How big is 탄소 원자?

탄소 원자는 양성자 6개와, 보통 중성자 6개로 이루어진 원자핵 주위에 전자 6개가 있다. 이 사이트의 수소 원자와 같은 방식, 곧 가장 바깥쪽 전자가 발견될 확률이 가장 높은 거리의 2배로 재면 지름이 약 0.13나노미터, 곧 130피코미터이다. 1나노미터는 10억분의 1미터이고, 1피코미터는 1나노미터의 1,000분의 1이다.

크기

원자에는 고정된 모양이나 크기가 없어서 크기를 정의하는 방법이 여러 가지이고, 방법마다 값이 다르다. 여기서 쓴 값은 전자가 있을 확률이 가장 높은 위치를 계산한 결과에서 나온다. 탄소의 전자 6개 중 2개는 원자핵 가까이에 머물고, 나머지 4개는 이 사이트의 그림에 나온 것처럼 더 바깥쪽에 있다. 바깥쪽 전자 4개는 원자핵에서 약 65피코미터 떨어진 곳에서 발견될 확률이 가장 높고, 그래서 원자의 지름은 약 130피코미터이다.

분자 속 원자에는 화학자들이 다른 척도를 자주 쓴다. 공유 반지름은 결합한 두 원자의 중심 사이 거리의 절반이다. 단일 결합으로 이어진 탄소 원자 두 개는 평균 154피코미터 떨어져 있으므로, 이 척도로는 탄소 원자의 지름이 약 150피코미터이다.

반데르발스 반지름은 이와 달리 서로 떨어져 있는 두 원자가 서로 밀어내기 전까지 얼마나 가까이 다가갈 수 있는지를 잰다. 이 척도로는 탄소 원자의 지름이 약 340피코미터이다.

크기 비교

탄소 원자의 지름은 수소 원자의 약 1.2배이다. 수소 원자의 지름은 같은 척도로 106피코미터이다.
DNA 이중 나선은 너비가 약 2나노미터로, 탄소 원자 약 15개를 늘어놓은 너비와 같다.
탄소 원자 약 60만~80만 개를 옆으로 나란히 늘어놓으면 사람 머리카락의 굵기에 해당한다.
탄소 원자를 농구공 크기, 곧 지름 약 24센티미터로 확대한다면, 사람 머리카락은 굵기가 약 150~185킬로미터일 것이다.

탄소 원자가 서로 결합하는 방식

탄소 원자는 결합을 4개 만드는 경향이 있고, 서로 이어져 다양한 길이의 사슬을 이룰 수 있다. 이렇게 여러 길이의 사슬을 만들 수 있기 때문에 탄소는 생명에 꼭 필요하다. 이중 결합은 단일 결합보다 탄소 원자 두 개를 더 가깝게 끌어당겨 134피코미터가 되게 하고, 삼중 결합은 120피코미터가 되게 한다.

순수한 탄소는 다이아몬드, 흑연, 그래핀을 비롯해 여러 형태로 존재한다. 다이아몬드는 암석을 자를 수 있을 만큼 단단하고, 흑연은 무르다. 그래핀은 원자 단 한 개 두께의 탄소 원자 판으로, 닭장용 철망처럼 육각형 무늬로 이어져 있다.

탄소 원자 하나하나 관찰하기

탄소 원자 하나하나는 광학 현미경으로 보기에는 너무 작지만, 전자 현미경으로는 관찰되었다. 2008년 로런스 버클리 국립연구소의 연구진은 TEAM 0.5 현미경으로 그래핀 판 속 탄소 원자 하나하나가 보이는 이미지를 만들었다. 그래핀은 약하기 때문에 에너지가 낮은 더 부드러운 전자빔을 썼고, 이 전자빔으로도 1옹스트롬(100피코미터) 간격의 세부 구조를 가려낼 수 있었다.