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 グラファイト（左）とダイヤモンド（右）は炭素の同素体である。 | |||||||||||||||||||||||||||||||
| 炭素 | |||||||||||||||||||||||||||||||
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| 同素体 | グラファイト、ダイヤモンドなど（炭素の同素体を参照） | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 外観 |
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| 標準原子量 A r °(C) | |||||||||||||||||||||||||||||||
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| 周期表における炭素 | |||||||||||||||||||||||||||||||
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| 原子番号 ( Z ) | 6 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| グループ | グループ 14 (炭素グループ) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 期間 | 期間2 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| ブロック | pブロック | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 電子配置 | [彼] 2s 2 2p 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 殻あたりの電子数 | 2、4 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 物理的特性 | |||||||||||||||||||||||||||||||
| STPでの フェーズ | 固体 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 昇華点 | 3915 K (3642 °C、6588 °F) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 密度（ rt付近 ） | グラファイト: 2.266 g/cm 3 [3] [4] ダイヤモンド: 3.515 g/cm 3 アモルファス: 1.8–2.1 g/cm 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 三点 | 4600 K、10,800 kPa [5] [6] | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 融解熱 | グラファイト: 117 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| モル熱容量 | グラファイト: 8.517 J/(mol·K) ダイヤモンド: 6.155 J/(mol·K) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 原子特性 | |||||||||||||||||||||||||||||||
| 酸化状態 | 共通: −4、−3、−2、−1、0、+1、+2、+3、+4 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 電気陰性度 | ポーリングスケール: 2.55 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| イオン化エネルギー |
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| 共有結合半径 | sp 3 : 午後 77 分 sp 2 : 午後 73 分 sp: 午後69 分 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| ファンデルワールス半径 | 午後170時 | ||||||||||||||||||||||||||||||
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| その他のプロパティ | |||||||||||||||||||||||||||||||
| 自然発生 | 原始的な | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 結晶構造 | グラファイト:単純六方晶( hP4 ) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 格子定数 |  c = 670.94 pm （20℃）[3] | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 結晶構造 | ダイヤモンド:面心立方ダイヤモンド( cF8 ) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 格子定数 |  (20℃) [3] | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 熱膨張 | ダイヤモンド: 0.8 µm/(m⋅K) (25 °C) [7] | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 熱伝導率 | グラファイト: 119–165 W/(m⋅K) ダイヤモンド: 900–2300 W/(m⋅K) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 電気抵抗率 | グラファイト: 7.837 µΩ⋅m [8] | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 磁気秩序 | 反磁性[9] | ||||||||||||||||||||||||||||||
