炭素イオンの電荷|地学

炭素 (C) は非常に柔軟な元素であり、さまざまなイオンを形成することができます。炭素には、4 つの価電子からなる外殻があります。これは、4 つの電子を追加して完全な外殻を獲得するか、4 つの電子を失って外殻を取り除くことができることを意味します。

したがって、炭素イオンは、電子を失うか獲得するかによって、-4 から +4 の電荷を持つことができます。炭素の最も一般的な酸化状態は +4 と +2 ですが、炭素は +3、+1、-1、-2、および -3 の酸化状態のイオンを作ることができます。

概要

厳密に言えば、ナトリウム (Na) や塩素 (Cl) のように、炭素が独立した単原子イオンを形成することはほとんどありません。炭素は一般に、電子を獲得したり失ったりしにくい非常に安定した元素です。炭素はほぼ同じように陽性と陰性であるため、電子を獲得したり失ったりする必要はほとんどありません。ほとんどの場合、炭素は共有結合を形成し、イオンを形成する代わりに電子を共有します。単原子炭素イオンを作成することは完全に可能ですが、それには大量のエネルギーが必要であり、後続の電子が除去されるたびに増加します.

しかし、炭素は多原子イオンを形成することができます。炭素の柔軟な電子構造により、多原子イオンのコアとして形成されます。炭素を含むこれらの多原子イオンの多くは、私たちが知っているように生命に不可欠であり、生物において重要な役割を果たしています。他のものは鉱物の挙動を理解するために重要であり、他のものは産業で燃料、建設材料、および洗浄液として使用されています.炭素は非常に柔軟な元素であるため、炭素が形成できる多くの多原子イオンは、その特性が大きく異なります。

イオンとは?

イオンは、非中性電荷を持つ原子または分子です。電気的に中性の原子は、電子の除去または付加によってイオンになります。電子は陽子と等しく反対の電荷を持っているため、イオンの正味の電荷は、陽子と電子の量が等しくない原子に由来します。イオンである単一原子は 単原子と呼ばれます非中性電荷を持つイオンと多原子分子は 多原子と呼ばれますイオン。正に帯電したイオンは陽イオンと呼ばれますそして、電子よりも多くの陽子を持っています。負に帯電したイオンは陰イオンと呼ばれます陽子よりも多くの電子を持っています。化学者は、物質の化学式の横に正または負の上付き文字を追加してイオンを表します。 1 個の電子を失って正電荷を持つ炭素原子は、C¹+ と表記されます。逆に、1 個の電子を獲得し、負の電荷を持つ炭素原子は、C¹⁻ と表記されます。

原子または分子が陽イオンを形成する傾向は、物質のイオン化エネルギーによって決まります。イオン化エネルギーは、原子または分子がその電子の 1 つを放出して正電荷を残すために吸収しなければならないエネルギーの量の尺度です。一般に、中性原子から 1 つの電子を除去すると、必要なイオン化エネルギーが後続の電子ごとに増加するため、エネルギーの消費量が最小になります。たとえば、炭素の第 1 イオン化エネルギーは 1086.5 kJ/mol です。つまり、1 モルの炭素から 1 個の電子を取り除くには、1086.5 kJ のエネルギーが必要です。炭素の第 2 イオン化エネルギーは 2352.6 kJ/mol で、第 1 イオン化エネルギーの 2 倍以上のエネルギーが必要です。

原子が陰イオンを形成する傾向は、その電気陰性度によって決まります。物質の電気陰性度 (EN) は、物質が電子をどれだけ引き付けるかの尺度です。元素の電気陰性度が高いほど、追加の電子を獲得する可能性が高くなるため、陰イオンを形成する可能性が高くなります. Carbon の EN はポーリングスケールで 2.55 で、値はほぼ中間です。対照的に、酸素 (O) の EN は 3.44 です。非常に電気陰性。酸素は、その 2 つの開いた原子価スロットを電子で満たし、O²⁻ アニオンを形成する可能性が非常に高いです。

単一の原子から作られたイオンは単原子と呼ばれます。複数の原子を持つ分子から作られたイオンは、多原子イオンと呼ばれます。多原子イオンは、非中性電荷を持つ化合物です。単原子イオンと同様に、多原子イオンは電子と陽子の量が等しくありません。多原子の式を書くとき、化合物は角括弧内に書かれ、電荷は角括弧の外側の上付き文字として書かれます.たとえば、アンモニウムは [NH₄ の化学式を持つ多原子イオンです。 ]。アンモニウムは陽子よりも電子が 1 つ少ないため、全体の電荷は +1 になります。他の多原子イオンには、水酸化物 ([OH]) と硫酸塩 ([SO4]) があります。

