같은 원소가 다른 재료가 되는 이유
흑연과 다이아몬드는 모두 탄소로 이루어져 있지만 단단함과 전기적 성질이 다르다. 원자가 어떤 이웃과 어떤 공간 배열로 연결되는지가 물질의 성질을 바꾸기 때문이다. 성분표에 탄소라고 적혀 있다는 정보만으로 재료의 특성을 정할 수 없다.
흑연에서는 탄소가 층을 이루고, 다이아몬드에서는 입체적인 연결망을 형성한다. 그래핀은 탄소 원자가 한 층으로 배열된 구조다. 이러한 동소체는 원소의 차이가 아니라 결합과 배열의 차이를 보여 준다.
분자의 골격을 만드는 결합
탄소는 다른 탄소와 이어져 사슬이나 고리를 만들 수 있으며 수소, 산소, 질소 등과도 결합한다. 다양한 길이와 가지, 결합 방식이 가능하여 매우 많은 종류의 분자가 만들어진다.
단백질과 DNA, 탄수화물, 지질에도 탄소가 들어 있다. 다만 탄소를 포함한다고 모두 통상적인 분류에서 유기 화합물인 것은 아니다. 이산화 탄소와 탄산염 등은 일반적으로 무기 화합물로 다룬다.
원자 번호와 질량수
탄소 원자의 양성자는 여섯 개다. 중성자 수가 달라져도 양성자 수가 같으면 탄소이며, 이런 원자들을 동위원소라고 한다. 탄소-12와 탄소-13은 안정하지만 탄소-14는 방사성 붕괴를 한다.
탄소-14를 이용한 연대 측정은 한때 살아 있던 물질에서 남은 비율을 분석하는 방법이다. 아무 암석이나 금속에 같은 방법을 그대로 적용하는 것은 아니며, 시료의 기원과 오염, 보정 조건이 중요하다.
지구의 저장고 사이를 이동하는 탄소
탄소는 대기와 바다, 생물, 토양, 암석에 여러 형태로 저장된다. 광합성과 호흡, 분해, 해양과 대기의 교환, 지질 활동은 이 저장고들을 연결한다.
순환의 경로마다 걸리는 시간이 다르다. 연료를 태워 탄소를 빠르게 대기로 이동시키는 과정과 암석이 형성되어 탄소를 장기간 보관하는 과정은 같은 속도로 진행되지 않는다. 기후를 이해하려면 저장량과 이동량을 구별해야 한다.