| モル磁化率 | ダイヤモンド：−5.9 × 10 −6 cm 3 /モル[10] | ||||||||||||||||||||||||||||||
| ヤング率 | ダイヤモンド: 1050 GPa [7] | ||||||||||||||||||||||||||||||
| せん断弾性係数 | ダイヤモンド: 478 GPa [7] | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 体積弾性率 | ダイヤモンド: 442 GPa [7] | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 音速の 細い棒 | ダイヤモンド: 18,350 m/s (20 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| ポアソン比 | ダイヤモンド：0.1 [7] | ||||||||||||||||||||||||||||||
| モース硬度 | グラファイト: 1～2 ダイヤモンド: 10 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| CAS番号 |
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| 歴史 | |||||||||||||||||||||||||||||||
| 発見 | エジプト人とシュメール人[11] （紀元前3750年） | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 要素として認識されている | アントワーヌ・ラヴォアジエ[12]（1789） | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 炭素の同位体 | |||||||||||||||||||||||||||||||
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炭素（ラテン語の carbo 「石炭」に由来）は化学元素であり、記号はC、原子番号は6です。炭素は非金属で四価です。つまり、原子価殻に4 つの電子があるため、炭素の原子は最大 4 つの共有結合を形成できます。炭素は周期表の第 14 族に属します。[13]炭素は地球の地殻の約 0.025 パーセントを占めています。[14] 3 つの同位体が自然に存在し、12 Cと13 C は安定していますが、14 C は放射性核種であり、半減期は5,700年です。[15]炭素は古代から知られている数少ない元素の 1 つです。[16]
炭素は地球の地殻で15番目に多い元素であり、質量で見ると宇宙では水素、ヘリウム、酸素に次いで4番目に多い元素です。炭素の豊富さ、有機化合物のユニークな多様性、地球上で一般的に遭遇する温度でポリマーを形成するその珍しい能力により、この元素は既知のすべての生命の共通の要素としての役割を果たすことができます。人体では、質量で酸素に次いで2番目に多い元素です（約18.5％）。[17]
炭素原子は多様な方法で結合し、さまざまな炭素同素体を形成します。よく知られている同素体には、グラファイト、ダイヤモンド、アモルファス炭素、フラーレンなどがあります。炭素の物理的特性は、同素体によって大きく異なります。たとえば、グラファイトは不透明で黒色ですが、ダイヤモンドは透明度が高いです。グラファイトは紙に筋が残るほど柔らかいのに対し（ギリシャ語の動詞「γράφειν」（書く）に由来する名前の由来）、ダイヤモンドは天然に存在する物質の中で最も硬いことが知られています。グラファイトは電気伝導性が高いのに対し、ダイヤモンドは電気伝導性が低いです。通常の状態では、ダイヤモンド、カーボンナノチューブ、グラフェンは、既知の物質の中で最も高い熱伝導率を持っています。すべての炭素同素体は通常の状態では固体であり、グラファイトは標準温度および圧力で熱力学的に最も安定した形態です。化学的耐性があり、酸素と反応するためにも高温が必要です。
無機化合物中の炭素の最も一般的な酸化状態は+4ですが、一酸化炭素や遷移金属カルボニル錯体では+2が見られます。無機炭素の最大の供給源は石灰岩、ドロマイト、二酸化炭素ですが、石炭、泥炭、石油、メタンクラスレートなどの有機鉱床にもかなりの量が含まれています。炭素は膨大な数の化合物を形成し、約2億個が記述され、索引付けされていますが、[18]その数は標準条件下で理論的に可能な化合物の数のほんの一部にすぎません。
特徴
炭素の同素体には、最も柔らかい既知の物質の1つであるグラファイトと、最も硬い天然物質であるダイヤモンドが含まれます。炭素は他の炭素原子を含む他の小さな原子と容易に結合し、適切な多価原子と複数の安定した共有結合を形成することができます。炭素は、ほとんどの化学化合物の構成要素であり、出版された化学文献には約2億の例が記載されています。[18]炭素は、すべての元素の中で最も昇華点が高いです。大気圧下では融点は存在せず、三重点は10.8 ± 0.2 メガパスカル（106.6 ± 2.0 atm、1,566 ± 29 psi）、4,600 ± 300 K（4,330 ± 300 °C、7,820 ± 540 °F）にあるため、[20] [21]昇華温度は約3,900 K（3,630 °C、6,560 °F）である。[22] [23]グラファイトは、熱力学的にはダイヤモンドよりも安定しているにもかかわらず、非局在化したπシステムが攻撃に対してはるかに脆弱であるため、標準状態ではダイヤモンドよりもはるかに反応性が高い。例えば、グラファイトは標準状態で高温の濃硝酸によって酸化されてメリト酸C 6 (CO 2 H) 6 となり、グラファイトの六方構造が保持されながら大きな構造が破壊される。[24]
炭素は、約 5800 K (5,530 °C または 9,980 °F) の温度の炭素アークで昇華します。したがって、同素体形態に関係なく、炭素はタングステンやレニウムなどの最も融点の高い金属よりも高い温度で固体のままです。炭素は熱力学的には酸化されやすいですが、室温では還元力が弱い鉄や銅などの元素よりも効果的に酸化に抵抗します。
炭素は6番目の元素で、基底状態の電子配置は 1s 2 2s 2 2p 2であり、そのうち4つの外殻電子は価電子である。炭素の最初の4つのイオン化エネルギーはそれぞれ 1086.5、2352.6、4620.5、6222.7 kJ/mol であり、より重い第14族元素よりもはるかに高い。炭素の電気陰性度は 2.5 で、より重い第14族元素 (1.8–1.9) よりも大幅に高いが、近隣の非金属のほとんどや、第2列および第3列の遷移金属の一部に近い。炭素の共有結合半径は通常、77.2 pm (C−C)、66.7 pm (C=C)、60.3 pm (C≡C) とされるが、配位数や炭素が何と結合しているかによって変わることがある。一般的に、共有結合半径は配位数が低く、結合次数が高いほど小さくなります。[25]
