 상태가 된다. 여러분들은 안정한 상태이고 싶은가 아니면 불안정하고 싶은가? 누구에게 물어보아도 편하고 행복한 안정한 상태가 되고들 싶을 것이다. 아마도 원자역시 안정하고 싶을 것이다. 그러니 안정한 상태인 원소들(불활성 기체)을 빼고는 모든 원자들 역시 원자가 전자8개 이도록 만들고 싶을 것이다. 그래서 공유결합을 할 수 있다. 이것이 옥텟규칙이다. 본론으로 되돌아와서 즉, 탄소가 4번의 공유결합을 할 수 있다. 그러면 가장 바깥껍질에 4개의 전자를 가지고 있는 원소들 특 14족 원소들 규소, 저미늄, 주석, 남도 탄소와 같이 최적의 공유결합을 할 수 있는 요소들이라고 할 수 있다. 하지만 규소 다음부터인 저미늄부터는 금속이며 옥뎃규칙은 d오비탈 이상이 되면 옥텟규칙이 거의 작용하지 않는다고 봐야된다.

규소가 아닌 탄소가 선택받은 이유는?
첫 번째 특징은 위 규소의 특징과 같이 규소는 탄소보다 큽니다.

약 탄소의 크기는 0.077mm 정도이며 규소의 크기는 0.118mm 정도라고 합니다. 0.041의 크기 차이인데 규소는 거의 탄소의 절반정도가 더 크다는 말인데 이렇게 규소가 크면 상대적으로 다른 원소들과 다양한 결합을 하기 힘들어지며 결합을 통하여 형성된 화합물들이 세포를 이룰 때 그 크기가 상대적으로 비대해 질 거라고 봅니다. 세포의 가장 큰 특징인 “작다 왜? 부피에 비해서 표면적이 늘어나닌까” 라는 특징에 규소는 효율적이지 못합니다.
뭐 그러면 생물체 전체가 모두 커지면 되지 않겠느냐 라고 생각할 수 있습니다. 그럼 두 번째 특징을 한번 보겠습니다.

두 번째 특징은 규소화합물은 탄소화합물보다 결합강도가 강합니다.
결합강도가 강하면 좋은 것이 아니냐? 뼈도 잘 안 부러지고 잘 다치지도 않으며 강한 힘을 낼 수도 있고 수명도 길어 지겠지요 하지만, 반대로 생각해보면 생체구성물의 조립과 분해가 용이하지 않으며 필요치 않고 해가되는 물질들은 없어 버려야하는데 그러지 못하게 됩니다. 뿐만 아니라 대사 작용시 생산되는 ATP 가지고 에너지를 사용하는데 ATP 생산과정에서 링크를 끊음으로 인하여 에너지를 생산시키는데 그 링크를 부수지 못하여 에너지 생산에 차질이 생기게 되며 그 외 세포분열, 단백질합성 등 모든 생명현상에서는 모두 탄소를 끊었다 붙였다 하며 여러 대사 작용을 하는데 결합강도가 높아져서 결합되지도 끊어지지도 않는다면 DNA생성, 단백질 합성, 성장, 생식 등 어떠한 생명현상도 일어나지 않을 것입니다.

마지막 세번째 상온에서의 규소와 탄소의 성질 때문입니다.
탄소-산소 즉, Co₂는 기체로 존재 하고 있는 반면에 규소-산소 화합물은 상온에서 고체로 존재하기 때문입니다. Co₂즉 이산화탄소는 1차 생산자인 식물에서 에너지 소스로 섭취가 가능하지만 규소-산소 화합물인 석영은 식물이 에너지 소스로 사용하려면 석영을 잘게 부수어서 사용하여야하는데 식물에게는 잘게 부수는 능력이 없지요. 그러면 규소-산소 화합물을 기체로 섭취 하려면 되어야한다면 평균온도는 몇 백도가 되어야 할 것입니다. 이러한 환경에서는 생명체가 살 수 없을 것입니다.
즉, 규소는 탄소보다 크고, 결합강도가 높으며, 상온에서 고체 상태를 이룹니다.

이러한 세가지의 이유로 인하여 규소는 비록 원자가 전자가 4개여서 효율적인 공유결합을 이루어도 생명현상을 이루기에는 적합하지 못하는 이유겠지요.


 

 


페이스북       방명록      수정 2017-07-05 / 등록 2010-10-07 / 조회 : 32097 (605)



우리의 건강을 해치는 불량지식이 없는 아름다운 세상을 꿈꾸며 ...  2009.12  최낙언