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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。非金属元素で、4 価です。つまり、原子は価電子殻に 4 個の電子を持つため、最大 4 つの共有結合を形成できます。周期表の 14 族に属します。[ 14 ]炭素は地殻の約 0.025 パーセントを占めています。[ 15 ] 3 つの同位体が自然界に存在し、12 Cと13 C は安定同位体ですが、14 Cは放射性核種で、半減期は5,700年です。[ 13 ]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 ]
炭素は地殻で15番目に豊富な元素であり、質量では水素、ヘリウム、酸素に次いで宇宙で4番目に豊富な元素です。[ 17 ]炭素の豊富さ、有機化合物の独特な多様性、地球上で一般的に見られる温度でポリマーを形成するという特異な能力により、既知のすべての生命の共通元素として機能します。炭素は酸素に次いで人体で2番目に豊富な元素です（質量比約18.5%）。[ 18 ]
炭素原子はさまざまな方法で結合することができ、その結果、さまざまな炭素同素体が生じます。[ 19 ]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、非晶質炭素、フラーレンなどがあります。炭素の物理的性質は、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、ダイヤモンドは非常に透明です。グラファイトは紙に筋を形成できるほど柔らかい（そのため、ギリシャ語の動詞「γράφειν」（書く）に由来する名前が付けられました）のに対し、ダイヤモンドは既知の天然物質の中で最も硬いものです。グラファイトは電気伝導性に優れていますが、ダイヤモンドは電気伝導率が低いです。通常の条件下では、ダイヤモンド、カーボンナノチューブ、グラフェンは、既知のすべて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条件下で固体であり、グラファイトは標準温度と圧力で最も熱力学的に安定な形態です。これらは化学的に耐性があり、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であり、+2は一酸化炭素や遷移金属カルボニル錯体に見られる。無機炭素の最大の供給源は石灰岩、ドロマイト、二酸化炭素であるが、石炭、泥炭、石油、メタンクラスレートなどの有機堆積物にもかなりの量が存在する。炭素は膨大な数の化合物を形成し、約2億の化合物が記述され索引付けされている[ 20 ]が、それでも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ない。
固体状態の炭素には、柔らかく黒く滑りやすい物質であるグラファイトや、天然に存在する物質の中で最も硬いダイヤモンドなど、いくつかの同素体が存在します。このような物理的性質の違いは、原子配列の違いに起因します。グラファイトは六角形に配列した炭素原子の層から構成されているのに対し、ダイヤモンドは剛性の高い三次元格子構造をしています。[ 22 ]
化学的には、炭素は多くの元素、特に他の炭素原子と安定した化学結合を形成する能力で注目に値し、適切な多価原子と複数の安定した共有結合を形成できます。炭素は、ほとんどすべての化学化合物の構成元素であり、発表された化学文献には約2億の例が記載されています。[ 20 ]また、炭素はすべての元素の中で最も高い昇華点を持っています。大気圧下では、三重点が10.8 ± 0.2メガパスカル（106.6 ± 2.0 atm、1,566 ± 29 psi）および4,600 ± 300 K（4,330 ± 300 °C、7,820 ± 540 °F）にあるため融点はありません。[ 5 ] [ 6 ]そのため、約3,900 K（3,630 °C、6,560 °F）で昇華します。[ 23 ] [ 24 ]
よく知られている固体同素体と比較すると、炭素の液体相と気体相は研究がはるかに少ない。気相では、炭素の一部は反応性の高い二原子炭素（二炭素とも呼ばれ、化学式はC 2）の形で存在する。励起されると、このガスは緑色に光る。[ 25 ] [ 26 ]炭素の液体相は、暗色で流動性があり、反射性のある液体で、 4,000 K（3,730 °C、6,740 °F）以上、100気圧を超える圧力下でのみ存在できる。[ 27 ]
炭素は第 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 4 つの外殻電子は価電子です。その最初の 4 つのイオン化エネルギーは、1086.5、2352.6、4620.5、6222.7 kJ/mol であり、より重い第 14 族元素のイオン化エネルギーよりもはるかに高いです。炭素の電気陰性度は 2.5 であり、より重い第 14 族元素 (1.8～1.9) よりかなり高いですが、近くのほとんどの非金属や、第 2 周期および第 3 周期の遷移金属の一部に近い値です。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) とされていますが、これらは配位数や炭素が何に結合しているかによって変化する可能性があります。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減少する。[ 28 ]