炭素ベースの化合物は、地球上の既知のすべての生命の基礎を形成しており、炭素-窒素-酸素サイクルは、太陽によって生成されるエネルギーのわずかな部分と、より大きな恒星（シリウスなど）のエネルギーのほとんどを提供しています。炭素は非常に多様な化合物を形成しますが、ほとんどの形態の炭素は、通常の条件下では比較的反応性がありません。標準温度および圧力では、最も強力な酸化剤を除いてすべてに耐性があります。硫酸、塩酸、塩素、またはいかなるアルカリとも反応しません。高温では、炭素は酸素と反応して炭素酸化物を形成し、金属酸化物から酸素を奪って元素金属を残します。この発熱反応は、鉄鋼業界で鉄を精錬し、鋼の炭素含有量を制御するために使用されます。
- 鉄
3お
4+ 4 ℃ + 2 ℃
2→ 3 Fe (s) + 4 CO
2（キ）
炭素は硫黄と反応して二硫化炭素を形成し、石炭ガス化で使用される石炭ガス反応で蒸気と反応します。
- C (s) + H 2 O (g) → CO (g) + H 2 (g)。
炭素は高温でいくつかの金属と結合して金属炭化物を形成します。例えば、鋼鉄の炭化鉄セメンタイトや炭化タングステンなどは、研磨剤や切削工具の硬い先端部の製造に広く使用されています。
炭素同素体のシステムは、さまざまな極端な範囲にわたります。
同素体
炭素原子は非常に短寿命な種であるため、同素体と呼ばれる多様な分子構成を持つ様々な多原子構造で安定化されています。炭素の比較的よく知られている3つの同素体は、アモルファス炭素、グラファイト、ダイヤモンドです。かつてはエキゾチックと考えられていたフラーレンは、現在では一般的に合成され、研究に使用されています。フラーレンには、バッキーボール、[31] [32] カーボンナノチューブ、[33] カーボンナノバッド[34]ナノファイバーなどがあります。[35] [36]ロンズデーライト、[37] ガラス状炭素、[38] カーボンナノフォーム[39]線状アセチレン炭素（カルビン）など、他のエキゾチックな同素体もいくつか発見されています。 [40]
グラフェンは、原子が六角形の格子状に配列された2次元炭素シートです。2009年現在、グラフェンはこれまでテストされた中で最も強力な材料であるようです。[41]グラファイトからグラフェンを分離するプロセスは、工業プロセスで経済的になるまでにさらに技術開発が必要です。[42]成功すれば、グラフェンは宇宙エレベーターの建設に使用できます。また、自動車の水素ベースのエンジンで使用するために水素を安全に貯蔵するためにも使用できます。[43]
アモルファス形態は、結晶性のマクロ構造を保持していない、非結晶性で不規則なガラス状の状態の炭素原子の集まりである。粉末として存在し、木炭、ランプブラック（すす）、活性炭などの物質の主成分である。常圧では、炭素はグラファイトの形をとり、芳香族炭化水素と同様に、各原子は融合した六角形の環で構成された平面内で他の3つの原子と三角結合している。[44]結果として生じるネットワークは2次元であり、結果として生じる平らなシートは積み重ねられ、弱いファンデルワールス力によって緩く結合している。これにより、グラファイトは柔らかく、劈開性がある（シートは互いに簡単に滑り抜ける）。各原子の外側の電子の1つが非局在化してπクラウドを形成するため、グラファイトは電気を伝導しますが、共有結合した各シートの平面内でのみ伝導します。このため、炭素のバルク電気伝導率はほとんどの金属よりも低くなります。非局在化は、室温でダイヤモンドよりもグラファイトの方がエネルギー的に安定している理由でもあります。
非常に高い圧力下では、炭素はよりコンパクトな同素体であるダイヤモンドを形成し、密度はグラファイトのほぼ2倍になります。ここでは、各原子が4つの他の原子と四面体的に結合し、しわのある6員環の3次元ネットワークを形成します。ダイヤモンドはシリコンやゲルマニウムと同じ立方構造で、炭素-炭素結合の強さのため、引っかき傷に対する耐性で測定すると、天然に存在する物質の中で最も硬い物質です。 「ダイヤモンドは永遠である」という一般的な考えに反して、ダイヤモンドは常温（298 K、10 5 Pa）では熱力学的に不安定（Δ f G °（ダイヤモンド、298 K）= 2.9 kJ/mol [45] ）であり 、理論的にはグラファイトに変化するはずです。[46]しかし、活性化エネルギー障壁が高いため、常温ではグラファイトへの変化は非常に遅く、気づかないほどです。しかし、非常に高い温度ではダイヤモンドはグラファイトに変化し、住宅火災で燃え尽きる可能性がある。炭素の状態図の左下隅は実験的に精査されていない。密度汎関数法を用いた計算研究では、 T → 0 Kおよびp → 0 Paのとき、ダイヤモンドはグラファイトよりも約1.1 kJ/mol安定するという結論に達したが、 [47]より最近の決定的な実験および計算研究では、グラファイトはT < 400 K 、印加圧力なしで、 T = 0 Kで2.7 kJ/mol 、 T = 298.15 Kで3.2 kJ/molダイヤモンドよりも安定していることが示されている。 [48]ある条件下では、炭素はロンズデーライトとして結晶化する。ロンズデーライトは、すべての原子が共有結合した六方結晶格子で、ダイヤモンドと同様の特性を持つ。[37]
フラーレンはグラファイトのような構造を持つ合成結晶構造ですが、フラーレンを構成する炭素原子のセルには、平坦な六角形だけでなく、五角形、非平面六角形、さらには七角形も含まれることがあります。そのため、シートは球形、楕円形、または円筒形に歪んでいます。フラーレン (バッキーボール、バッキーチューブ、ナノバッドに分類) の特性はまだ十分に分析されておらず、ナノ材料の研究が集中的に行われている分野です。フラーレンとバッキーボールという名前は、フラーレンの構造に似たジオデシックドームを普及させたリチャード・バックミンスター・フラーにちなんで付けられました。バッキーボールは、完全に三角結合した炭素でできたかなり大きな分子で、回転楕円体を形成しています(最も有名で最も単純なのはサッカーボールの形をした C 60バックミンスターフラーレンです)。[31]カーボンナノチューブ（バッキーチューブ）は、各原子が中空の円筒を形成する湾曲したシートに三角形に結合していることを除いて、構造的にバッキーボールに似ています。[ 32] [33]ナノバッドは2007年に初めて報告され、バッキーチューブ/バッキーボールのハイブリッド材料（バッキーボールはナノチューブの外壁に共有結合しています）であり、単一の構造で両方の特性を兼ね備えています。[34]
