공유성 그물 구조 고체 그리고 탄소와 규소

1. 공유성 그물 구조 고체

1) 탄소

① 흑연

흑연은 검정색의 윤활성 물질입니다. 이와 같은 성질은 흑연의 층상 구조에 기인합니다. 공기와 물분자가 흑연층의 평평한 면에 흡착하여 층들은 서로 잘 미끄러지고, 흑연은 매끄러운 느낌과 윤활 성질을 띱니다. 보통의 압력에서 흑연은 다이아몬드보다 안정하지만, 매우 높은 압력과 높은 온도에서 다이아몬드로 전환될 수 있습니다. 흑연처럼 검고 빛나는 풀러렌은 루비듐 금속과 반응시키면 풀러렌화 루비듐($ Rb_{3}C_{60})이라는 초전도 물질이 생성됩니다.

② 풀러렌

흑연은 탄소의 가장 흔하고 안정된 형태의 동소체입니다. 흑연 및 다이아몬드와 더불어 탄소의 세 번째 동소체는 풀러렌(fullerene)입니다. 풀러렌은 축구공과 같은 독특한 모양을 가지며, 구형의 $ C_{60}$ 분자로 이루어져 있습니다. $ C_{60}$ 구는 오각형 면 12개와 육각형면 20개를 가지고 있으며 각 원자는 $ sp^{2}$로 혼성되어 있고, 세 개의 탄소 원자와 결합합니다.

흑연과 풀러렌 모두와 밀접한 관련이 있는 탄소 동소체를 나노튜브(nano tube)라고 부르는데, 흑연 한 층을 말아 올린 것과 같이 반복되는 육원자 탄소 고리로 이루어진 튜브 모양의 구조이다. 일반적으로 튜브의 지름은 2~30 nm이고, 길이는 1 mm 이하입니다.

③ 탄소 동소체의 특징

탄소 동소체들의 구조가 다르면 서로 다른 성질을 나타냅니다. 다이아몬드는 모든 원자들이 단일 결합으로 단단히 붙잡혀 있는 3차원 구조를 형성하기 때문에 지금까지 알려진 물질 중에서 가장 단단합니다. 또한 다이아몬드는 전기적으로 부도체입니다

2) 규소

$ CO_{2}$와 $ SiO_{2}$의 성질 차이는 탄소와 규소의 전자구조가 다르기 때문입니다. 탄소-산소 이중 결합(double bond)의 $ \pi$ 결합은 탄소의 2p 오비탈과 산소의 2p 오비탈이 옆으로 겹쳐 생성됩니다. 따라서 규소-산소 이중 결합이 형성되려면 산소의 2p 오비탈과 규소의 3p 오비탈이 겹쳐야 합니다. 그러나 Si-O의 결합 길이는 C-O의 결합 길이보다 길고, 3p의 오비탈이 2p의 오비탈보다 크기 때문에 두 오비탈은 잘 겹쳐지지 않습니다. 결과적으로 분자 구조에서 규소는 두 개의 산소와 두 개의 이중 결합을 형성하지 않고, 네 개의 산소와 네 개의 단일 결합을 형성하는 공유성 그물 구조를 갖습니다. 1600 ℃ 이상으로 실리카를 가열하면, 많은 Si-O 결합이 끊어지고 결정성 고체로부터 점성이 큰 액체로 변화합니다. 이와 같은 유체를 냉각하면, 일부 Si-O 결합이 무질서한 배열로 재형성되어 석영 유리(quartz glass)라고하는 비결정성 고체가 형성됩니다.