흑연

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흑연(黑鉛, 영어: graphite) 또는 석묵(石墨)은 탄소동소체 중 하나이다. 천연에서 산출되기도 하고, 인공적으로 제조되기도 한다. 흑연의 영어 이름인 "graphite"는 "(글 따위를) 쓰다"라는 뜻을 가진 그리스어 "graphein"에서 유래되었다.[1]

소량의 무기물유기물이 포함되어 있으면서 산화적 환경에 노출되지 않고 접촉 변성 작용 또는 광역 변성 작용을 받아 생성된 사암, 셰일, 석탄, 석회암 등의 암석과 함께 천연에서 산출될 수 있고, 환원성 환경에서 생성된 사문암, 석회암과 함께 발견되기도 한다. 주로 편마암, 편암 등과 함께 발견된다.[2] 스리랑카, 마다가스카르, 조선민주주의인민공화국, 멕시코소노라주, 캐나다온타리오주, 서시베리아, 미국뉴욕주에 상당량이 매장되어 있다.[1] 흑연은 간혹 운석에서도 발견되는 경우가 있다.[2]

흑연은 굳기가 약 1.5로 매우 부드러운 편이다. 비중은 2.23이지만, 구멍이나 불순물에 의해서 더 낮아질 수 있다. 색은 흑색에서 철회색을 띠며 금속광택을 가진다. 녹는점, 끓는점 등은 명확하지 않다. 전기 전도체로 작용하며, 전기저항은 방향에 따라 큰 차이를 보인다. 천연일 경우 결정의 형태는 육각 판 모양의 편평한 모양이며, 인공일 경우 결정은 비늘상이나 덩어리상이다. 내열성, 내열충격성, 내식성이 강하고 전기 및 열 전도성이 좋은 편이다.[2]

흑연의 구조는 탄소 여섯 개로 이루어진 고리가 연결되어 층을 이룬 모양으로 c값(층간 간격의 2배)은 6.696Å, 탄소간 결합 길이는 1.42Å이다. 흑연의 단위격자탄소 원자 4개를 포함한다. 격자상수는 2.456Å이다.[3]

화학적으로는 상당히 안정한 물질로 공기 중에서의 발화점은 500~600°C 또는 그 이상이다. 산소 중에서 가열하면 600~700°C에서 이산화 탄소가 된다. 분말을 진한 황산과 진한 질산의 혼합물로 처리하면 녹갈색의 산화흑연을 얻을 수 있다. 또한 진한 황산산화제와 함께 가열하면 광택이 있고 청자색의 물질인 황산수소흑연이 된다. 질산으로 산화시키면 멜리트산을 얻을 수 있다.[3]

인공적으로 합성된 흑연은 성질의 편차가 심하기 때문에 공업용으로는 잘 사용되지 않는다. 제유 과정에서 생산되는 코크스탄소 공급원으로 하여 만들어지는 경우가 많다.[2]

인조 흑연은 미국의 에드워드 굿리치 애치슨에 의해서 처음으로 합성되었다. 그는 탄화 규소로 실험을 하다가 4150°C에서 탄화 규소의 규소성분이 증발해 버리고 남은 탄소가 흑연의 형태로 남아 있는 것을 발견하였다. 1896년 애치슨은 흑연 생산에 대한 특허를 냈으며 상업적인 인조 흑연 생산은 1897년부터 이루어졌다.[1]

인조 흑연은 무정형 탄소를 고온으로 가열하여 만들어지는데, 일반적으로는 2500~3000°C로 가열하지만 천연 흑연의 구조와 가깝게 만들기 위해서는 더 높은 온도가 필요하다. 또한 원료 탄소 화합물의 구조에 따라서는 인조 흑연으로 만들기가 어려운 경우도 있다.[3]

흑연은 주로 다음과 같은 용도로 사용된다.[3][4]

흑연
흑연의 결정 구조
흑연의 단위격자