他に発見された同素体のうち、カーボンナノフォームは1997年に発見された強磁性同素体である。これは、炭素原子が6員環と7員環で三角結合した、ゆるやかな3次元ウェブに連なった低密度のクラスター集合体から成り立っている。密度は約2 kg/m 3で、知られている固体の中で最も軽い部類に入る。[49]同様に、ガラス状炭素は高い割合で閉じた多孔性を有するが、[38]通常のグラファイトとは異なり、グラファイト層は本のページのように積み重ねられておらず、よりランダムな配置となっている。線状アセチレン炭素[40] の化学構造は[40] −(C≡C) n − である。この変形の炭素は、 sp 軌道混成を伴う線状であり、単結合と三重結合が交互に存在するポリマーである。このカルビンは、そのヤング率が最も硬い既知の物質であるダイヤモンドの40倍であることから、ナノテクノロジーにとって非常に興味深い物質である。 [50]
2015年、ノースカロライナ州立大学の研究チームは、非晶質炭素粉末に高エネルギーの低持続時間レーザーパルスを照射することで生成された、 Q-カーボンと名付けた別の同素体の開発を発表しました。Q-カーボンは強磁性、蛍光性、ダイヤモンドよりも優れた硬度を示すと報告されています。 [51]
気相では、炭素の一部は反応性の高い二原子炭素（C 2）の形をしています。励起されると、このガスは緑色に光ります。
発生
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炭素は、質量で見ると、水素、ヘリウム、酸素に次いで観測可能な宇宙で4番目に多い化学元素です。炭素は太陽、恒星、彗星、そしてほとんどの惑星の大気中に豊富に存在します。[52]隕石の中には、太陽系がまだ原始惑星系円盤だったときに形成された微細なダイヤモンドが含まれているものもあります。[53]微細なダイヤモンドは、隕石衝突地点の強い圧力と高温によって形成されることもあります。[54]
2014年、NASAは宇宙の多環芳香族炭化水素（PAH）を追跡するためのデータベースを大幅にアップグレードしたと発表した。宇宙の炭素の20％以上は、酸素を含まない炭素と水素の複合化合物であるPAHに関連している可能性がある。 [55]これらの化合物はPAH世界仮説に登場し、生命の無生物起源と形成に役割を果たしていると仮定されている。PAHはビッグバンから「数十億年」後に形成されたようで、宇宙全体に広がっており、新しい星や太陽系外惑星に関連している。[52]
固体地球全体では730ppmの炭素が含まれており、核には2000ppm、マントルと地殻を合わせた部分には120ppmが含まれていると推定されています。[56]地球の質量は5.972 × 10 24 kgなので、4360 百万ギガトンの炭素があることになります。これは、海洋や大気中の炭素の量（下記）をはるかに上回ります。
炭素は二酸化炭素中の酸素と結合して、地球の大気中に存在し（炭素量は約900ギガトン、1ppmは2.13ギガトンに相当）、すべての水域に溶解している（炭素量は約36,000ギガトン）。生物圏の炭素量は550ギガトンと推定されているが、不確実性は大きい。これは主に、地表深部の地下細菌の量に関する大きな不確実性による。[57] 炭化水素（石炭、石油、天然ガスなど）にも炭素が含まれている。石炭の「埋蔵量」（「資源」ではない）は約900ギガトンで、おそらく18,000ギガトンの資源がある。[58] 石油の埋蔵量は約150ギガトン。天然ガスの実証済みの供給源は約175 × 10 12 立方メートル（約105ギガトンの炭素を含む）であるが、研究ではさらにシェールガスなどの「非在来型」鉱床は900 × 1012 立方メートルあり、これは約540ギガトンの炭素に相当します。[59]
炭素は極地や海底のメタンハイドレートにも含まれています。さまざまな推定によると、この炭素の量は500、2500、[60]、または3,000 Gtとされています。[61]
ある資料によると、1751年から2008年の間に化石燃料の燃焼により約347ギガトンの炭素が二酸化炭素として大気中に放出された。[62]別の資料によると、1750年以降の期間に大気中に放出された量は879ギガトンで、大気、海、陸地（泥炭地など）に放出された量の合計はほぼ2,000ギガトンである。[63]
炭素は、炭酸塩岩（石灰岩、ドロマイト、大理石など）の非常に大きな塊の成分（質量の約12％）です。石炭は炭素を非常に豊富に含み（無煙炭には92～98％含まれています）[64] 、鉱物炭素の最大の商業的供給源であり、4,000ギガトンまたは化石燃料の80％を占めています。[65]
個々の炭素同素体については、グラファイトは米国（主にニューヨークとテキサス）、ロシア、メキシコ、グリーンランド、インドで大量に発見されています。天然ダイヤモンドは、古代の火山の「ネック」または「パイプ」で発見されたキンバーライト岩石中に存在します。ダイヤモンドの鉱床のほとんどはアフリカにあり、特に南アフリカ、ナミビア、ボツワナ、コンゴ共和国、シエラレオネに多く見られます。ダイヤモンドの鉱床は、アーカンソー州、カナダ、ロシア北極圏、ブラジル、オーストラリア北部と西部でも発見されています。ダイヤモンドは現在、喜望峰沖の海底からも回収されています。ダイヤモンドは天然に発見されていますが、米国で使用される工業用ダイヤモンドの約 30% は現在製造されています。
炭素14は、高度9～15kmの対流圏および成層圏の上層で宇宙線によって引き起こされる反応によって生成されます。[66] 熱中性子が生成され、窒素14の原子核と衝突して炭素14と陽子が形成されます。そのため、大気中の二酸化炭素の1.5％×10−10には炭素14が含まれています。[ 67 ]
炭素を豊富に含む小惑星は、太陽系の小惑星帯の外側に比較的多く存在します。これらの小惑星は、科学者によって直接サンプルが採取されたことはありません。これらの小惑星は、仮想的な宇宙ベースの炭素採掘に使用できますが、将来的には可能になるかもしれませんが、現時点では技術的に不可能です。[68]
同位体