イオンは極性とは異なります。極性分子には 部分的な イオンがいっぱいある間の電荷請求します。イオンの電荷は常に何らかの整数値です。ナトリウムイオンの電荷は+1、塩素イオンの電荷は-1です。極性分子には部分的に電荷を持つ双極子があり、その電荷値は整数ではありません。水中の負の酸素末端の電荷は約 -2/3e で、単一電子の電荷の約 3 分の 2 です。

イオンとしての炭素

炭素を含む単原子イオン

炭素は電気的に安定した元素であるため、C³⁺ または C4⁻ の形で独立した単原子炭素イオンを自然に形成することはほとんどありません。 妨げるものは特にありません炭素イオンが形成されることはありませんが、そうするためにかなりのエネルギーが必要であるという事実だけです。電子を失ったり獲得したりする代わりに、ほとんどの場合、炭素は電子の共有によって共有結合を形成します。たとえば、炭素はメタン (CH₄ ) 4 つの外部電子を水素と共有することにより、水素は炭素から電子を受け取るほど電気陰性ではなく、炭素は水素から電子を受け取るほど電気陰性ではありません。したがって、炭素はその 4 つの外側電子のそれぞれを、各水素の外側の 1 つの電子と共有するだけです。

ガス状炭素の雲から独立した単原子炭素イオンを形成する 1 つの方法は、レーザーを使用することです。炭素は高温で昇華して気体になります。次に、個々の炭素原子にレーザーを照射して電子をノックオフし、炭素イオンを生成します。理論的には、この方法ですべての電子を除去することにより、炭素原子を完全にイオン化できます。このプロセスは、炭素原子から取り除かれた後続の各電子がますます多くのエネルギーを必要とするため、特に実用的でも有用でもありません。

炭素を含む多原子イオン

しかし、炭素は自然に多くの多原子イオンを作ることができます。炭素は非常に柔軟な元素であるため、炭素が形成するさまざまな多原子イオンは、非常に異なる化学的性質を持っています。比較的退屈で不活性なものもあれば、危険なものや非常に不安定なものもあります.炭素は、さまざまな既知の自然発生多原子イオンの中で最も頻度の高い構成要素の 1 つです。

たとえば、炭素と窒素 (N) は結合して、非常に有毒な化合物であるシアン化アニオン ([CN]) を形成します。シアン化物は、窒素原子に三重結合した炭素原子で構成されています。シアン化物は多くの植物や菌類によって、しばしば防御機構として自然に生成されます。シアン化物は水素原子と結合してシアン化水素酸 (HCN) を形成する可能性があり、非常に腐食性の高い化合物であり、少量で致命的になる可能性があります。

炭素を含む別の一般的な多原子イオンは、炭酸塩 ([CO3]) です。炭酸イオンは他の多くの化合物とイオン結合を形成し、塩やミネラルを形成します。ほとんどの堆積岩には炭酸イオンが含まれており、通常はカルシウムと結合して炭酸カルシウム (CaCO) を形成します。）。他の炭酸塩化合物には、炭酸鉄 (FeCO ) および炭酸ナトリウム (Na₂ CO₃ ）。炭酸カルシウムは、軟体動物の殻やサンゴの骨格の主成分でもあります。

炭化物と呼ばれる化合物の重要なファミリーがあり、炭素イオンを非常に陽性のアルカリおよびアルカリ土類金属と結合させることによって形成されます。これらの炭化物は、中心の炭素イオンの性質に応じて 3 つのグループに分けることができます。メタニドはCコア、アセチリドはC₂コア、セスキカーバイドはC₃コアで形成されます。これらのカーバイド化合物のほとんどは、共有結合した炭素化合物を分解することによって生成できます。

酢酸化合物は、炭素を含む重要な多原子イオンです。アセテート ( [CH₃ CO₂] または [CH₃ COO]) は、生合成の主要構成要素の 1 つであるため、自然界に遍在しています。体内の酢酸は、最も重要な脂質の 1 つである脂肪酸の生成と、細胞呼吸に関与するアセチル CoA の生成に使用されます。

炭酸イオン療法

炭素イオンは、放射線療法による腫瘍の治療にもニッチな用途を見出しています。炭素放射線療法は、重電離した炭素粒子を腫瘍に向けて発射することによって腫瘍を治療することで構成されています。イオン化された炭素粒子は、腫瘍細胞の細胞構造に損傷を与え、腫瘍細胞の成長を停止させ、死滅させる可能性があります。炭素イオン治療は、炭素原子の原子核が重いため、より正確で強力な治療が可能になるという点で、従来の形態の放射線治療よりも優れています。光子放射とは対照的に、重原子核は磁場によって操作できるため、より正確に操作して腫瘍を標的にすることができます。