탄소화합물은 모든 생명체의 주된 구성성분이고 생체 속 화학반응의 주인공이다. 따라서 탄소화합물을 연구하는 학문을 무기물과 반대되는 개념으로 유기화학이라고 부르기도 한다. 탄소화합물은 살아있는 생명체에만 국한되지 않고 의약품, 세탁제, 플라스틱, 향료, 섬유, 조미료, 연료 등의 합성에 이용되기 때문에 인간의 물질을 다루는 과학에서 가장 큰 비중과 중요성을 지닌다고 할 수 있다. 탄소화합물을 연구하는 과정에서 어떤 재료가 사용되는지 탐구해보는 것이 탄소 화학의 출발점이다. 원료를 살펴보면 탄소, 석유, 천연가스 등이 탄소화학의 원료 및 재료로 사용되고 있다. 탄소는 검은색 광물로서 지질시대 이전의 식물들이 습지 속에서 쌓이면서 높은 압력을 받아서 생성된 물질이라고 추정한다. 지질시대의 높은 기온과 습도에서 자라던 식물들이 죽고 퇴적되고 죽고 퇴적되는 과정을 반복하여 식물체의 층이 차례대로 형성되고, 점차 거대한 광상이 형성되었으리라고 예측한다. 공기가 차단되고 큰 압력을 받은 층들은 압축되어 점점 딱딱한 광물로 변해가고 식물을 구성하던 탄소를 주성분으로 산소, 수소, 질소, 황의 원소가 혼합되어 채굴 대상이 되는 암반층으로 변하게 된 것이다. 따라서 석탄은 순수한 탄소는 아니다. 가장 딱딱한 탄소인 무연탄은 95% 전후의 탄소로 되어있고, 가장 무른 이탄(토탄)은 짧은 숙성기간을 가지기 때문에 탄소 함량비가 낮아 상대적으로 발열량이 적다. 이탄에는 아직 변화하지 않은 식물의 유체도 존재하고 탄소도 함량도 50~60% 정도이다. 우리나라 오대산 해발 1,200m 부근에도 이탄 습지가 있으며 현재 해당 습지를 보호구역으로 정하고 보호하고 있다. 이 석탄을 수입하거나 채굴한 후 공기를 차단하고 가열하면 석탄가스와 콜타르가 나오고 코코스라 불리는 찌꺼기가 남는다. 코코스는 탄소 덩어리이지만 석탄 속의 광물질을 그대로 지니고 있고, 제철산업에서 철산화물을 환원시키는데 활용한다. 콜타르는 대단히 복잡한 혼합물이며 여기서 200종 이상의 탄소화합물을 분리하였다. 따라서 석탄은 그 자체가 에너지원으로서도 많이 쓰이지만, 석탄가스나 콜타르 중 많은 탄소화합물이 들어 있어, 탄소 화학의 근원이 되는 물질로 사용된다. 석유는 인류에게 가장 중요한 자원이다. 석유 역시 에너지원이기도 하고 화학제품의 원료이기도 하다. 가벼운 휘발성 액체에서부터 무거운 타르성 물질까지 다양하게 물질들이 혼합된 기름이다. 석유도 그 기원은 생물체이다. 지질시대의 바다에서 살던 생물이 땅에 묻힌 다음 열과 압력을 받아 만들어진 액체 혼합물이다. 석유는 유층이라고 불리는 다공질의 암석층에 들어 있으며, 스며 나갈 수 없는 암층이 위아래로 배치되어 석유는 그 속에 밀폐되어 있다. 유층에 구멍을 뚫으면 다공질의 틈으로 흘러서 지표면으로 나오게 되는데 이 작업이 석유의 시추 과정이다. 석유는 정유공장에서 휘발유, 등유, 경유, 중유 등 다양하게 분리되어 에너지원과 각종 화학제품의 원료로 쓰인다. 석유를 정제하는 방법은 끓는점 차이를 이용하는 것이다. 정유공장의 거대한 증류탑에 원유(가공하지 않은 석유)를 넣고 가열하면 가장 높은 곳에서는 끓는점이 낮은 물질이 나오고, 증류탑의 낮은 곳에서는 끓는점이 높은 물질이 나온다. 끓는점이 낮을수록 빨리 기화되어 꼭대기까지 도달하게 되는 것이고, 끓는점이 높은 물질은 올라가다가 식으면서 다시 응축되어 액체로 떨어지게 된다. 따라서 끓는점 순서대로 석유 가스, 나프타(휘발유), 등유, 경유, 중유의 순으로 분리된다. 나프타는 플라스틱의 원료로 쓰이고 휘발유로 만들어서 연료로 쓰인다. 등유는 항공기 연료, 경유는 디젤엔진의 연료, 중유는 유조선의 연료로 쓰인다. 찌꺼기인 아스팔트는 도로포장에 활용한다. 천연가스도 탄소 화학의 원료이다. 저분자량의 탄소와 수로로 된 물질이 천연가스이고, 사암 및 다공질의 암석으로 된 가스층에 존재하며, 석유와 같이 존재하는 경우가 많다. 석유의 상층부에 가스캡의 형태로 존재하는 경우 석유동반가스라고 한다. 또 석유층에 용해되어 존재하고 있다가 압력이 감소하여 기체상으로 분리되는 경우 석유비동반가스라 부른다.
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