炭素の同位体は、6個の陽子といくつかの中性子（2～16個）を含む原子核です。炭素には、2つの安定した天然同位体があります。 [69]同位体炭素12（12C）は地球上の炭素の98.93%を占め、炭素13（13C）は残りの1.07%を占めています。[69]生化学反応は13Cを区別するため、生物学的物質では12Cの濃度がさらに高くなります。[ 70 ] 1961年、国際純正・応用化学連合（IUPAC）は、同位体炭素12を原子量の基準として採用しました。[71]核磁気共鳴（NMR）実験における炭素の同定は、同位体13Cを用いて行われます。
炭素14（14C）は、窒素と宇宙線の相互作用によって上層大気（下部成層圏および上部対流圏）で生成される天然の放射性同位体です。 [72]地球上では1兆分の1（0.0000000001%）以上の微量で存在し、主に大気と表層堆積物、特に泥炭やその他の有機物に限定されています。[73]この同位体は、 0.158MeVのβ-放出によって崩壊します。半減期が比較的短いため、5700 ± 30 年[15] 14 Cは古代の岩石にはほとんど存在しません。大気中および生体内の14 Cの量はほぼ一定ですが、死後は体内で減少することが予測されます。この原理は、1949年に発明された放射性炭素年代測定法で使用されており、約4万年前までの炭素質物質の年代を決定するために広く使用されています。[74] [75]
炭素の同位体は15種類知られており、その中で最も短寿命なのは8Cで、陽子放出により崩壊し、半減期は3.5 × 10 −21秒である。[15]エキゾチックな19Cは核ハローを示し、その半径は核が一定密度の球体である場合に予想される半径よりもかなり大きいことを意味する。[76]
星の形成
炭素原子核の形成は、トリプルアルファ過程を通じて巨星または超巨星内で起こる。これには3つのアルファ粒子（ヘリウム原子核）がほぼ同時に衝突することが必要であり、ヘリウムと水素または別のヘリウム原子核とのさらなる核融合反応の生成物はそれぞれリチウム5とベリリウム8を生成するが、これらは両方とも非常に不安定で、ほとんど瞬時に小さな原子核に戻る。[77]トリプルアルファ過程は、100メガケルビンを超える温度とヘリウム濃度の条件で起こるが、これは初期宇宙の急速な膨張と冷却によって禁止されたため、ビッグバンの間に大量の炭素は生成されなかった。
現在の物理的宇宙論によれば、炭素は水平枝の星の内部で生成される。[78]大質量星が超新星として死ぬと、炭素は塵となって宇宙に撒き散らされる。この塵は、集積した惑星を持つ次世代の恒星系を形成するための構成物質となる。[52] [79]太陽系は、炭素が豊富に存在するそのような恒星系の一つであり、私たちが知っているような生命の存在を可能にしている。ほとんどの学者は、太陽系と天の川銀河の炭素はすべて死にゆく恒星から来ていると考えている。[80] [81] [82]
CNOサイクルは、恒星を動かす追加の水素融合メカニズムであり、炭素が触媒として機能します。
一酸化炭素の様々な同位体形態（例えば、12 CO、13 CO、18 CO）の回転遷移はサブミリ波領域で検出可能であり、分子雲内で新たに形成される星の研究に利用されている。[83]
炭素循環
地球上の条件下では、ある元素が別の元素に変わることは非常に稀である。したがって、地球上の炭素の量は実質的に一定である。したがって、炭素を使用するプロセスは、どこかからそれを入手し、どこか別の場所でそれを処分しなければならない。環境中の炭素の経路は、炭素循環を形成する。[84]たとえば、光合成植物は、大気（または海水）から二酸化炭素を取り込み、カルビン回路（炭素固定のプロセス）のように、それをバイオマスに構築する。[85]このバイオマスの一部は動物に食べられ、一部の炭素は動物によって二酸化炭素として吐き出される。炭素循環はこの短いループよりもかなり複雑である。たとえば、二酸化炭素の一部は海に溶解しているが、バクテリアがそれを消費しない場合、死んだ植物や動物の物質は石油や石炭になり、燃焼すると炭素を放出する。[86] [87]
化合物
有機化合物
炭素は、相互接続した炭素-炭素結合の非常に長い鎖を形成することができ、この特性は連鎖と呼ばれます。炭素-炭素結合は強く安定しています。連鎖を通じて、炭素は無数の化合物を形成します。固有の化合物を集計すると、炭素を含む化合物の方が含まない化合物より多くなります。[88]ほとんどの有機化合物は、炭素または酸素や窒素などの他の一般的な元素と化学的に結合した水素を含むため、水素についても同様のことが言えます。
有機分子の最も単純な形態は炭化水素である。炭化水素は、炭素原子の鎖に結合した水素原子で構成される有機分子の大きなファミリーである。炭化水素骨格は、ヘテロ原子と呼ばれる他の原子で置換することができる。有機化合物に現れる一般的なヘテロ原子には、酸素、窒素、硫黄、リン、非放射性ハロゲン、および金属のリチウムとマグネシウムがある。金属との結合を含む有機化合物は、有機金属化合物として知られている（下記参照）。ヘテロ原子を含むことが多い特定の原子のグループは、多数の有機化合物に繰り返し出現する。官能基と呼ばれるこれらの集合は、共通の反応パターンを与え、有機化合物の体系的な研究と分類を可能にする。鎖の長さ、形状、官能基はすべて、有機分子の特性に影響を与える。[89]
炭素の安定した化合物のほとんど（およびほぼすべての安定した有機化合物）では、炭素はオクテット則に従い、四価です。つまり、炭素原子は合計 4 つの共有結合（二重結合と三重結合を含む場合があります）を形成します。例外には、少数の安定化カルボカチオン（3 つの結合、正電荷）、ラジカル（3 つの結合、中性）、カルバニオン（3 つの結合、負電荷）、およびカルベン（2 つの結合、中性）が含まれますが、これらの種は不安定で反応性の高い中間体として遭遇する可能性の方がはるかに高くなります。
炭素は既知のすべての有機生命体に存在し、有機化学の基礎となっています。炭素は水素と結合すると、冷媒、潤滑剤、溶剤、プラスチックや石油化学製品の製造のための化学原料、化石燃料など、産業界にとって重要なさまざまな炭化水素を形成します。
炭素は酸素や水素と結合すると、糖、リグナン、キチン、アルコール、脂肪、芳香族エステル、カロテノイド、テルペンなど、多くの重要な生物学的化合物のグループを形成できます。窒素と結合するとアルカロイドが形成され、硫黄が加わると抗生物質、アミノ酸、ゴム製品も形成されます。これらの他の元素にリンが加わると、生命の化学コードキャリアであるDNAとRNA 、およびすべての生細胞で最も重要なエネルギー伝達分子であるアデノシン三リン酸（ATP）が形成されます。 [90] 火星へのマリナー号とバイキング号のミッション（1965-1976）の責任者であるノーマン・ホロウィッツは、炭素のユニークな特性により、他のどの元素も、たとえ別の惑星であっても、生命に必要な生化学を生成するために炭素を置き換えることは不可能であると考えました。[91]
