炭素について詳しく解説

データ
ホウ素 –炭素– 窒素 – C もし 6 C 完全なテーブル – 拡張テーブル
一般的な
名称、記号、番号	炭素、C、6
ケミカルシリーズ	非金属
グループ、ピリオド、ブロック	14、2、p
密度	G：2,267 D：3,520kg/ m3
色	ブラック(大)
原子の性質
原子量	12.0107u
原子半径(計算値)	午後70(67)
共有原子価半径	午後77時
ファンデルワールス半径	午後170時
電子構成	[彼] 2s 2 2p 2
エネルギー準位別の電子	2、4
酸化状態	4、2
酸化物	弱酸
結晶構造	六角
物性
通常の状態	反磁性固体
融解温度	3,773K
蒸発温度	5100K
核融合エネルギー	該当なし kJ/mol
気化エネルギー	355.8 kJ/mol
モル体積	5.29 × 10 -6 m 3 /mol
蒸気圧力	??
音の速さ	18,350 m/s（20℃）
その他
電気陰性度 (ポーリング)	2.55
比熱	710J/(kg・K)
電気伝導率	61 × 103S /m
熱伝導率	129 W/(m K)
第一イオン化ポテンシャル	1086.5 kJ/mol
第2イオン化ポテンシャル	2,352.6 kJ/mol
3次イオン化ポテンシャル	4,620.5 kJ/mol
4次イオン化ポテンシャル	6,222.7 kJ/mol
5次イオン化ポテンシャル	37,831.1 kJ/mol
6次イオン化ポテンシャル	47,277.0 kJ/mol
最も安定な同位体
イソ 年 期間 医学博士 エド・ミーヴ PD 12C 98.9% 中性子6個で安定 13C 1.1% 中性子7個で安定 14C トレース 5730年 β – 0.156 14N
特に指定のない限り、SI および CNTP 単位。

炭素はクリスタローゲン族の化学元素であり、記号C 、原子番号6 、原子質量12.0107 を持ちます。

歴史と語源

ダイヤモンド、最も人気のある炭素の結晶形の 1 つ

炭素は先史時代に発見され、有機物を生成する石炭の不完全燃焼によって生成されました。天然ダイヤモンドは、特に南アフリカとアーカンソー州の古代火山の噴火口のキンバーライトで見つかるため、ダイヤモンドの形でも知られていました。特定の隕石からは微細なダイヤモンドが見つかることがあります。

カーボンという名前は、ラテン語のcarbo 、 carb?nisに由来し、「石炭」を意味します。フランスアカデミーの辞書には^{第 6}版 (1832 ～ 1832 年) にのみ掲載されています。

元素合成

炭素元素は、その形成条件が満たされなかった（宇宙の膨張と冷却が速すぎた）ため、ビッグバン（原始元素合成）から直接生じたものではありません。

一方、炭素は、水平枝星として知られる非常に重い星の中心部で大量に生成され、そこでは 3 つのヘリウム原子核が融合します (トリプルアルファ反応)。

化学

純粋な炭素は、自然界では 2 つの一般的な形態で存在します。

• 六方晶系の結晶構造と灰色をもつグラファイトは、最も一般的な形状です。
• 四面体の結晶構造と透明な色をもつダイヤモンド。

電子構造

炭素はその外殻に 4 つの電子 ((K)2 (L)4)(2s ² , 2p ² ) を持ち、1 つのσ結合と 3 つのπ結合を形成できます。したがって、炭素は 4 価の元素です (特定の中間体の場合を除く)。反応、または二価の炭素を含むカルベン族では、2 つの 2s 電子が結合に関与していません)。それ自体を含む他の軽原子に対して優れた親和性を持ち、その小さなサイズにより、角度 120 の軌道 (sp または線状「三重結合」、sp ²または平面状「二重結合」) の混成によって複数の結合を形成することができます。 °、sp ³または四面体「単結合」): これは、研究が有機化学を構成する多数の炭素ベースの化合物を説明します。