グラファイトは、熱力学的に安定しているにもかかわらず、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。これは、グラファイトの非局在化π系が攻撃に対してはるかに脆弱であるためである。[ 29 ]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メリト酸C6 (CO2H ) 6に酸化されるが、これはグラファイトの六角形単位を保持しつつ、より大きな構造を破壊する。[ 30 ]
炭素をベースとした化合物は、地球上の既知のすべての生命の基礎を形成し、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ごく一部と、より大きな恒星 (例えばシリウス) のエネルギーの大部分を提供します。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低いです。標準温度と圧力では、最も強力な酸化剤を除いて、すべてに抵抗します。硫酸、塩酸、塩素、またはアルカリとは反応しません。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ています。[ 31 ]
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水蒸気と反応します。[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]
炭素は高温で一部の金属と結合して金属炭化物を形成します。例えば、鋼鉄中の炭化鉄セメンタイトや、研磨剤として広く使用され、切削工具の硬い先端を作るために使用される炭化タングステンなどがあります。[ 35 ] [ 36 ]
原子状炭素は非常に寿命が短いため、炭素は同素体と呼ばれる多様な分子配置を持つさまざまな多原子構造で安定化されます。炭素の比較的よく知られた3つの同素体は、非晶質炭素、グラファイト、ダイヤモンドです。かつては珍しいと考えられていたフラーレンは、現在では研究で一般的に合成され使用されています。これには、バッキーボール[ 37 ] [ 38 ] 、カーボンナノチューブ[ 39 ] 、カーボンナノバッド[ 40 ]、ナノファイバー[ 41 ] [ 42 ]が含まれます。ロンズデーライト[ 43 ] 、ガラス状炭素[ 44 ] 、カーボンナノフォーム[ 45 ]、線状アセチレン炭素（カルビン）[ 46 ]など、他のいくつかの珍しい同素体も発見されています。
炭素同素体の体系は、極端な範囲に及ぶ。
グラフェンは、原子が六角形の格子状に配列された二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い材料であると考えられています。[ 52 ]グラファイトから分離するプロセスは、工業プロセスで経済的に利用できるようになるまで、さらなる技術開発が必要です。[ 53 ]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る可能性があります。また、自動車の水素エンジンで使用する水素を安全に貯蔵するためにも使用できます。[ 54 ]
非晶質形態は、結晶マクロ構造に保持されていない、非結晶性で不規則なガラス状の状態の炭素原子の集合体です。粉末状で存在し、木炭、煤、活性炭などの物質の主成分です。常圧では、炭素はグラファイトの形をとります。グラファイトでは、各原子が芳香族炭化水素と同様に、融合した六角形の環で構成される平面内で他の3つの原子と三角結合しています。[ 55 ]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、弱いファンデルワールス力によって緩く結合して積み重ねられています。これがグラファイトの柔らかさと劈開性（シートが互いに容易に滑り合う）をもたらします。各原子の外殻電子の1つが非局在化してπ雲を形成するため、グラファイトは電気を伝導しますが、各共有結合シートの平面内でのみ伝導します。このため、炭素の体積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、室温におけるグラファイトのダイヤモンドに対するエネルギー的安定性も説明している。[ 56 ]
非常に高い圧力下では、炭素はグラファイトのほぼ2倍の密度を持つ、よりコンパクトな同素体であるダイヤモンドを形成します。ここでは、各原子は他の4つの原子と四面体状に結合し、波打った6員環の原子の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を持ち、炭素-炭素結合の強さから、引っ掻き抵抗で測定すると、天然に存在する物質の中で最も硬い物質です。一般的に「ダイヤモンドは永遠」と信じられているのとは反対に、ダイヤモンドは通常の条件下（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 [ 57 ] ）であり、理論的にはグラファイトに変化するはずです。[ 58 ]しかし、活性化エネルギー障壁が高いため、グラファイトへの変化は常温では非常に遅く、気づかないほどです。しかし、非常に高温ではダイヤモンドはグラファイトに変化し、ダイヤモンドは家事で燃え尽きることがあります。炭素の相図の左下隅は実験的に精査されていません。密度汎関数理論法を用いた計算研究では、 T → 0 Kおよびp → 0 Paの場合、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ましたが、 [ 59 ]より最近の決定的な実験および計算研究では、印加圧力なしでT < 400 Kの場合、グラファイトはダイヤモンドよりも安定であり、T = 0 K で 2.7 kJ/mol 、 T = 298.15 Kで3.2 kJ/mol安定であることが示されています。 [ 60 ]いくつかの条件下では、炭素はロンズデーライトとして結晶化します。ロンズデーライトは、すべての原子が共有結合した六方晶系の結晶格子であり、特性はダイヤモンドと似ています。[ 43 ]
