炭素には、グラファイトやダイヤモンドなど、さまざまな同素体があります。グラファイトは柔らかく、不透明で、電気を通すことができます。一方、ダイヤモンドは硬くて透明で、電気を通しません。どちらも純炭素ですが、性質が異なります。これは、分子内の炭素原子の配置によるものです。炭素のハイブリッド形成のプロセスはグラファイトを形成します。混成とは、2 つ以上の原子軌道が結合して新しい混成軌道を形成することです。グラファイトには、六員環の六角形の環にまとめられた炭素原子の層があります。炭素原子は sp² 混成を経てグラファイトを形成します。
黒鉛の混成
炭素原子はsp²混成を受けてグラファイトを形成します。 sp² ハイブリダイゼーションでは、1 つの s 軌道と 2 つの p 軌道が結合して 3 つの sp² 軌道を形成します。炭素は (1s2, 2s2, 2p2) の一般的な電子配置を持っているため、s 軌道と p 軌道に 4 つの価電子が広がります。
- これらの新しく形成された軌道は、共有結合によって炭素の各原子を他の 3 つの原子に接続します。
- これらの原子によって作られた構造は三角形の平面形状であり、形成された C-C-C 結合は 120° の角度を持っています。
- このように形成された混成炭素原子は、いくつかの層にまとめられ、それらの層では六角形の配置で配置されます.
グラファイトは、層の間に弱い力があるため、さまざまな特性を持っています。この弱い力が、グラファイトが非常に異方性であり、機械的、電気的、および熱的特性が面内方向と面外方向で非常に異なる理由である可能性があります.
黒鉛の分子構造
私たちが知っているように、グラファイトの混成 sp²ハイブリダイゼーションです。グラファイト構造は三方晶平面であり、原子間の結合角は 120° です。
- グラファイトは、6 つのメンバーと共に六角形のリングに配置された炭素の層を持っています。これらの六角形のリングは、エッジで接続されています。
- 縮合ベンゼン環の無限のシーケンスを使用して、結合した環の層を作成できます。
- これらの環に配置された炭素原子は、sp² 混成状態にあります。
- このタイプの分子軌道モデルでは、各炭素原子が他の炭素原子と結合しています。
グラフェン層は炭素原子の単一シートであり、リング配列は大きなシートで構成されています。
- これは、カーボン シートが非常に強力に結合されていることを意味する場合もあります。ただし、これらのシートは互いに弱く相互作用します。
- シートは共有結合を介して接続されていません。それらの原子は、ロンドン分散力を介して相互作用します。
- グラフェン層は、グラファイトが結晶化する六角形の 4 軸システムの「C」結晶軸に平行に互いの上に配置されます。
炭素原子は、バックミンスターフラーレンとして知られる球状分子を形成することができます。しかし、なぜグラファイトシート間に共有結合がないのかという疑問も生じます。
- ダイヤモンドは三次元結合ですが、グラファイトとグラフェンは二次元結合です。
- ご存じのとおり、各炭素原子に 4 つの結合を形成するには、4 つの原子軌道を混成する必要があります。
- 各炭素は他の 3 つの炭素と結合しているため、グラファイトでは 3 つの結合のみが必要であると考えるかもしれませんが、これは完全には正しくありません.
ダイヤモンドのハイブリッド化
ダイヤモンドは、sp3 ハイブリダイゼーションの結果として形成されます。ここでは、1 つの s 軌道と 3 つの p 軌道が混合されて 4 つの sp3 軌道を形成します。
- Sp3 ハイブリダイゼーションは四面体ハイブリダイゼーションです。
- これらの軌道は 109.28 度の角度を形成します。
- 炭素原子は強力な共有結合でつながっています。
- 各炭素原子は、ダイヤモンド内の他の 4 つの隣接する原子と結合しています。
- これらの各原子は、隣接する他の 4 つの原子と結合しています。
- したがって、ダイヤモンドに硬度を与える丈夫な立体構造が形成されます。
結論
グラファイトは、炭素の異なる同素体の 1 つです。同素体は同じ元素のさまざまな形ですが、他の特性があります。グラファイトは柔らかく、不透明で、黒または灰色で、電気を通すことができます。ただし、ダイヤモンドも炭素の同素体ですが、その性質はグラファイトとはまったく異なります。 黒鉛の混成 は 120° の結合角を持つ sp² 混成ですが、ダイヤモンドでは 109.28 度の結合角を持つ sp3 混成です。また、ダイヤモンドの炭素原子は 3 次元ネットワークを持っていますが、グラファイトでは 2 次元です。これらの結合がダイヤモンドに硬度を与え、グラファイトを柔らかい素材にします。
