同素体は、元素が 2 つ以上の形で存在する場合に区別できる形です。異なる形態は類似の化学物質を持っていますが、物理的性質は異なります。元素炭素には多くの同素体があります。これは、電子配置が 2,4 (原子番号 6) であるためです。炭素は最外殻に 4 つの電子を持っているため、それらの電子を共有して他の炭素原子と共有結合を形成し、不活性状態に到達します。炭素の同素体には 2 種類あります:
- 結晶性同素体
- アモルファス同素体
結晶同素体には結晶構造がありますが、非晶質同素体にはありません。
結晶性同素体
炭素には次の結晶同素体があります:
ダイヤモンド
- 各炭素原子は sp3 混成の状態にあり、隣接する 4 つの炭素原子に四面体状に結合しています。
- これは剛体の 3 次元構造です。
- 各炭素原子間の結合長は 154 pm です。
- ダイヤモンドは、格子全体に方向性のある共有結合があり、壊れにくいため、地球上で最も硬い素材です。
- 融点が高く、密度が高い
- 各価電子は隣接する原子の価電子と結合しているため、自由電子がなく、電気の悪い伝導体です.
- 道具の研ぎ、穴あけ、切断、染料の製造などに使用されます。
グラファイト
- これは、各炭素原子が 3 つの結合を形成し、sp2 混成である六角形の環からなる層状構造を持っています。
- 弱いファン デル ワールス引力が層を結び付けます。
- グラファイトの層は 3.40 Å の距離で分離されています。
- 結合長は 1.41 Å です。
- 各炭素原子が 3 つの結合を形成し、4 番目の電子が自由に移動できるため、熱と電気の優れた伝導体です。
- 層を一緒に保持する力が弱いため、層が互いにずれることがあります。したがって、グラファイトは機械の潤滑剤として使用されます。
- 鉛筆の芯はグラファイトでできています。そのため、黒鉛とも呼ばれます。
フラーレン
- 黒鉛が不活性ガスの存在下で電気アークで加熱されると、フラーレンが形成されます。
- 加熱すると、C60 (バックミンスターフラーレン)、C70 フラーレン、その他の微量のフラーレンからなるすす状の物質が形成されます。
- バックミンスターフラーレンは、60 個の炭素原子を持つ球状の構造で、それぞれが sp2 混成しています。
- バックミンスターフラーレンは、エッジや表面がなく、炭素原子を引き付けないため、最も安定した同素体です。
- バックミンスターフラーレンは、単結合と二重結合の両方で構成されています
- バックミンスターフラーレンはバッキーボールとしても知られています。
- カーボンナノチューブ
- 巻き上げられたシートの単層炭素原子で構成されています。
- その分子は円柱構造をしています。
- それらは、単層または多層にすることができます。単層構造の直径は 1 nm 未満ですが、多層構造の直径は 100 nm を超えています。
- sp2 ハイブリダイズした結合が含まれています。
- 太陽電池、電線などのシリコン製トランジスタの代替として使用できます。
アモルファス同素体
炭素には次のアモルファス同素体があります:
- コーラ
- これは灰色がかった黒色の硬い固体です。
- 破壊的蒸留によって取得されます。
- 木炭
- 限られた空気の中で木材を加熱すると、木炭が生成されます。
- 砂糖炭 (無定形炭素の最も純粋な形態) は、濃縮 H2SO4 がサトウキビまたはスクロースと反応すると生成されます。
- 動物のショ糖は、骨の破壊蒸留によって生成されます。動物のショ糖の別名はボーン ブラックです。
- 活性炭は、木炭を 1273 K で加熱することによって得られます。
- カーボンブラック
- これは、限られた空気の供給の中で炭素が豊富な炭化水素を加熱することによって得られます。
- 炭化水素が発火したときに発生する煤は、湿ったブランケットに付着します。すすはブランケットが乾くと取り除かれます。このすすは、カーボン ブラックまたはランプ ブラックとして知られています。
- 98～99% の炭素で構成されています。
炭素同素体の用途
- グラファイトは原子炉内の電子の速度を低下させるため、減速材として使用されます。
- プラスチックに埋め込まれたグラファイトは、丈夫で軽量な素材であるため、釣り竿、テニス ラケット、航空機などに使用されています。
- グラファイトは機械の潤滑剤として使用されます。
- グラファイトは工業用電気分解に使用されています。
- 活性炭は非常に多孔質です。そのため、浄水器の有機汚染物質、マスクの有害ガス、空気中の臭いを吸収するために使用されます。
- カーボン ブラックとコークスは還元剤として使用されます。
- ダイヤモンドはジュエリーの製造に使用されます。
結論
炭素の同素体は、化学的性質は似ているが物理的性質が異なるさまざまな形態の炭素です。炭素の最外殻には 4 つの価電子があり、他の炭素原子と結合して不活性状態になるため、炭素には多くの同素体があります。炭素の同素体には、結晶同素体とアモルファス同素体の 2 種類があります。
結晶構造を持つ同素体は、結晶同素体と呼ばれます。ダイヤモンド、グラファイト、フラーレン、およびカーボン ナノチューブは、いくつかの結晶性同素体です。結晶構造を持たない同素体は、アモルファス同素体と呼ばれます。コークス、木炭、カーボン ブラックは非晶質同素体の例です。