フラーレンは、グラファイトに似た構造を持つ合成結晶構造ですが、平面六角形のセルだけでなく、フラーレンを構成するセルの一部は、五角形、非平面六角形、あるいは炭素原子の七角形になることもあります。そのため、シートは球形、楕円形、または円筒形に歪みます。フラーレン（バッキーボール、バッキーチューブ、ナノバッドに分類される）の特性はまだ完全には分析されておらず、ナノ材料の研究の重要な分野となっています。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から構成されるかなり大きな分子で、球状体を形成します（最もよく知られていて単純なものは、サッカーボール型のC60バックミンスターフラーレンです）。[ 37 ]カーボンナノチューブ（バッキーチューブ）は、構造的にはバッキーボールに似ていますが、各原子が中空の円筒を形成する湾曲したシート内で三角に結合している点が異なります。[ 38 ] [ 39 ]ナノバッドは2007年に初めて報告され、バッキーチューブとバッキーボールのハイブリッド材料（バッキーボールがナノチューブの外壁に共有結合している）であり、両方の特性を単一の構造に組み合わせています。[ 40 ]
発見された他の同素体のうち、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す。これは、炭素原子が緩い三次元ウェブ状に連なった低密度のクラスター集合体で構成されており、原子は6員環と7員環で三角結合しています。これは既知の固体の中で最も軽いものの1つで、密度は約2 kg/m 3です。[ 61 ]同様に、ガラス状炭素は高い割合で閉孔性を含んでいますが、[ 44 ]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になっています。線状アセチレン炭素[ 46 ]は化学構造[ 46 ] −(C≡C) n−を持っています 。この変形の炭素はsp軌道混成を持つ線状で、単結合と三重結合が交互に並んだポリマーです。このカルビンは、そのヤング率が既知の最も硬い物質であるダイヤモンドの40倍であるため、ナノテクノロジーにとって非常に興味深いものです。[ 62 ]
2015年、ノースカロライナ州立大学の研究チームは、高エネルギー・短時間のレーザーパルスを非晶質炭素粉末に照射することで生成されたQ-カーボンと呼ばれる別の同素体の開発を発表した。Q-カーボンは強磁性、蛍光、ダイヤモンドよりも高い硬度を示すと報告されている。[ 63 ]
炭素の同位体は、6 個の陽子と数個の中性子(2 ～ 16 個)を含む原子核です。炭素には、安定な天然同位体が 2 つあります。 [ 64 ]炭素12 ( 12 C) は地球上の炭素の 98.93% を占め、炭素 13 ( 13 C) は残りの 1.07% を占めます。[ 64 ]生化学反応が13 Cを排除するため、生物材料では12 Cの濃度がさらに高くなります。[ 65 ] 1961 年、国際純正・応用化学連合(IUPAC) は、原子量の基準として炭素 12 を同位体として採用しました。[ 66 ]核磁気共鳴(NMR) 実験における炭素の識別は、同位体13 Cを使用して行われます。 [ 67 ]
炭素14（¹⁴C ）は、窒素と宇宙線と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。 [ 68 ]地球上には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存在します。[ 69 ]この同位体は0.158 MeVのβ⁻崩壊を起こします。半減期が比較的短いため、 5700 ± 30 年、[ 13 ] 14 C は古代の岩石にはほとんど存在しません。大気中および生物中の14 Cの量はほぼ一定ですが、死後、体内で予測どおりに減少します。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、炭素質物質の年代を約 40,000年まで決定するために広く使用されています。[ 70 ] [ 71 ]
炭素には15種類の同位体が知られており、その中で最も寿命が短いのは8Cで、陽子放出によって崩壊し、半減期は3.5 × 10⁻²¹秒である。[ 13 ]特異な19Cは核ハローを示し、これは原子核が一定密度の球体であると仮定した場合に予想されるよりも半径がかなり大きいことを意味する。[ 72 ]
炭素は、観測可能な宇宙において、質量で水素、ヘリウム、酸素に次いで4番目に豊富な化学元素です。炭素は太陽、恒星、彗星、そしてほとんどの惑星の大気に豊富に存在します。[ 73 ]一部の隕石には、太陽系がまだ原始惑星系円盤であ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ます。[ 74 ]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場合もあります。[ 75 ]
