흑연은 비금속임에도 불구하고 전기가 흐르는데, 그 이유가 무엇인가요?

Question

안녕하세요~

흑연은 비금속임에도 불구하고 전기가 잘 흘러 많은 곳에서 이용이 되는데요. 흑연의 구조와 전도성을 관련 지어 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

흑연은 탄소(C) 원자로만 이루어진 물질입니다. 탄소 원자는 가장 바깥 껍질에 4개의 전자(원자가 전자)를 가지고 있어 보통 4개의 결합을 형성하지만, 흑연의 구조 내에서는 각 탄소 원자가 주변의 다른 탄소 원자 3개와만 강한 공유 결합을 형성합니다. 이 과정에서 결합에 참여하지 못한 마지막 1개의 전자가 남게 되는데, 이 전자가 특정 원자에 묶이지 않고 층 내부를 자유롭게 이동할 수 있는 자유 전자 역할을 하게 됩니다.

탄소 원자들이 3개씩 결합하면서 평면상에서는 육각형 벌집 모양의 그물 구조를 만듭니다. 이러한 평면들이 층을 이루어 겹겹이 쌓여 있는 것이 흑연의 특징입니다. 앞서 언급한 자유 전자들은 이 평면(층) 내부에서 마치 금속의 전자처럼 자유롭게 움직일 수 있는 통로를 갖게 됩니다. 외부에서 전압을 걸어주면 이 전자들이 층을 따라 원활하게 이동하면서 전류가 흐르게 됩니다.

흑연의 전기 전도성은 구조적인 특징 때문에 방향에 따라 차이가 납니다. 탄소 원자들이 결합한 층과 평행한 방향으로는 자유 전자의 이동이 매우 활발하여 전기가 매우 잘 통합니다. 반면, 층과 층 사이는 결합력이 약하고 전자가 건너가기 어려운 구조여서 층에 수직인 방향으로는 전기가 잘 흐르지 않습니다. 이러한 이유로 흑연은 비금속임에도 불구하고 특정 방향으로 우수한 전기 전도성을 가지는 독특한 소재가 됩니다.

Answer 2

안녕하세요.

말씀해주신 것처럼 흑연은 탄소로 이루어진 동소체 중 하나이며 비금속에 속하지만 전기가 잘 흐릅니다. 결정 구조와 전자의 결합 방식 때문인데요, 원래 대부분의 비금속은 전자를 강하게 붙잡고 있어서 자유롭게 이동할 수 있는 전하 운반자가 부족하기 때문에 전기가 잘 흐르지 않지만, 흑연은 예외적인 구조를 가지고 있어 이러한 일반적인 규칙에서 벗어나는 성질을 보이는 것입니다. 흑연은 탄소 원자들이 평면상에서 육각형 구조를 이루며 반복적으로 배열된 물질인데, 이때 각 탄소 원자는 세 개의 다른 탄소와 결합하면서 sp² 혼성화를 형성합니다. 이 결합은 평면 내에서 매우 강한 공유결합을 만들어 안정한 구조를 이루는데요, 이때 탄소가 원래 가지고 있는 네 개의 원자가 전자 중에서 세 개만 결합에 사용되고, 나머지 한 개의 전자는 특정 결합에 고정되지 않고 평면 위아래로 퍼져 있는 전자 구름 형태로 존재합니다. 이 전자들을 π전자라고 하는데요, 이들은 특정 원자에 속해 있는 것이 아니라, 결정 전체에 걸쳐 비편재화 되어 있기 때문에 외부에서 전압이 가해지면 이 전자들이 비교적 자유롭게 이동할 수 있게 됩니다. 이처럼 이동 가능한 전자들이 전류를 흐르게 하는 주된 원인으로 작용하는데요, 즉 금속처럼 완전히 자유롭지는 않지만 부분적으로 자유로운 전자 시스템이 형성되어 있기 때문에 전도성이 나타나는 것입니다. 감사합니다.