원소기호 C, 원자번호 6, 원자량 12.011, 지각중의 존재도 200ppm(16위), 안정핵종 존재비 C=98.892%, C=1.108%, 녹는점 3,550℃(비결정형), 끓는점 4,827℃, 비중 1.8~2.1(비결정성), 3.15~3.53(다이아몬드), 1.9~2.3(흑연), 전자배치 [He] 2s 2p, 주요 산화수=2, 4.

주기율표 6B족에 딸린 탄소족 원소의 하나. 비금속원소로서 황과 함께 기원전부터 알려진 원소의 하나이며, 비결정성 탄소인 그을음이나 숯은 고대로부터 알려졌다.

천연으로는 C(98.90%)와 C(1.10%)의 2종류의 동위원소가 있는데, C는 원자량의 표준(C의 원자량을 12.0000000으로 한다)이 되고 있다.

방사성 동위원소로서는 C(, 외, 반감기 19.2초), C(, EC〈전자포획〉, 20.38분), C( , 5730년), C(, 외, 2.449초)가 있다.

홑원소물질로서는 그을음 등의 비결정성 탄소, 흑연 · 다이아몬드 등의 동소체가 존재하며, 그 밖에 기권(氣圈)에는 이산화탄소 · 메탄과, 수권(水圈)에는 탄산이온, 암석권에는 탄산염 등으로 존재한다.

또한 석탄 · 석유의 성분이며, 각종 유기화합물로서 널리 생물권에 분포되어 있다.

이들 자연계에 존재하는 탄소는 각종 경로를 통해 순환하고 있다.

〔성질〕탄소의 동소체로서는 비결정성 탄소 · 흑연 · 다이아몬드가 있는데, 그 밖에 노르말사슬(곧은 사슬) 모양의 탄소분자로 이루어진 것도 있다.

각각의 물리 · 화학적 성질은 상당히 다르며, 그 차이는 각각의 구조의 차이에 기인하는 경우가 많다.

다이아몬드는 하나의 탄소원자를 중심으로 정사면체를 이루듯이 4개의 탄소원자가 단일결합(單一結合)에 의해 결합하고, 다시 그들 탄소원자가 사면체꼴로 4개의 탄소원자와 결합해 3차원적으로 성장한 거대분자구조를 가지며, 단결정 하나가 하나의 분자라고 할 수 있다.

이 때문에 전기전도성이 없어 완전한 절연체(絶緣體)이며, 이제까지 알려진 물질 가운데 가장 높은 굳기〔硬度〕를 갖게 되고, 강한 공유결합으로 연결되어 있으므로 화학적으로는 매우 불활성이어서 거의 모든 시약(試藥)에 반응하지 않는다.

흑연은 탄소원자의 6원자고리가 평면적으로 무한히 연결된 평면형 거대분자(폴리센)가 층을 이루어 포개어진 것으로, 폴리센의 평면 짝이중결합계에서의 전자이동성(電子易動性)에서 전기전도성이 생겨 전극(電極) 등으로 이용될 정도이다.

또한 이 충상구조로 인해 유연하고 활성(滑性)이 있으며 쪼개지기 쉽지만 거대분자이므로 반응성은 적다.

그러나 이들 탄소평면 사이는 반데르발스 힘으로 연결되어 있을 뿐이어서 그 간격은 탄소원자 사이의 1.42A에 대해 3.53A으로 비교적 넓어, 이 층 사이에 다른 원자가 끼어든 이른바 삽입화합물을 만든다(예컨대 CF나 CK 등).

따라서 다이아몬드와 흑연의 비중이 다르다.

다이아몬드는 흑연에 비해 훨씬 밀도가 크므로, 흑연으로부터 다이아몬드를 만들려면 매우 높은 압력이 필요하며, 1955년에 크롬 · 철 · 백금 등 금속의 촉매로써 약 3,000K에서 125kbar 이상의 고압을 이용, 처음으로 전환에 성공했다.

비결정성 탄소는 흑연의 미세한 결정이 모인 것이므로, 다이아몬드나 흑연에 비하면 훨씬 활성이 크다.

녹는점은 각 동소체 모두 상당히 높아, 고온에서는 종종 승화(昇華)한다.

산 · 알칼리 수용액이나 모든 용매에는 녹지 않지만, 고온에서는 철 · 코발트 · 니켈 및 백금족 원소에 약간 녹는다.

비결정성 탄소는 염소산염과 질산의 혼합물에 의해 쉽게 산화되지만, 흑연은 서서히 산화된다.

흑연은 산소 속에서 600~700℃로 가열하면 이산화탄소가 된다.

다이아몬드는 공기를 차단하고 2000℃로 강하게 가열하면 흑연이 되고, 공기 중에서는 700~900℃ 에서 연소한다.

탄소의 전기음성도(電氣陰性度)는 2.5로 중간 정도의 값을 가지며, 금속 내지 금속성 원소와 결합, 탄소화물을 만드는 외에, 이산화탄소 · 이황화탄소 · 사염화탄소 및 각종 탄산염 등의 무기화합물을 생성하는데, 방대한 수의 각종 유기화합물을 만드는 것이 특징이다.

이것은 탄소가 가장 전형적인 비금속원소여서, 같은 원소끼리 이어져 결합하는 현상, 즉 카트네이션 현상을 나타내기 때문이다.

이 경향은 원소 중에서 탄소가 가장 강한데, 일반적으로는 주기율표에서의 위치가 탄소에서 먼 원소일수록 이 현상이 감소된다.

이 탄소-탄소의 사슬을 만드는 능력이 유기화학의 넓은 분야를 열게 된 셈이다.

〔제법 · 용도〕각종 탄소제품의 원료로서는 석탄 · 석유 · 천연가스 · 천연흑연 등이 보통 쓰이나, 목적에 따라 합성고분자 등도 쓰인다.

비결정성 탄소로서는 카본블랙과 활성탄이 가장 많이 만들어진다.

카본블랙은 자동차 타이어를 비롯해 각종 고무의 충전제로 쓰이는데, 주로 천연가스 혹은 석유의 불완전연소에 의해 만들어진다.

활성탄은 음료수 등의 정수, 식품공업 등에서의 탈색 등의 흡착제로 쓰이며, 각종 목재, 야자껍데기, 석탄 등을 공기를 차단하고 600~900℃로 가열, 탄화시킨 다음, 염화아연 등의 금속염화물을 작용시켜 활성화(賦活)해 만든다.

최근에 널리 만들어져 쓰이는 것은 유리상(狀) 탄소와 탄소섬유이다.

전자는 유기물의 고체상(固體相) 열분해에 의해 만들어지는 경질(硬質)탄소로, 겉보기나 단면은 유리 모양이다.

흑연구조의 발달이 극단적으로 억제되어 있어 등방성(等方性) · 불통기성(不通氣性)이며, 밀도가 작아(1.4~1.6g/㎤), 발열체(發熱體) · 도가니 · 보호관(管) · 판자 · 지그(jig) 등으로 용도가 개발되고 있다.

매우 강한 기계성 · 내마모성을 가진 탄소섬유는 항공기 · 선박 · 기계 · 건축 등의 각종 공사용으로 쓰인다.

흑연은 인조품도 대량으로 만들어져, 탄소전극 및 발열체나 내화물, 전기용(電氣用) 브러시 등으로 쓰인다.

인조 다이아몬드는 주로 공업용 연삭숫돌 등으로 쓰인다.