| |
|
| |||||||||||||||||||||||||
| 一般特性 | |||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 名称, 記号, 番号 | 炭素, C, 6 | ||||||||||||||||||||||||
| 分類 | 非金属元素 | ||||||||||||||||||||||||
| 族, 周期, ブロック | 14 (IVA), 1, p | ||||||||||||||||||||||||
| 密度、硬度 | 2267 kg/m3, 0.5（黒鉛） 10.0（ダイアモンド） | ||||||||||||||||||||||||
| 色 | 黒（黒鉛） 無色（ダイアモンド）  | ||||||||||||||||||||||||
| 原子性質 | |||||||||||||||||||||||||
| 原子量 | 12.0107 amu | ||||||||||||||||||||||||
| 原子半径 (計算値) | 70 (67) pm | ||||||||||||||||||||||||
| 共有結合半径 | 77 pm | ||||||||||||||||||||||||
| VDW半径 | 170 pm | ||||||||||||||||||||||||
| 電子配置 | [He]22s22p2 | ||||||||||||||||||||||||
| 電子殻 | 2, 4 | ||||||||||||||||||||||||
| 酸化数 （酸化物） | 4, 2（弱酸性） | ||||||||||||||||||||||||
| 結晶構造 | 六方晶 | ||||||||||||||||||||||||
| 物理特性 | |||||||||||||||||||||||||
| 相 | 固体 | ||||||||||||||||||||||||
| 融点 | 3773 K | ||||||||||||||||||||||||
| 融点 | 5100 K | ||||||||||||||||||||||||
| 沸点 | 5.29 ×1010-6 m3/mol | ||||||||||||||||||||||||
| 気化熱 | 355.8 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||
| 融解熱 | 不明 | ||||||||||||||||||||||||
| 蒸気圧 | 0 Pa | ||||||||||||||||||||||||
| 音の伝わる速さ | 18350 m/s | ||||||||||||||||||||||||
| その他 | |||||||||||||||||||||||||
| 電気陰性度 | 2.55（ポーリング） | ||||||||||||||||||||||||
| 比熱容量 | 710 J/(kg*K) | ||||||||||||||||||||||||
| 導電率 | 0.061 × 106/m Ω | ||||||||||||||||||||||||
| 熱伝導率 | 129 W/(m*K) | ||||||||||||||||||||||||
| 第1ION化エネルギー | 1086.5 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||
| 第2ION化エネルギー | 2352.6 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||
| 第3ION化エネルギー | 4620.5 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||
| 第4ION化エネルギー | 6222.7 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||
| 第5ION化エネルギー | 37831 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||
| 第6ION化エネルギー | 47277.0 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||
| (比較的)安定同位体 | |||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||
| 注記がない限り国際単位系使用及び標準状態下 | |||||||||||||||||||||||||
| Table of contents |
|
2 用途 3 歴史 4 同素体 5 存在と原材料 6 無機化合物 7 炭素鎖 8 炭素サイクル 9 同位体 |
特徴
炭素はさまざまな理由から、特徴のある元素である。知られている物質の中で最もやわらかい物質のひとつ（黒鉛）と最も硬い物質のひとつ（ダイアモンド）は両方とも炭素の分子でできている。また、炭素以下の原子番号を持つ元素との結合に強い親和力を示し、小さな分子はそれ自身複数の結合を持つこともできる。そのため、炭素の化合物は 1000万種近くが確認されている。炭素の化合物は地球の生命活動に深くかかわりがあり、CNOサイクルによって太陽や他の恒星のエネルギー源ともなっている。
炭素の生成にはヘリウムの原子核であるアルファ粒子の3重衝突が必要となる。これには約1億度の熱が必要となるが、ビッグ・バンでは宇宙がはじめに大きく膨張してすぐに急速に冷え、炭素は生成されなかったと考えられている。そのかわり現在でも巨星内でのトリプルアルファ反応によってヘリウムから炭素が生成されている。