無機化合物
一般的に、鉱物と関連しているか、他の炭素原子、ハロゲン、水素との結合を含まない炭素含有化合物は、古典的な有機化合物とは別に扱われます。定義は厳密ではなく、一部の化合物の分類は著者によって異なる場合があります（上記の参考文献を参照）。これらの中には、単純な炭素酸化物があります。最も有名な酸化物は二酸化炭素（CO 2 ）です。これはかつて古大気の主成分でしたが、今日では地球の大気の微量成分です。[92]水に溶解すると、炭酸（H
2CO
3）であるが、単一の炭素に複数の単結合酸素を持つほとんどの化合物と同様に不安定である。[93]しかし、この中間体を介して共鳴安定化炭酸イオンが生成される。いくつかの重要な鉱物は炭酸塩であり、特に方解石である。二硫化炭素（CS
2）も同様である。[24]しかし、その物理的性質と有機合成との関連性から、二硫化炭素は有機溶媒に分類されることもある。
もう 1 つの一般的な酸化物は一酸化炭素 (CO) です。これは不完全燃焼によって生成され、無色無臭のガスです。分子はそれぞれ三重結合を含み、かなり極性があるため、ヘモグロビン分子に永久に結合し、結合親和性の低い酸素と置き換わる傾向があります。[94] [95] シアン化物(CN − ) は同様の構造ですが、ハロゲン化物イオン (擬似ハロゲン) と非常によく似た挙動を示します。たとえば、二原子ハロゲン化物に似た窒化物シアン分子 ((CN) 2 ) を形成できます。同様に、シアン化物のより重い類似体であるシアフィド(CP − ) も無機物と見なされますが、ほとんどの単純な誘導体は非常に不安定です。その他の珍しい酸化物には、亜酸化炭素( C
3お
2）、[96]不安定な一酸化二炭素（C 2 O）、[97] [98] 三酸化炭素（CO 3）、[99] [100] シクロペンタンペントン（C 5 O 5）、[101] シクロヘキサンヘキソン（C 6 O 6）、[101]およびメリト酸無水物（C 12 O 9）である。しかし、メリト酸無水物はメリト酸の三重アシル無水物であり、さらにベンゼン環を含んでいる。そのため、多くの化学者はそれを有機物とみなしている。
タングステンなどの反応性金属では、炭素は炭化物（C 4−）またはアセチリド（C2−2
...）と反応して高融点の合金を形成する。これらの陰イオンは、非常に弱い酸であるメタンやアセチレンとも関連している。電気陰性度が2.5であるため、 [102]炭素は共有結合を形成する傾向がある。ダイヤモンドに似たカーボランダム（SiC）などのいくつかの炭化物は共有結合格子である。しかし、最も極性があり塩のような炭化物でさえ、完全にイオン性の化合物ではない。[103]
有機金属化合物
有機金属化合物は、定義上、少なくとも 1 つの炭素-金属共有結合を含む。このような化合物は多岐にわたる。主なクラスには、単純なアルキル金属化合物 (テトラエチル鉛など)、η 2 -アルケン化合物 (ツァイゼ塩など)、η 3 -アリル化合物 (アリルパラジウム塩化物二量体など)、シクロペンタジエニル配位子を含むメタロセン(フェロセンなど)、遷移金属カルベン錯体などがある。金属カルボニルや金属シアン化物も多数存在する (テトラカルボニルニッケルやフェリシアン化カリウムなど)。研究者の中には、他の炭素配位子を持たない金属カルボニル錯体やシアン化物錯体は純粋に無機物であり、有機金属ではないと考える人もいる。しかし、ほとんどの有機金属化学者は、炭素配位子、さらには「無機炭素」 (カルボニル、シアン化物、特定の種類の炭化物やアセチリドなど) との金属錯体は、本質的に有機金属であると考えている。炭素-金属共有結合を持たない有機配位子を含む金属錯体（例：金属カルボキシレート）は、有機金属化合物と呼ばれます。
炭素は4つの共有結合の形成を強く好むと理解されているが、他のエキゾチックな結合方式も知られている。カルボランは[B 12 H 12 ] 2-ユニットの非常に安定した十二面体誘導体であり、1つのBHがCH +に置き換えられている。したがって、炭素は5つのホウ素原子と1つの水素原子に結合している。陽イオン[(Ph 3 PAu) 6 C] 2+には、6つのホスフィン-金フラグメントに結合した八面体炭素が含まれている。この現象は、金リガンドの親金性に起因するとされており、これにより、そうでなければ不安定な種がさらに安定化される。[104]自然界では、微生物の窒素固定を担う鉄モリブデン補因子（FeMoco）も同様に、6つの鉄原子に結合した八面体炭素中心（正式には炭化物、C(-IV)）を持っている。 2016年、以前の理論的予測と一致して、ヘキサメチルベンゼンジカチオンには6つの結合を持つ炭素原子が含まれていることが確認されました。より具体的には、ジカチオンの構造は[MeC(η5-C5Me5)]2+という式で記述でき、MeC3 +フラグメントが環の5つの炭素すべてを介してη5-C5Me5-フラグメントに結合した「有機メタロセン」になります。[ 105 ]
上記のケースでは、炭素への結合のそれぞれに 2 個未満の正式な電子対が含まれていることに注意することが重要です。したがって、これらの種の正式な電子数はオクテットを超えません。これにより、それらは超配位になりますが、超原子価にはなりません。Akiba と共同研究者によって報告されているように、[106]電子構造計算では、炭素の周りの電子数は 8 未満であると結論付けられており、これは 4 電子3 中心結合を特徴とする他の化合物に当てはまります。
歴史と語源
英語の「 carbon」という名前は、ラテン語の「coal」と「charcoal」を意味する「carbo」に由来しており、 [107]そこからフランス語の「charbon」も「木炭」を意味するようになった。ドイツ語、オランダ語、デンマーク語では、carbonはそれぞれ「Kohlenstoff」、「koolstof 」 、「kulstof」と呼ばれ、いずれも文字通り石炭物質を意味する。
炭素は先史時代に発見され、人類最古の文明では煤や木炭の形で知られていました。ダイヤモンドは中国では紀元前2500年頃には知られていましたが、木炭の形の炭素は今日と同じ化学反応で作られ、空気を遮断するために粘土で覆われたピラミッドの中で木材を加熱することで作られました。[108] [109]