一般的なフォーム

炭素の最も一般的な形態は二酸化炭素_CO2であり、これは生物によって生成および代謝される地球の大気の少数成分の 1 つです。 CO _{2 は、}金星のような他の惑星の大気中の大部分を占める化合物です。

水中_では非常に少量の炭酸_H2CO3が形成され、^炭酸_CO32-または炭酸水素 (重炭酸⁾ _HCO3-イオンが生成されます。多くの鉱物は炭酸塩であり、特にさまざまな形態の石灰岩(方解石、チョーク、大理石など) が挙げられます。重炭酸ナトリウムNaHCO ₃の治療特性は知られています。

炭素とその化合物の危険性

炭素集合体は、その形状とサイズに応じて、生物学的システムと相互作用する可能性があります。

カーボン ナノチューブは健康上のリスクをもたらします^{[参考文献]必要]}

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硫化炭素 (二) CS _{2 は}、二酸化炭素と構造が似ていますが、溶媒(ゴムの加硫) として使用される毒性の高い液体です。

他の炭素酸化物には、一酸化炭素CO と、あまり一般的ではない亜酸化炭素C ₃ O ₂があります。一酸化炭素は、有機化合物または純粋な炭素（石炭）の不完全燃焼によって生成される無色無臭のガスです。これは半共鳴構造を持ち、その結合の長さ(111 pm) はハイブリッドの性質を示しており、次の式で表されます。

一酸化炭素は、優先的に酸素に結合し、血液ヘモグロビンに結合して、安定な化合物であるカルボキシヘモグロビンを形成します。この反応の結果、ヘモグロビン分子が中毒になり、致命的となる可能性があります (問題のエントリを参照)。

シアン化物イオンCN ^–およびハロゲン化物イオンと同様の化学的挙動。シアン化物イオンを含む塩は非常に有毒です。組成 (CN) ₂のガスであるシアンもハロゲンに近いです。

金属とともに、炭素は C ^4-炭化物または C _2-2-アセチリド^を形成します。いずれにしても、電気陰性度が 2.5 であるため、炭素は共有結合を形成しやすくなります。炭化ケイ素、SiC などの一部の炭化物は共有結合格子であり、ダイヤモンドに似ており、これらの切断にも使用されます。

ナノテクノロジーにより、フラーレンや、空気中で濾過するのが難しく、粘膜を通過して細胞膜を貫通することができる、フラーレンやナノワイヤーやナノチューブなどの特定の分子を生成することが可能になります。アスベストで見つかったような遅延効果を懸念する人もいる。

炭化水素

炭素と水素が結合した分子は炭化水素と呼ばれます。炭化水素は 3 つのファミリーに分類されます。

• 炭素が sp ³ (「単」) 結合を形成するアルカン:メタンCH ₄ 、エタン C ₂ H ₆など。 ;
• 少なくとも 1 つの炭素が sp ² (「二重」) 結合を形成するアルケン: エチレン C ₂ H ₄ 、プロペン C ₃ H ₆など。 ;
• 少なくとも 1 つの炭素が sp (「三重」) 結合を形成するアルキン:アセチレンC ₂ H ₂ 、プロピンC ₃ H ₄など。

炭素原子の数に応じて、接尾辞 -ane、-ene、または -yne の前に次の文字を付けます。

1. 覚醒剤-
2. エス-
3. プロップ-
4. 標的-
5. ペント-
6. 16進数-
7. セブン-
8. 10月-
9. いいえ-
10. 12月～

sp ³炭素のみが可動結合を生じます。他の結合、sp または sp ^{2 は}剛体です。二重 sp ²結合は平面的で、他の 2 つの結合はそれぞれ 120°の角度を形成し、三重結合は直線的です。これにより、エナンチオマー、つまり化学式は同じだが空間構造が異なる物体の形成が引き起こされます。

さらに、sp ³炭素は不斉化合物を形成する可能性があり、キラリティー現象が現れます (ギリシャ語の ?η χε?ρ から、分子は対称面に従って互いに対称であり、私たちの両手のように)