炭素は生物を構成する重要な物質であるだけでなく、生命活動を続けるためにも欠かせない元素である。(w:Carbon chauvinism) 炭素を効率的な利用法は炭化水素の形をしており、これには天然ガスや原油などが含まれる。原油は石油化学工業全般で製造に使われ、製油所での精製によって石油、ガソリン、灯油を得られる。原油加工製品はプラスチックなど様々な合成物となる。
その他の主な用途を以下に挙げる。
用途
歴史
炭素の名はラテン語の carbo （木炭の意）からきており、物を不完全燃焼すれば簡単に取り出せるため、前史以前から知られていた。ダイアモンドも稀少で硬い石として知られていた。装飾品として使用されたのはカッティング技法が開発された中世以降である。見つかっている同素体の中で最後に発見されたフラーレンは分子線の実験によって作り出されたものである。
同素体
炭素の同素体はアモルファス、黒鉛、ダイアモンド、フラーレンの4種類が知られている。
アモルファスは本質的に黒鉛と変わらない物質であるが、結晶構造を持たない点が異なる。通常は粉状をしており、木炭の主成分となっている。
通常の圧力下で炭素は黒鉛となる。それぞれの原始が隣り合う3つと結合し、ベンゼンのような6角形のタイル状の分子を形成している。黒鉛の分子にはこの6角形（α型）の物とひし型（β型）の2種類が存在しているが、結晶の形以外の性質は全く同じである。自然に存在する黒鉛ではβ型の含有率は 30% 以下となっており、合成した物は全てα型となる。α型の結晶は機械的な操作でベータ型に転化することができる。またβ型の結晶は 1000度程度迄熱するとα型にすることができる。
π電子の非局在化のために黒鉛には導電性がある。また、柔らかい板が多層に重なった構造をしており、層と層の間はファン・デル・ワールス力による弱い結合をしている。そのため各層は容易に結合、分離し、もろく崩れやすい。
非常に高い圧力下ではダイアモンドの結晶となる。ダイアモンドでは各炭素原子は4つの原子と結合している。結晶構造はケイ素やゲルマニウムと同じく立方晶で、炭素-炭素の化学結合をしている。これは同じ電子配列をしている窒化ホウ素と同じく、引っ掻き傷に対して最も固い結晶となっている。ダイアモンドから黒鉛への転化は起こるものの、常温では確認できないほどゆっくりな変化である。
フラーレンは黒鉛とよく似た構造をしているが、6角形だけではなく5角形の構造を含んでいる。（7角形の構造を含んでいる可能性もある。）これにより、分子は板状から球形または円筒形の形をとる。バッキーボールやバッキチューブと呼ばれるこれらの素材の性質はまだよくわかっていない。バッキーという名称はバッキーボールの最小限の合成に成功したバックミンスター・フラーの名前からとられている。
存在と原材料
1千万種類もの炭素の化合物が知られており、うち数千種類は生命活動に深く関わりがある。そのため様々なところで見ることができる。炭素は太陽や恒星、彗星のなかにも豊富に存在し、様々な惑星の大気にも含まれている。まれに隕石の中から微細なダイアモンドが見つかることがありこれは太陽系が原子惑星円盤だった頃に生成された物ものと考えられている。
他の元素との化合物の形で地球の大気中にも存在し、水に溶けた状態でも存在している。豊富に存在する炭酸岩塩の地層（石灰岩、白雲石、大理石など）からはカルシウム、鉄、マグネシウムなどがわずかに採取される。水素との化合物は原油、石油、天然ガスなどのなかに存在している。
黒鉛はアメリカのニューヨーク州、テキサス州、ロシア、メキシコ、グリーンランド、インドなどに豊富に存在している。
天然ダイアモンドは「首」「パイプ」などと呼ばれる円筒形の鉱脈が古い火山などの地層から見つかる。主にアフリカ大陸 の南アフリカ、ナミビア、ボツワナ、コンゴ共和国、シエラレオネなどで採掘されている。アフリカ以外ではカナダ、ロシアの北極圏内、ブラジルやオーストラリアの北部や西部で採掘が行われている。
二酸化炭素 (CO2) は最も良く知られた炭素の化合物であるといえる。大気中に含まれる比率はそう多くはない。生命活動によって作られ、様々な形に変化しやすい。水の中では炭酸 H2CO3 として存在するが、一般的に炭素一つに複数の酸素がそれぞれ一つだけの結合を持つ分子は不安定である。そのため、その中間状態である炭素のイオンが作られる。方解石や二硫化炭素などいくつかの重要な鉱物は炭化している。
固い金属の中では炭素はカーバイド C- やアセチリド C22- の形をとる。これらはメザニンやエチレンと関係があり、どちらも何の役にも立たない酸である。（？ ）炭素の電気陰性度は 2.5 になっている。炭化硅素 (SiC) などいくつかの炭素化合物は格子状の結晶構造を持ち、ダイアモンドと似た性質を持つ。
炭化水素は炭素分子が次々と連なった鎖の形状を作る。揮発性の油は短い鎖を持ち、脂肪などは長い鎖を、ワックスなどは非常に長い鎖を構造として持っている。
炭素サイクルは炭素と酸素の結合、分離の繰り返しによって熱とエネルギーの交換、貯蓄を繰り返す反応である。同化作用と異化作用による新陳代謝として知られている。
1961年、IUPACは炭素の同位体である炭素12の質量を原子質量の基準とすることを発表した。放射性同位体である炭素14は半減期5715年を持ち、考古学や標本の分野で放射性炭素年代測定法に使用されている。
無機化合物
その他炭素化合物
炭素鎖
炭素サイクル
同位体