2014年、NASAは宇宙における多環芳香族炭化水素（PAH）の追跡のための大幅にアップグレードされたデータベースを発表しました。宇宙の炭素の20%以上は、酸素を含まない炭素と水素の複雑な化合物であるPAHと関連している可能性があります。 [ 76 ]これらの化合物は、生命の起源と形成に役割を果たしていると仮定されているPAHワールド仮説に登場します。PAHはビッグバンから「数十億年後」に形成されたようで、宇宙全体に広く分布しており、新しい星や系外惑星と関連付けられています。[ 73 ]
地球全体には730 ppmの炭素が含まれており、核には2000 ppm、マントルと地殻を合わせたものには120 ppm含まれていると推定されている。[ 77 ]地球の質量は5.972 × 10 24 kgは、43億6000万ギガトンの炭素に相当します。これは、海洋や大気中の炭素量（下記参照）をはるかに上回ります。
二酸化炭素中の酸素と結合した炭素は、地球の大気中（約900 ギガトンの炭素、1ppmは2.13 ギガトンに相当）とすべての水域（約36,000 ギガトンの炭素）に存在します。生物圏の炭素量は550ギガトンと推定されていますが、陸上深層細菌 の量に大きな不確実性があるため、大きな不確実性を伴います。[ 78 ]炭化水素（石炭、石油、天然ガスなど）にも炭素が含まれています。石炭の「埋蔵量」（「資源」ではなく）は約900ギガトンで、資源量は約18,000ギガトンです。[ 79 ]石油の埋蔵量は約150ギガトンです。天然ガスの確認埋蔵量は約 175 × 10 12 立方メートル（約 105 ギガトンの炭素を含む）だが、研究では別の推定値も出ている。 シェールガスなどの「非在来型」鉱床は900 × 10¹²立方メートルで、炭素換算で約540ギガトンに相当する。[ 80 ]
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。 [ 81 ]この炭素の量は、500、2500、[ 82 ]または 3,000 Gt の間であると推定されています。[ 83 ]
ある情報源によると、1751年から2008年までの期間に、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。[ 84 ]別の情報源では、1750年以降の期間に大気中に追加された量は879ギガトン、大気、海、陸地（泥炭地など）に流れた総量は約2,000ギガトンとしている。[ 85 ]
炭素は、非常に大きな炭酸塩岩（石灰岩、ドロマイト、大理石など）の構成要素（質量比で約12％）です。石炭は炭素を非常に豊富に含み（無煙炭は92～98％）[ 86 ]、鉱物炭素の最大の商業的供給源であり、4,000ギガトン、つまり化石燃料 の80％を占めています。[ 87 ]
個々の炭素同素体に関しては、グラファイトは中国、ロシア、メキシコ、カナダ、インドで大量に産出されます。[ 88 ]天然ダイヤモンドは、古代の火山の「ネック」または「パイプ」で見つかるキンバーライト岩石中に産出します。ダイヤモンド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、アンゴラにあります。ダイヤモンド鉱床は、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および西部でも発見されています。[ 89 ]ダイヤモンドは天然に産出されますが、現在米国で使用されている工業用ダイヤモンドの約90%は人工的に製造されています。[ 90 ]
炭素14は、対流圏と成層圏の上層部、高度9～15km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る。[ 91 ]熱中性子が生成され、窒素14の原子核と衝突して炭素14と陽子を形成する。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。 [ 92 ]
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。 [ 93 ]これらの小惑星は、科学者によって直接サンプル採取されたことはまだありません。これらの小惑星は、将来的に可能になるかもしれないが、現在のところ技術的に不可能な、仮想的な宇宙ベースの炭素採掘に利用できます。 [ 94 ]
炭素原子核の形成は、巨星または超巨星内部で三重アルファ過程によって起こる。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必要がある。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、どちらも非常に不安定で、ほぼ瞬時に小さな原子核に崩壊する。[ 95 ]三重アルファ過程は、100メガケルビンを超える温度とヘリウム濃度の条件下で起こるが、これは初期宇宙の急速な膨張と冷却では不可能であったため、ビッグバン中に炭素はほとんど生成されなかった。[ 96 ]