1722年、ルネ・アントワーヌ・フェルショー・ド・レオミュールは、現在では炭素として知られている物質の吸収によって鉄が鋼に変わることを実証した。[110] 1772年、アントワーヌ・ラボアジエは、木炭とダイヤモンドのサンプルを燃やしたところ、どちらも水は生成せず、1グラムあたり同じ量の二酸化炭素を放出することを発見し、ダイヤモンドが炭素の一形態であることを示した。1779年、[111] カール・ヴィルヘルム・シェーレは、鉛の一形態であると考えられていたグラファイトは、鉄が少し混ざっている以外は木炭と同一であり、硝酸で酸化すると「空気酸」（彼が二酸化炭素に付けた名前）になることを示した。[112] 1786年、フランスの科学者クロード・ルイ・ベルトレ、ガスパール・モンジュ、CA・ヴァンデルモンドは、ラボアジエがダイヤモンドで行ったのとほぼ同じ方法で酸素で酸化することにより、グラファイトが主に炭素であることを確認した。[113]鉄は再び残ったが、フランスの科学者たちはそれがグラファイトの構造に必要だと考えた。彼らは論文の中で、グラファイトを燃焼させたときにガスとして放出されるグラファイト中の元素を、カーボン（ラテン語のcarbonum）と名付けることを提案した。その後、アントワーヌ・ラヴォアジエは1789年の教科書に炭素を元素として記載した。[112]
1985年に発見された炭素の新しい同素体であるフラーレン[114]には、バッキーボールやナノチューブなどのナノ構造の形態が含まれます。[31]これらの発見者であるロバート・カール、ハロルド・クロトー、リチャード・スモーリーは、1996年にノーベル化学賞を 受賞しました。[115]その結果、新しい形態への新たな関心が高まり、ガラス状炭素などのさらに珍しい同素体の発見や、「非晶質炭素」が厳密には非晶質ではないという認識につながりました。[38]
生産
黒鉛
商業的に採算の取れる天然のグラファイト鉱床は世界各地にあるが、経済的に最も重要な産地は中国、インド、ブラジル、北朝鮮である。[116]グラファイト鉱床は変成岩起源で、片岩、片麻岩、変成砂岩、石灰岩中の石英、雲母、長石とともにレンズ状または鉱脈として発見され、厚さは1メートル以上になることもある。イギリス、カンバーランド州ボローデールのグラファイト鉱床は当初十分な大きさと純度があったため、19世紀までは鉛筆を作るのに天然グラファイトの塊を鋸で細長く切り、木で包んでいた。今日では、より小さなグラファイトの鉱床は母岩を粉砕し、より軽いグラファイトを水に浮かべることで得られる。[117]
天然グラファイトには、非晶質、薄片または結晶片、鉱脈または塊の 3 種類があります。非晶質グラファイトは品質が最も低く、最も豊富に存在します。科学とは反対に、業界では「非晶質」は結晶構造がまったくないことではなく、結晶サイズが非常に小さいことを指します。非晶質は価値の低いグラファイト製品に使用され、最も安価なグラファイトです。大規模な非晶質グラファイトの鉱床は、中国、ヨーロッパ、メキシコ、米国で見つかります。薄片グラファイトは非晶質よりも一般的ではありませんが、品質は高く、変成岩で結晶化した個別の板として発生します。薄片グラファイトの価格は、非晶質の 4 倍になることがあります。良質の薄片は、難燃剤など、さまざまな用途に使用できる膨張性グラファイトに加工できます。主要な鉱床は、オーストリア、ブラジル、カナダ、中国、ドイツ、マダガスカルで見つかります。鉱脈または塊グラファイトは、天然グラファイトの中で最も希少で、最も価値が高く、最高品質のタイプです。固い塊状の貫入部に沿った鉱脈に産出され、スリランカでのみ商業的に採掘されている。[117]
USGSによると、2010年の世界の天然黒鉛生産量は110万トンで、うち中国が80万トン、インドが13万トン、ブラジルが7万6000トン、北朝鮮が3万トン、カナダが2万5000トンだった。米国では天然黒鉛の採掘は報告されていないが、2009年には推定9億9800万ドル相当の合成黒鉛11万8000トンが生産された。[117]
ダイヤモンド
ダイヤモンドのサプライチェーンは、限られた数の強力な企業によって管理されており、世界中の少数の場所に高度に集中しています（図を参照）。
ダイヤモンド鉱石のうち、実際のダイヤモンドはごくわずかです。鉱石は粉砕されますが、その過程で大きなダイヤモンドが破壊されないように注意する必要があります。その後、粒子は密度によって選別されます。今日では、ダイヤモンドは蛍光X線を使用してダイヤモンドの密度が高い部分に配置され、その後、最終的な選別手順は手作業で行われます。X線の使用が一般的になる前は、選別はグリースベルトで行われていました。ダイヤモンドは鉱石内の他の鉱物よりもグリースに付着する傾向が強いためです。[118]
歴史的に、ダイヤモンドは南インドの沖積鉱床でのみ発見されることが知られていました。[119]インドは、紀元前9世紀頃にダイヤモンドが発見されてから[120]、18世紀半ばまで世界のダイヤモンド生産をリードしていましたが、これらの資源の商業的可能性は18世紀後半までに枯渇し、その時点でインドはブラジルに追い抜かれました。ブラジルでは、1725年にインド以外で最初のダイヤモンドが発見されました。[121]
ダイヤモンドの一次鉱床（キンバーライトとランプロイト）の生産は、南アフリカでダイヤモンド鉱床が発見された後の1870年代に始まったばかりです。生産量は時間とともに増加し、その日以来、累計45億カラット以上が採掘されています。[122]商業的に採算の取れるダイヤモンド鉱床のほとんどは、ロシア、ボツワナ、オーストラリア、コンゴ民主共和国にあります。[123] 2005年までに、ロシアは世界のダイヤモンド生産量のほぼ5分の1を生産しました（ほとんどがヤクート領土、たとえばミールパイプとウダチナヤパイプ）が、オーストラリアのアーガイル鉱山が単一の最大の産地となり、2018年には1400万カラットを生産しました。[124] [125]新たに発見されたカナダのディアヴィクとエカティの鉱山は、宝石品質の石を生産するため、さらに価値が高くなることが期待されています。[126]
アメリカでは、アーカンソー州、コロラド州、モンタナ州でダイヤモンドが発見されています。[127] 2004年にアメリカで驚くべき微小ダイヤモンドの発見があり[128]、 2008年1月にモンタナ州の遠隔地でキンバーライトパイプの大量サンプル採取が行われました。 [129]
アプリケーション
炭素は既知のすべての生命システムに不可欠であり、炭素がなければ私たちが知っている生命は存在し得ません（代替生化学を参照）。食料と木材以外での炭素の主な経済的用途は炭化水素、最も有名なのは化石燃料のメタンガスと原油（石油）の形態です。原油は石油化学産業の製油所で蒸留され、ガソリン、灯油、その他の製品を生産します。セルロースは、木材、綿、リネン、麻の形で植物によって生産される天然の炭素含有ポリマーです。セルロースは主に植物の構造を維持するために使用されます。商業的に価値のある動物由来の炭素ポリマーには、ウール、カシミア、シルクなどがあります。プラスチックは合成炭素ポリマーから作られ、多くの場合、主要なポリマー鎖に一定の間隔で酸素原子と窒素原子が含まれています。これらの合成物質の多くの原料は原油から得られます。
