炭素の同素体
はじめに
同素体は、複数の形態で存在するが、同じ物理的状態にある元素です。硫黄と炭素は、同素体を持つ 2 つの一般的な化合物です。炭素には原子価があるため、炭素は多くの同素体を形成できます。炭素の既知の形態はグラファイトとダイヤモンドです。炭素は、記号が C で原子番号が 6 の非金属です。現代の周期表では、炭素は第 2 周期と第 14 族に分けられます。カーボンはラテン語で「石炭」を意味する「カーボ」に由来します。ダイヤモンド、コークス、炭素、グラファイト、フラーレンは炭素元素のみで構成されており、炭素の同素体と言われています。
元素が複数の物理状態で存在できる現象を同素体と呼びます。炭素の同素体は、次の 2 つのカテゴリに分類できます。
- アモルファス炭素同素体
- 結晶性炭素同素体
炭素の結晶同素体:明確に定義された結晶構造を持つ炭素の 4 つの同素体は次のとおりです。
<オール>炭素の非晶質同素体:炭素の重要な非晶質同素体には次のものがあります:
<オール>ダイヤモンド構造
ダイヤモンドは、強力な共有結合でつながれた炭素原子の三次元ネットワークを持っています。各炭素原子は sp3 混成であり、隣接する 4 つの炭素原子に四面体結合しています。
このネットワークは 3 次元に拡張されます。すべての炭素-炭素 (C-C) 結合は 154pm に等しく、各 C-C-C 結合角は 109∘28' です。
ダイヤモンドの特性
- これは、最も純粋で最も密度の高いタイプの炭素です。その密度は 3.51gcm–3 です
- 最も難しい知られている天然物質であり、非常に高い融点 (3843K) を持っています。すべての溶剤に不溶
- 透明で高屈折率に対応。
- 電気の悪い導体です。これは、各炭素のすべての価電子が炭素-炭素シグマ（σ）結合に参加し、結晶内に不対電子が残らないためです。
ダイヤモンドの用途
- ダイヤモンドは、ガラス カッター、ビー玉を切るためののこぎり、削岩機などの工具を切断するために使用されます。
- 眼科医は、非常に正確に白内障を除去するためのツールとして鋭いダイヤモンドを使用します。
- ダイヤモンド ダイは、タングステンなどの金属から非常に細いワイヤーを引き出すために使用されます。
- ダイヤモンドはその並外れた輝きからジュエリーの製造に使用されます。
グラファイト:非金属導体
グラファイトでは、各炭素原子は sp2 混成体にあり、同じ平面内の 3 つの隣接する炭素原子と共有結合しています。このようにして、平らな六角形のリングが形成される。この環の炭素間結合長は 142pm です。六角形のリングは層を形成します。これらの層が互いに滑り合うため、グラファイトは柔らかく滑らかです。
黒鉛の性質
- 金属光沢のある濃い灰色の物質です。
- 非常にべたべたしていて、手触りが柔らかいです。
- 各炭素の 4 番目の価電子は自由に移動できます。これは、各炭素の 3 つの電子のみがグラファイトの六角形リングを作成するために使用されるためです。これにより、グラファイトは熱と電気の優れた伝導体になります。
- 希酸、塩素、アルカリのいずれにも侵されません。二クロム酸カリウムと硫酸の混合物は、ゆっくりと二酸化炭素に酸化します。
グラファイトの用途
- 電極とカーボン アークの製造に使用されます。
- 高温で作動する機械の潤滑剤として使用されます。
- 鉛筆を作るのに使われます。粉状のグラファイトを粘土と混ぜて棒状に固めます。これらのペンは、鉛筆を作るために使用されます。
- 原子炉のモデレーターとして使用できます。
炭素酸化物
炭素は、二酸化炭素 CO2 と一酸化炭素 (CO) という 2 つの酸化物を形成します。また、亜酸化炭素、C3O2 を形成します
二酸化炭素の性質
炭素酸化物、またはオキソカーボンは、炭素と酸素のみを含む有機化合物のクラスです。最も基本的な二酸化炭素は、一酸化炭素と二酸化炭素です。他にも多くの安定および準安定炭素酸化物が知られていますが、めったに遭遇しません。
一酸化炭素
最も単純なオキソカーボンは一酸化炭素 (CO) です。一酸化炭素は無味無色の気体で、空気よりわずかに軽いです。それは代謝的に生成され、いくつかの生物学的機能を持っていると言われていますが、高濃度で遭遇すると人間や動物に有毒です.
一酸化炭素は、異なる 3 つの共鳴構造によって安定化されます。第一共鳴構造が最も重要です。
一酸化炭素は、三重結合によって結合した炭素原子と酸素原子で構成されています。炭素原子と酸素原子の間の距離は 112.8 pm で、三重結合の存在と一致しています。CO 結合の解離エネルギーは 1072 kJ / mol で、これは既知の化学結合の中で最も強いものです。 COには3つの共鳴構造がありますが、三重結合を持つ構造が分子内の実際の電子密度分布に最も近い構造です。
COは、シグナル伝達分子として人体によって自然に生成されます。その代謝異常は、高血圧や心不全などのさまざまな病気に関連しています。 CO は、化石燃料の燃焼や火災により、大気中に少量存在します。大気中の薬草技術により、最終的に二酸化炭素 (CO2) に酸化されます。
二酸化炭素
二酸化炭素は、炭素原子に共有結合している 2 つの酸素原子で構成されている天然の線状化合物です。 2 つの C =O 結合は同等で短く（116.3 pm）、二重結合に対応しています。この化合物は中心対称であるため、正味の双極子はありません。 CO2は無色です。高濃度では刺激性の酸性臭がありますが、低濃度では無臭です。標準的な温度と圧力では、密度は 1.98kg/m3 で、空気の約 1.5 倍です。 520 kPa 未満の圧力では、液体状態ではありません。 1気圧では、ガスは78.5°C未満の温度で固体に直接堆積し、固体はこの温度以上で直接昇華します。固体 CO2 はドライアイスと呼ばれます。二酸化炭素の中心にある炭素原子は、直鎖構造の二重結合によって2つの酸素原子と結合しています。分子は中心対称であるため、正味の双極子モーメントはありません。
CO2 は細胞呼吸プロセスによる生物の代謝の最終産物であり、エネルギーは糖、脂肪、アミノ酸の分解から得られます。人体は 1 日あたり約 2.3 ポンドの二酸化炭素を生成するという事実にもかかわらず、それは有毒であると考えられています。最大 10% のレベルで窒息を引き起こす可能性があります。
結論
元素が複数の結晶形で存在する場合、それらの形は同素体と呼ばれます。炭素の 2 つの最も一般的な同素体は、ダイヤモンドとグラファイトです。ダイヤモンドの結晶構造は、炭素原子の無限の 3 次元配列であり、それぞれが隣接する結合と等しい角度を形成しています。
二酸化炭素は大気の重要な成分であり、炭素循環の一部です。二酸化炭素は、呼吸と代謝によって自然に生成され、光合成によって植物によって消費されます。