現在の物理宇宙論によれば、炭素は水平分枝上の恒星の内部で形成される。[ 97 ]大質量星が超新星爆発を起こして死ぬと、炭素は塵として宇宙に散らばる。この塵は、惑星が集積した次世代の恒星系を形成するための構成要素となる。[ 73 ] [ 98 ]太陽系は、私たちが知っているような生命の存在を可能にする炭素が豊富な恒星系の1つである。太陽系と天の川銀河にある炭素はすべて死にゆく恒星から来ているというのが、ほとんどの学者の見解である。[ 99 ] [ 100 ] [ 101 ]
CNOサイクルは、恒星のエネルギー源となる水素核融合のメカニズムの一つであり、炭素が触媒として作用する。[ 102 ]
一酸化炭素のさまざまな同位体（例えば、12 CO、13 CO、および18 CO）の回転遷移はサブミリ波長域で検出可能であり、分子雲で新たに形成される星の研究に利用されている。[ 103 ]
地球上では、ある元素が別の元素に変換されることは非常にまれです。したがって、地球上の炭素の量は実質的に一定です。そのため、炭素を利用するプロセスは、どこかから炭素を入手し、別の場所に処分する必要があります。環境中の炭素の経路は炭素循環を形成します。[ 104 ]例えば、光合成植物は、カルビン回路のように、大気（または海水）から二酸化炭素を取り込み、炭素固定のプロセスとしてバイオマスを構築します。[ 105 ]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ます。炭素循環は、この短いループよりもはるかに複雑です。例えば、一部の二酸化炭素は海洋に溶け込みます。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、燃焼時に炭素を放出します。[ 106 ] [ 107 ]
炭素は、相互に連結した炭素-炭素結合の非常に長い鎖を形成することができ、この性質はカテネーションと呼ばれます。炭素-炭素結合は強く安定しています。カテネーションによって、炭素は無数の化合物を形成します。固有の化合物の数を数えると、炭素を含まない化合物よりも炭素を含む化合物の方が多いことがわかります。[ 108 ]
有機分子の最も単純な形態は炭化水素であり、炭素原子の鎖に水素原子が結合した有機分子の大きなファミリーです。炭化水素の骨格は、ヘテロ原子と呼ばれる他の原子で置換することができます。有機化合物によく見られるヘテロ原子には、酸素、窒素、硫黄、リン、非放射性ハロゲン、金属のリチウムとマグネシウムなどがあります。金属と結合した有機化合物は、有機金属化合物として知られています（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が、多数の有機化合物に繰り返し現れます。官能基として知られるこれらの集合は、共通の反応性パターンをもたらし、有機化合物の体系的な研究と分類を可能にします。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ます。[ 109 ]
ほとんどの安定な炭素化合物（およびほぼすべての安定な有機化合物）では、炭素はオクテット則に従い、 4価である。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もある）を形成する。例外としては、少数の安定化されたカルボカチオン（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）、カルベン（2つの結合、中性）などがあるが、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がはるかに高い。[ 67 ]
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る。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原料、化石燃料として産業にとって重要な様々な炭化水素を形成する。[ 67 ]
炭素は酸素や水素と結合すると、糖類、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群を形成できます。窒素と結合するとアルカロイドを形成し、硫黄を加えると抗生物質、アミノ酸、ゴム製品も形成します。これらの他の元素にリンを加えると、生命の化学コードキャリアであるDNAとRNA 、そして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）を形成します。 [ 110 ]マリナーとバイキングの火星探査ミッション（1965～1976年）の責任者であるノーマン・ホロウィッツは、炭素の特異な特性から、たとえ他の惑星であっても、生命に必要な生化学反応を生み出すために炭素に取って代わる他の元素はあり得ないと考えていました。[ 111 ]
一般的に、鉱物と関連している、あるいは他の炭素原子、ハロゲン、または水素との結合を持た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含まれます。最も代表的な酸化物は二酸化炭素（CO₂ ）です。これはかつて古大気の主要成分でしたが、今日では地球の大気の微量成分となっています。[ 112 ]水に溶解すると炭酸（H₂）を形成します。2 CO3）ですが、1つ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す。 [ 113 ]しかし、この中間体を通して、共鳴安定化された炭酸イオンが生成されます。重要な鉱物には炭酸塩があり、特に方解石が。二硫化炭素（CS2 )も同様である。 [ 30 ]
