동소체

다이아몬드와 흑연은 탄소의 동소체이다.

동소체(allotropy)는 한 종류의 원소로 구성되어 있지만, 그 원자의 배열 상태나 결합 방법이 달라서, 성질이 서로 다른 성질의 물질로 존재할 때, 이 여러 형태를 말한다. 예를 들어, 다이아몬드와 흑연은 탄소 원자로만 이루어져 있는데, 다이아몬드에서 정사면체의 중심에 위치한 탄소 원자는 서로 다른 4개의 탄소 원자와 결합한 그물 구조 형태이고, 흑연의 탄소 원자는 정육각형의 널빤지 꼴 모양이 층을 쌓은 형태의 층상 구조 형태이다. 즉, 다이아몬드와 흑연은 같은 탄소로 이루어졌어도 서로 구조가 다르므로 이들을 통틀어 탄소의 동소체라고 한다. 동소체라는 용어는 같은 상태(고체, 액체, 기체 등)에서 같은 원소로 구성된 분자에 국한(다양한 원소로 구성된 화합물이 아님)되어 사용된다.

역사

동소체는 1841년 스웨덴의 과학자 베르셀리우스(J. J. Berzelius)에 의해 제안되었으며 이 용어는 '가변성(variability)'을 뜻하는 그리스어 άλλοτροπἱα에서 파생되었다. 1860년 아보가드로의 법칙(Avogadro's law)이 받아들여진 후, 원소는 다원자 분자(polyatomic molecules)로 존재할 수 있기에 산소(O₂)와 오존 (O₃) 분자는 산소 원소의 동소체로 인식되었다.

한편, 독일의 화학자 오스트발트(F. W. Ostwald)는 1912년까지 원소들의 동일성은 다양한 화합물에서 일어날 수 있는 다형현상(polymorphism) 중 하나의 특별한 현상이기 때문에 동소체라는 용어는 폐기되거나 다형체(polymorph) 또는 그 현상으로 대체되어야 한다고 주장하기도 하였다. 비록 많은 다른 화학자들이 이러한 주장에 동의했지만, 현재 IUPAC과 대부분의 화학 문헌은 동소체란 용어를 사용하고 있다.

동소체의 특성

동소체는 동일한 원소의 서로 다른 구조적인 형태이며, 매우 다른 물리적 특성 및 화학적 거동을 나타낼 수 있다. 동소체 간의 구조 변화는 압력, 빛, 온도 등의 조건 변화에 의해 가능하다. 따라서 각 동소체의 안정성은 특정한 조건에 달려있다. 예를 들어, 철은 906°C 이상의 고온에서 체심 입방 결정(body-centered cubic)에서 면심 입방 결정(face-centered cubic) 구조로 변하며, 주석은 13.2°C 이하의 저온에서 금속 형태가 반도체 형태로 변화한다. 또한, 각 동소체 간의 강도는 원자들 간의 결합 방식이 다를 때 차이가 나는데 다이아몬드와 흑연의 강도 차이의 원인이 여기에 있다. 즉, 다이아몬드의 탄소 원자는 원자 간에 sp3 혼성궤도함수의 공유 결합에 의한 삼차원적으로 그물 구조를 이루어 매우 강하지만, 흑연의 탄소 원자는 원자 간에 sp2 함수의 공유 결합으로 된 층상 구조 형태로서 층과 층 사이가 약한 분자 간 인력으로 느슨하게 되어 있다. 따라서 다이아몬드는 강한 충격을 받아도 원자들이 서로 떨어지지 않지만 흑연은 조금만 충격을 받아도 쉽게 분자 단위에서 무너져 내린다.

화학적 거동 면에서도 서로 다른 성질을 갖는 동소체의 예로써, 오존은 산소 분자보다 훨씬 더 강한 산화제(oxidant)이다.

동소체의 종류

• 탄소 : 흑연, 다이아몬드, 풀러렌, 탄소 나노튜브, 그래핀, Lonsdaleite, 비결정성 탄소(amorphous carbon)
• 산소 : 산소(O₂), 오존(O₃), 사산소(O₄), 팔산소(O₈)
• 셀러늄 : 붉은색 셀레늄(red selenium), 회색 셀레늄(gray selenium), 검은색 셀레늄(black selenium), 단사결정 셀레늄(monoclinic selenium)
• 인 : 백린, 적린, 흑린, 황린, 자린(violet phosphorus)
• 황 : 단사황, 사방황, 고무상황
• 질소 : 질소(N₂), trinitrogen(N₃), tetranitrogen(N₄)
• 주석 : 백색주석, 회색주석
• 철 : 알파-철, 감마-철, 델타-철, 입실론-철
• 코발트 : 알파-코발트, 베타-코발트
• 폴로늄 : 알파-폴로늄, 베타-폴로늄
• 붕소 : 비결정성 붕소, 알파-마름모결정 붕소, 베타-마름모결정 붕소, 감마-마름모결정 붕소, 알파-정방결정 붕소, 베타-정방결정 붕소
• 규소 : 비결정성 규소, 결정성 규소, 실리센(silicene)
• 저마늄 : 알파-저마늄, 베타-저마늄
• 안티모니 : 노란색 안티모니, 검정색 안티모니, 폭발성 안티모니, 파란색-백색 안티모니

참고자료

• 〈동소체〉, 《화학백과》
• 〈동소체〉, 《나무위키》
• 〈동소체〉, 《위키백과》

같이 보기

• 동위원소
• 이성질체

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