炭素は、地球上で最も一般的に見られる元素の 1 つです。地球の地殻の約 0.02% を占め、世界中のさまざまな化合物に含まれています。炭素は、物理的および化学的特性にいくつかの異常があるため、独特です。
その異常なサイズ、高いイオン化エネルギー、およびその他のそのような構造異常により、多くのユニークな特徴が生まれます。また、ほとんどの炭素化合物は、そのグループの他の元素 (酸素など) と比較して、融点と沸点が高いことも観察されています。したがって、炭素と周期表の 14 族の他の元素との重要な違いを研究することが不可欠です。
目的と機能
炭素の原子構造を観察すると、その殻の最も外側の領域に 4 つの電子があることがわかります。最終的な軌道を安定させるにはさらに 4 つの電子が必要なため、他のソースから電子を取得する必要があります。
これを行うために、炭素は存在する他の粒子と相互作用します。これにより、ライフ サイクル全体で 4 つの共有結合が作成されます。これらの 4 つの原子価は、カーボン ノートの異常な動作を理解するために詳細に研究できる独自の接続を作成します。
カテネーション
多くの場合、炭素原子は他の炭素原子と共有結合し、長い炭素鎖と構造を形成します。このプロセスはカテネーションとして知られています。その結果、地球の表面全体でいくつかの炭素化合物が作成されました。
この属性により、有機化学で炭素を使用し、カテネーションプロセスを通じて構築された構造を調査することが可能になりました。
小サイズ
小さな原子構造が炭素の特徴です。これにより、炭素原子が多くの結合、特にカテネーションを容易に形成できるようになりました。炭素は、最も外側の軌道に 4 つの電子を持っているため、「半充填元素」として知られています。これは、軌道を安定させるためにさらに 4 つの電子が必要であることを示しています。
炭素原子は構造が小さいため安定しています。原子核は、結合電子だけでなく自由電子も保持することができます。
炭素の電気陰性度
炭素原子は、それ自体と、また異なる分子と p-p 結合を形成することができます。これは、炭素原子の構造が小さいために可能です。電気陰性度が高く、C =C、C =O、C =S、C =N などの結合が形成されます。
同素体の存在
炭素原子のカテネート能力と p - p 結合を形成する能力により、炭素はいくつかの同素体を示すことができます。純粋な炭素には、ダイヤモンド、グラファイト、バッキーボール (バックミンスターフラーレン) の 3 つの同素体があります。
これらの同素体では、炭素原子は非常に強力な共有結合の助けを借りて結合されています。これらの共有結合の配置は大幅に異なり、非常に異なる特性をもたらします。
ダイヤモンド
ダイヤモンドは、炭素原子で構成される巨大な分子です。これらの原子は、本来無色透明です。ダイヤモンドの原子が光に反射してきらめき、華やかな光景を演出します。これが、ダイヤモンド原子がしばしば「光沢がある」と定義される理由です。今日、ダイヤモンドはジュエリーの形として一般的に望まれています。
その印象的な外観に加えて、ダイヤモンドは非常に硬い質感と非常に高い融点を持っています。この目的のために、ダイヤモンドは工具の切削にも使用されます。たとえば、コンクリートやレンガを切断するために使用されるディスクのエッジは、ダイヤモンドでできています。ダイヤモンドは水に溶けず、電気を通しません。これは、炭素原子のすべての自由電子が強力な共有電子と結合しているためです。
グラファイト
グラファイトは、炭素の別のユニークな同素体です。グラファイトの構造は、炭素原子の層状化の助けを借りて構築されています。グラファイトの外観は黒色で、光沢があり不透明です。紙に滑りやすいので、鉛筆の芯によく使われます。鉛筆に加えて、グラファイトは多くの工業用潤滑剤に含まれています。
グラファイトも水に溶けず、融点が高いです。ただし、ダイヤモンドとは異なり、グラファイトは電気を通すことができます。したがって、グラファイト棒は、電気分解の化学プロセス中に電極として使用されることがよくあります。グラファイトでは、炭素原子は 3 つの強力な共有結合の助けを借りて層状に結合され、余分な電子が残ります。この「電子の海」により、グラファイトは優れた電気伝導体になります。
フラーレンのナノチューブ
バックミンスターフラーレンは、ナノチューブの形で見つけることができます。この形態の炭素では、原子の分子スケールのチューブが層状に配置されています (グラファイトのように)。これらのナノチューブは非常に高い融点を持っています (非常に強い共有結合が存在するため)。
各炭素原子は、共有結合を介して他の 3 つの炭素原子と結合します。ここにも予備電子があり、自由電子の海につながります。これにより、ナノチューブは優れた電気伝導体にもなります。
カーボンのユニークな特性
- 興味深いことに、炭素および炭素化合物の研究は有機化学として知られています。この要素の有病率は、私たちの周囲で非常に高いです。
- すべての生物には炭素が含まれています。
- 大気中に存在する炭素のほぼ 0.03% が二酸化炭素の形をしています。
- 炭素は、ダイヤモンド、グラファイト、フラーレンの形で自由な状態で存在します。それ以外の場合は、主に結合された状態で存在します。二酸化炭素、炭酸塩、化石燃料、木材、綿、およびその他の有機化合物は、その多くの複合形態の一部です。
結論
炭素は必須元素であり、有機化学の存在そのものの背後にある理由です。その独特の物理的構造が、炭素の重要性という異常な挙動の背後にある理由です。 4 つの自由電子の存在による高い電気陰性度により、炭素原子はカテネーションのプロセスを受けることができます。
カテネーションにより、炭素原子は互いに異なる種類の共有結合を形成し、炭素の同素体が形成されます。これらの炭素同素体には、さまざまな工業目的があります。