もう一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、無色無臭の気体です。分子はそれぞれ三重結合を含み、極性が高いため、ヘモグロビン分子に永久的に結合し、結合親和性の低い酸素を置換する傾向があります。[ 114 ] [ 115 ]シアン化物（CN⁻ ）は同様の構造を持ちますが、ハロゲン化物イオン（擬ハロゲン）とよく似た挙動を示します。例えば、二原子ハロゲン化物と同様に、窒化シアン分子（(CN) ₂）を形成することができます。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⁻ ）も無機物とみなされますが、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としては、亜酸化炭素（C3 O2 )、 [ 116 ]不安定な一酸化二炭素(C2O)、 [ 117 ] [ 118 ]三酸化炭素(CO3)、 [ 119 ] [ 120 ]シクロペンタンペントン(C5O5)、 [ 121 ]シクロヘキサンヘキソン(C6O6)、 [ 121 ]およびメリト酸無水物(C12O9)。ただし、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ます。そのため、多くの化学者はこれを有機物とみなしています。 [ 122 ]
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（C 2− 2）を形成し、高融点の合金を形成します。これらの陰イオンは、非常に弱い酸であるメタンとアセチレンにも関連しています。電気陰性度が2.5である炭素は、共有結合を形成することを好みます。 [ 123 ]いくつかの炭化物は、ダイヤモンドに似た炭化ケイ素（SiC）のように共有結合格子です。しかし、最も極性が高く塩のような炭化物でさえ、完全にイオン化合物ではありません。[ 124 ]
有機金属化合物は、定義上、少なくとも１つの炭素-金属共有結合を含みます。このような化合物は多岐にわたり、主な分類としては、単純なアルキル金属化合物（例えば、テトラエチル鉛）、η 2 -アルケン化合物（例えば、ツァイゼ塩）、η 3 -アリル化合物（例えば、アリルパラジウム塩化物二量体）、シクロペンタジエニル配位子を含むメタロセン（例えば、フェロセン）、遷移金属カルベン錯体などがあります。多くの金属カルボニルや金属シアン化物（例えば、テトラカルボニルニッケルやフェリシアン化カリウム）が存在し、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研究者もいます。しかし、ほとんどの有機金属化学者は、炭素配位子を持つ金属錯体（たとえ「無機炭素」（例えば、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）であっても）は有機金属であると考えています。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（例えば、金属カルボン酸塩）は、金属有機化合物と呼ばれる。[ 125 ]
炭素は4つの共有結合の形成を強く好むことが知られているが、他の特異な結合様式も知られている。カルボランは、1つのBHがCH +に置き換えられた[B 12 H 12 ] 2-ユニットの非常に安定な十二面体誘導体である。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。カチオン[(Ph 3 PAu) 6 C] 2+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を含む。この現象は、金配位子の金親和性によるものであり、そうでなければ不安定な種をさらに安定化させる。[ 126 ]自然界では、微生物の窒素固定に関与する鉄-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))を持つ。 2016年に、以前の理論的予測と一致して、ヘキサメチルベンゼン二価カチオンは6つの結合を持つ炭素原子を含むことが確認されました。より具体的には、この二価カチオンは構造的に[MeC(η 5 -C 5 Me 5 )] 2+という式で記述でき、 MeC 3+フラグメントが環の5つの炭素すべてを介してη 5 -C 5 Me 5 −フラグメントに結合した「有機メタロセン」となります。 [ 127 ]
上記の場合、炭素への各結合には形式電子対が2つ未満しか含まれていません。したがって、これらの種の形式電子数はオクテットを超えません。これにより、これらは超配位になりますが、超原子価にはなりません。秋葉らが報告した、いわゆる10-C-5種（つまり、5つの配位子と形式電子数が10の炭素）の場合でさえ、電子構造計算では、炭素の周りの電子数は依然として8未満であり、4電子3中心結合を特徴とする他の化合物の場合と同様であると結論付けられています。[ 128 ]
英語のcarbonという名前は、石炭や木炭を意味するラテン語のcarboに由来し、そこからフランス語のcharbon (木炭を意味する) も来ています。[ 129 ]ドイツ語、オランダ語、デンマーク語では、炭素はそれぞれKohlenstoff、koolstof、kulstofと呼ばれ、いずれも文字通り石炭のような物質を意味します。[ 130 ] [ 131 ] [ 132 ] [ 133 ] [ 134 ] [ 135 ]