芳香族炭化水素では、炭素原子は非局在化したπ結合によって安定化された環または核を形成します。それらはさまざまな形の純粋な炭素に混合されます。ハロゲン化物、アルコール、カルボン酸など、さらに多くの炭化水素誘導体があります。

同素体

炭素の簡略化された状態図: 相対圧力および温度。

常圧条件下では、炭素はグラファイトの形をしており、芳香族炭化水素化合物のような縮合六角形環の層内で各原子が他の 3 つの原子と結合しています。 π軌道の非局在化のおかげで、グラファイトは電気を伝導します。グラファイトが柔らかいのは、面間の化学結合が弱く (面間の化学結合の 2%)、そのため層が相互に滑りやすいためです。

非常に高い圧力下では、炭素はダイヤモンドと呼ばれる面心立方晶系で結晶化し、各原子は他の 4 つの原子と結合しています (原子間距離 136 pm)。ダイヤモンドは、炭素-炭素結合の強さのおかげで、窒化ホウ素との組み合わせにより、最も傷つきにくい材料です。室温では、グラファイトへの変態は非常に遅いため、目に見えないように見えます。特定の条件下では、炭素はロンズデライトに結晶化します。ロンズデライトはダイヤモンドに似ていますが、六角形の形状をしています。すべての貴石の中で、完全に燃えるのはダイヤモンドだけであることに注意してください。

グラファイト (純粋な sp ² ) とダイヤモンド (純粋な sp ³ ) に加えて、炭素は非晶質で高度に無秩序な形態 (aC) で存在します。これらの非晶質形態の炭素は、3 結合のグラファイト状サイトまたは 4 結合のダイヤモンド状サイトの混合物です。 aC の製造には、スパッタリング、電子ビーム蒸着、電気アーク蒸着、レーザーアブレーションなどの多くの方法が使用されます。

炭素は 4,100 K で昇華します。ガス状の場合、炭素は通常、カルビンと呼ばれる小さな原子鎖で構成されます。非常にゆっくりと冷却されると、これらは合体して、すすを構成する不規則で変形した黒鉛シートを形成します。特に後者の中では、バックミンスターフラーレン、C ₆₀などのフラーレンと呼ばれる、シートが球や管のように安定して閉じた形状に折り畳まれた形状が見つかります。これらのフォームの一部は「フットボール」としても知られており、まだ完全に分析されていない特性を持っていますが、非常に硬い構造であると思われます。

円筒形の炭素はナノチューブと呼ばれ、フラーレンの合成中に電気アークの陰極で形成されるペレット内で発見されました。直径がナノメートル、長さが場合によってはミリメートルに達するこれらの物体は、グラフェンの層が巻き重なって現れます。

電気アーク法で製造されたナノチューブはほとんどが「多層」であり、これらのナノチューブとともに多数の多面体ナノ粒子が観察されます。高解像度透過型電子顕微鏡( HRTEM)観察により、これらのカーボン ナノ粒子はグラフェンのいくつかの閉じた層で構成されており、その中心にナノメートルの空洞が残っていることが明らかになりました。

そして最後に、カーボンオニオンが多層フラーレンの基礎となります。

同位体

炭素には自然界で¹² C (98.89%) と¹³ C (1.11%) の 2 つの安定同位体があります。

放射性同位体¹⁴ C の半減期は 5,730 年で、50,000 年前までの考古学的物体の年代測定によく使用されます。 1960年代から大気中で行われた熱核爆発によってかなりの過剰物が生じたため、現在の文明の宝物に興味を持つ明日の考古学者にとっては何の役にも立たないだろう。

放射性同位体¹¹ C の半減期は 20 分です。この短い期間と、(安定な) ¹² C 炭素原子を¹¹ C 原子に置換するのが比較的容易であるため、核医学、特に陽電子放射断層撮影法で使用される同位体となっています。現在までに最も広く使用されている放射性トレーサーは、ドーパミン D2 受容体に優先的に結合する¹¹ C-ラクロプリドと、心臓画像化に使用される¹¹ C-アセテートです。

メモと参考文献