炭素は、化学記号が C の非金属元素です。宇宙で 4 番目に豊富な元素であり、地球の地殻で 15 番目に豊富な元素です。また、人間の体内で酸素に次いで 2 番目に多い元素でもあります。その化学組成は、炭素のいくつかのユニークな特性につながります。
炭素は、周期表のグループ 14 に属します。原子番号は 6 で、原子量は 12.011 です。炭素の酸化状態は、-4 から +4 までさまざまです。+4 はメタンや二硫化炭素などの化合物に存在し、+2 は一酸化炭素に存在します。
さまざまな炭素同素体の物理的特性により、それらは電池、電子機器、およびナノ材料で役立ちます。炭素は「元素の王様」でもあり、ほぼ 1,000 万の化合物を形成しています 有機、無機、有機金属化合物を含む現在まで。
炭素の同位体は、放射性炭素年代測定 (炭素 14)、分子構造および医学研究 (炭素 13) に広く使用されています。さらに、炭素繊維は優れた機械的特性を示し、航空宇宙および土木工学で人気があります。
炭素の同素体
炭素にはさまざまな同素体があります 、多様な分子構成と原子構造を持っています。炭素の物理的性質は、各同素体によって大きく異なります。最もよく知られている炭素の同素体には、グラファイト、ダイヤモンド、フラーレンなどがあります。
グラファイトは既知の最も柔らかい素材の 1 つで、鉛筆や固体潤滑剤として使用されています。また、電気の良導体でもあるため、バッテリーやソーラー パネルに役立ちます。
グラフェンは、ハニカム格子状に配置されたグラファイトの単なる原子層です。グラフェン層では、各炭素原子は他の 3 つの原子と共有結合し、4 番目の電子は平面内を自由に移動できるため、導電性があります。
反対に、ダイヤモンドは天然に存在する物質の中で最も硬く、炭素のユニークな特性の 1 つです。グラファイトのほぼ 2 倍の密度を持ち、各炭素原子は四面体状に他の 4 つの原子と結合しており、自由に流れる電子はありません。したがって、ダイヤモンドは電気の悪い導体です.不透明なグラファイトとは異なり、ダイヤモンドの外観も透明です。
科学者は、フラーレン、カーボンナノフォームなど、炭素の他の同素体も合成しました。それらは特別な性質を持っており、ナノマテリアルの研究分野で花開いています。 .フラーレンは、閉じたケージ (バッキーボール) または円柱 (カーボン ナノチューブ) 構造の中空炭素分子のグループです。
C60 バッキーボールは、Harold Kroto、Richard Smalley、Robert Curl Jr. によって、レーザーを使用してグラファイト ロッドをヘリウム雰囲気で蒸発させて発見されました。炭素原子は単結合と二重結合によって結合され、サッカー ボールの形をした 12 個の五角形と 20 個の六角形の面を形成します。彼らの先駆的な努力により、1996 年にノーベル賞を受賞しました。
バッキーボールの細長いバージョンであるカーボンナノチューブは、飯島澄男によって同定されました。それらは熱と電気の優れた伝導体であり、エレクトロニクスに役立ちます.
カーボン ナノチューブはまた、優れた引張強度を示し、構造材料や医療において刺激的な用途を持っています。しかし、そのようなナノ材料の制御された合成は、科学者に大きな課題をもたらしました.
炭素の化学反応
炭素は地球上の生命の基礎を形成しており、何百万もの炭素含有化合物が全生物の 18% を占めています。それは、他の原子と安定した共有結合を形成し、強力な相互接続炭素-炭素結合の長い鎖または環として現れることがあります。これらは、地球上に存在する炭素化合物の多様性と複雑さに貢献しています。
これらの炭素化合物 生物の細胞に見られるタンパク質、炭水化物、DNA などの有機分子と、二酸化炭素などの無機化合物が含まれます。有機分子の研究は、有機化学と呼ばれる専門分野を構成しています。炭素は、有機金属化合物として金属と共有結合を形成することもできます。ヘモグロビンの酸素結合部位である鉄ポルフィリンがその例です。
炭素は自然界に豊富に存在しますが、通常の条件下では比較的反応しません。常温では、酸（硫酸、塩酸）やアルカリに対して反応しません。また、この温度での酸化に対しても安定しています。しかし、より高い温度では、炭素は酸素と反応して炭素酸化物 (CO
炭素の同位体
炭素には 15 の既知の同位体があり、そのうち炭素 12 (天然炭素の 98.93%) と炭素 13 (1.07%) が 2 つの安定同位体です。炭素 14 は、半減期が 5,730 年で、最も長寿命の同位体です。最短寿命の炭素同位体は炭素 8 で、半減期は 1.98739 x 10 秒です。
同位体炭素 14 は 6 で表されます ここで、上付き文字 14 は原子質量、下付き文字 6 は原子番号です。炭素 14 の自然存在量は非常に少ない (0.0000000001 パーセント) が、半減期が長いため、放射年代測定に役立ちます。 .
炭素 14 は、窒素 14 が宇宙放射線からの中性子と反応し、この過程で陽子を放出するときに形成されます。炭素14は酸素と反応してCO2を生成します 、CO2 とともに大気中に均等に分布しています。
7 N + 0 n -------------> 6 C + 1 p
炭素循環は、生物が二酸化炭素 (CO2 と CO2 光合成によって有機化合物になり、呼吸によって大気中に放出されます。この平衡では、CO2 の一定の比率があります。 と CO2 生物で。しかし、それらが死ぬと平衡が止まり、炭素 14 は 5,730 年の半減期に従って窒素 14 にベータ崩壊します。
6 C -------------> 7 N + -1 e
したがって、死んだ標本の炭素 14 の相対比率を測定することで、死後の経過時間を計算することができます。この放射性炭素年代測定法は、500 ～ 50,000 年前の化石や考古学的標本の年代測定に広く使用されています。
炭素 13 は、多くのアプリケーションで広く使用されている別の同位体です。たとえば、有機化合物の分子構造を決定するための核磁気共鳴（NMR）で使用されます。また、医学研究用の質量分析計と組み合わせてラベリング ツールとしても使用されます。
炭素繊維の機械的性質
炭素は、物理的、化学的、核特性以外にも、有用な機械的特性を示します。
合金を形成できます 鋼を炭素鋼に変換し、その炭素含有量は重量で 0.05 から 2 パーセントまで変化します。中炭素鋼 (0.3 ～ 0.6 パーセントの炭素) は、強度と延性のバランスが取れており、引張強度にも優れています。熱処理のプロセスを通じて、超高炭素鋼 (炭素 1.25 ～ 2 パーセント) を非常に高い硬度に焼き戻し、ナイフの製造に使用することができます。
炭素繊維は、大部分が炭素原子で構成された厚さ 5 ～ 10 μm の繊維であり、高い剛性、引張強度、耐薬品性、温度耐性、および低重量と低熱膨張を示します。鋼の降伏強度はグレードによって異なり、軟鋼の降伏強度は 247 MPa です。炭素繊維の引張強度は 1,600 ～ 6,370 MPa で、航空宇宙、土木工学、スポーツの分野で人気があります。
材料に応力がかかると、最初は弾性的に変形します。この段階で、応力を取り除くと元の形状に戻ることができます。 耐力 材料が永久変形することなく耐えることができる応力として定義されます。
元の寸法に戻れなくなるポイント (上部降伏点) に達すると、永久的かつ不可逆的な塑性変形が発生します。引張り強さは、素材が壊れたり壊れたりせずに耐えられる最大の強さです。