炭素とその化合物の用途は極めて多様です。炭素は鉄と合金を形成することができ、最も一般的なものは炭素鋼です。グラファイトは粘土と混合して、筆記や描画に使用する鉛筆の「鉛」を形成します。また、潤滑剤や顔料、ガラス製造の成形材料、乾電池の電極、電気メッキや電気鋳造、電動モーターのブラシ、原子炉の中性子減速材としても使用されます。
木炭は、美術作品、バーベキューグリル、鉄の精錬など、さまざまな用途で描画材料として使用されます。木材、石炭、石油は、エネルギー生産や暖房用の燃料として使用されます。宝石品質のダイヤモンドはジュエリーに使用され、工業用ダイヤモンドは金属や石を加工するための穴あけ、切断、研磨ツールに使用されます。プラスチックは化石炭化水素から作られ、合成ポリエステル繊維の熱分解によって作られた炭素繊維は、プラスチックを強化して高度な軽量複合材料を形成するために使用されます。
炭素繊維は、ポリアクリロニトリル（PAN）と他の有機物質の押し出しおよび伸張されたフィラメントの熱分解によって作られます。繊維の結晶構造と機械的特性は、出発物質の種類とその後の加工によって異なります。PANから作られた炭素繊維は、グラファイトの細いフィラメントに似た構造をしていますが、熱処理により構造が再編成され、連続したロールシートになります。その結果、鋼鉄よりも高い比引張強度を持つ繊維が生まれます。[130]
カーボン ブラックは、印刷インク、油絵の具、水彩絵の具、カーボン紙、自動車用仕上げ剤、墨汁、レーザー プリンターのトナーなどの黒色顔料として使用されます。また、タイヤなどのゴム製品やプラスチック化合物の充填剤としても使用されます。活性炭は、ガスマスク、浄水器、キッチンの換気フードなどのさまざまな用途のフィルター材料の吸収剤および吸着剤として、また消化器系からの毒素、毒物、ガスを吸収する医療分野で使用されます。炭素は、高温での化学還元に使用されます。コークスは、鉄鉱石を鉄に還元するために使用されます (製錬)。鋼の表面硬化は、完成した鋼部品を炭素粉末で加熱することで実現されます。シリコン、タングステン、ホウ素、チタンの炭化物は、最も硬い既知の材料であり、切断ツールや研削ツールの研磨剤として使用されます。炭素化合物は、天然繊維や合成繊維、皮革など衣料品に使用される材料のほとんど、またガラス、石、乾式壁、金属以外の建築環境のほぼすべての内部表面を構成しています。
ダイヤモンド
ダイヤモンド業界は、宝石グレードのダイヤモンドを扱う業界と、工業グレードのダイヤモンドを扱う業界の 2 つのカテゴリに分かれています。両方のタイプのダイヤモンドの大規模な取引が行われていますが、2 つの市場の機能は大きく異なります。
金やプラチナなどの貴金属とは異なり、宝石ダイヤモンドは商品として取引されません。ダイヤモンドの販売には相当な値上げがあり、ダイヤモンドの再販市場はあまり活発ではありません。
工業用ダイヤモンドは主に硬度と熱伝導性で評価されており、透明度や色といった宝石学上の品質はほとんど無関係である。採掘されたダイヤモンドの約80%（年間約1億カラット、20トンに相当）は宝石としての使用には適さず、工業用途（ボートと呼ばれる）に回されている。[131] 1950年代に発明された 合成ダイヤモンドは、ほぼ即座に工業用途に使用され、年間30億カラット（600 トン）の合成ダイヤモンドが生産されている。[132]
ダイヤモンドの主な工業用途は、切削、穴あけ、研削、研磨である。これらの用途のほとんどでは、大きなダイヤモンドは必要ない。実際、サイズが小さいことを除けば、宝石品質のダイヤモンドのほとんどは工業的に使用できる。ダイヤモンドはドリルの先端や鋸の刃に埋め込まれたり、粉末に粉砕されて研削や研磨の用途に用いられる。[133]特殊な用途としては、高圧実験用の封じ込め容器としての研究室での使用（ダイヤモンドアンビルセルを参照）、高性能ベアリング、特殊な窓での限定的な使用などがある。[134] [135]合成ダイヤモンドの製造が継続的に進歩するにつれて、新しい用途が実現可能になりつつある。ダイヤモンドをマイクロチップに適した半導体として、またその並外れた熱伝導特性から電子機器のヒートシンクとして使用できる可能性が大いに期待されている。[136]
予防
純粋な炭素は人体に対する毒性が極めて低く、グラファイトや木炭の形で安全に取り扱うことができる。消化管の酸性の内容物中でも溶解や化学的な攻撃を受けない。そのため、いったん体組織に入ると、そこに永久に留まる可能性が高い。カーボンブラックはおそらくタトゥーに使用された最初の顔料の1つであり、アイスマンのエッツィは生きている間、そして死後5200年間も残っていた炭素のタトゥーを入れていたことが発見されている。[137]石炭の粉塵や煤（カーボンブラック）を大量に吸入すると危険であり、肺組織を刺激して鬱血性肺疾患である炭鉱労働者塵肺症を引き起こす。研磨剤として使用されるダイヤモンドの粉塵は、摂取または吸入すると有害である可能性がある。ディーゼルエンジンの排気ガスでは炭素の微粒子が生成され、肺に蓄積する可能性がある。[138]これらの例では、炭素自体ではなく、汚染物質（有機化学物質、重金属など）によって危害が生じる可能性がある。
炭素は地球上の生命に対して一般的に毒性が低いが、炭素ナノ粒子はショウジョウバエにとって致命的である。[139]
炭素は高温の空気中では激しく燃えることがある。酸素がない状態で何億年も不活性のままだった大量の石炭は、炭鉱の廃棄物置き場、船の貨物倉や石炭貯蔵庫、 [140] [141]や貯蔵庫 で空気にさらされると自然発火することがある。
グラファイトを中性子減速材として使用する原子力用途では、ウィグナーエネルギーが蓄積された後に突然の自然放出が起こることがあります。少なくとも 250 °C で焼鈍すると安全にエネルギーを放出できますが、ウィンズケール火災では手順がうまくいかず、他の原子炉材料が燃焼しました。
炭素化合物にはさまざまな種類があり、その中にはテトロドトキシン、ヒマシ科の植物トウゴマの種子に含まれるレクチンであるリシン 、シアン化物（ CN −）、一酸化炭素などの致死性の毒物や、ブドウ糖やタンパク質などの生命維持に不可欠な物質が含まれます。
参照
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