炭素は先史時代に発見され、最も初期の人類文明では煤や木炭の形で知られていました。ダイヤモンドは紀元前2500年頃には 中国で知られていたと考えられており、木炭の形の炭素は、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という、今日と同じ化学反応によって作られていました。[ 136 ] [ 137 ]
1722年、ルネ・アントワーヌ・フェルショー・ド・レオミュールは、鉄が何らかの物質（現在では炭素として知られている）の吸収によって鋼鉄に変化することを実証した。[ 138 ] 1772年、アントワーヌ・ラヴォアジエは、木炭とダイヤモンドのサンプルを燃焼させ、どちらも水を生成せず、どちらも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、[ 139 ]カール・ヴィルヘルム・シェーレは、鉛の一形態と考えられていた黒鉛が、実際には少量の鉄が混ざった木炭と同一であり、硝酸で酸化すると「空気酸」（二酸化炭素に対する彼の名前）を生成することを示した。[ 140 ] 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、ラヴォアジエがダイヤモンドで行ったのとほぼ同じ方法でグラファイトを酸素で酸化し、グラファイトが主に炭素であることを確認した。[ 141 ]また、鉄がいくらか残ったが、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に、カルボネ（ラテン語carbonum）という名前を提案した。その後、アントワーヌ・ラヴォアジエは1789年の教科書で炭素を元素として挙げた。[ 140 ]
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[ 142 ]には、バッキーボールやナノチューブなどのナノ構造形態が含まれる[ 37 ]。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た[ 143 ]。その結果、新しい形態への関心が再び高まり、ガラス状炭素を含むさらにエキゾチックな同素体の発見や、「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った[ 44 ]。
商業的に採算の取れる天然の黒鉛鉱床は世界の多くの地域に存在するが、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。[ 144 ]黒鉛鉱床は変成起源であり、片岩、片麻岩、変成砂岩、石灰岩中にレンズ状または脈状に石英、雲母、長石とともに存在し、厚さが1メートル以上になることもある。イングランド、カンバーランド州ボローデールの黒鉛鉱床は当初、十分な大きさで純度が高かったため、19世紀までは、天然黒鉛の塊を鋸で細長く切り、それを木で包んで鉛筆を作っていた。今日では、より小さな黒鉛鉱床は、母岩を粉砕し、より軽い黒鉛を水面に浮かべることで得られる。[ 145 ]
天然黒鉛には、非晶質、薄片状または結晶質薄片状、脈状または塊状の 3 種類があります。非晶質黒鉛は最も品質が低く、最も豊富に存在します。科学とは異なり、業界では「非晶質」とは結晶構造が完全に欠如しているという意味ではなく、非常に小さな結晶サイズを指します。非晶質は低価値の黒鉛製品に使用され、最も安価な黒鉛です。大規模な非晶質黒鉛鉱床は、中国、ヨーロッパ、メキシコ、米国で発見されています。薄片状黒鉛は非晶質よりも一般的ではなく、品質が高く、変成岩中で結晶化した個別の板状として存在します。薄片状黒鉛は非晶質の 4 倍の価格になることがあります。良質の薄片は、難燃剤など多くの用途に使用できる膨張黒鉛に加工できます。主な鉱床は、オーストリア、ブラジル、カナダ、中国、ドイツ、マダガスカルにあります。脈状または塊状黒鉛は、天然黒鉛の中で最も希少で、最も価値が高く、最高品質のタイプです。これは固い塊の中の貫入接触部に沿った脈に存在し、スリランカでのみ商業的に採掘されている。[ 145 ]
USGSによると、2010年の世界の天然黒鉛生産量は110 万トンで、そのうち中国が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トンを占めた。米国では天然黒鉛の採掘は報告されていないが、2009年には推定価値9億9800 万ドルの合成黒鉛が11万8000トン生産された。[ 145 ]
ダイヤモンドのサプライチェーンは少数の有力企業によって支配されており、世界中のごく少数の地域に高度に集中している（図を参照）。[ 146 ]
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しか含まれていません。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、その後、粒子は密度によって選別されます。現在では、X線蛍光分析によってダイヤモンドが豊富な密度分画に存在し、その後、最終的な選別は手作業で行われます。X線の使用が一般的になる前は、グリースベルトを使用して分離が行われていました。ダイヤモンドは、鉱石中の他の鉱物よりもグリースに付着しやすい性質があります。[ 147 ]
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。[ 148 ]インドは紀元前9世紀頃の発見から西暦18世紀半ばまでダイヤモンド生産で世界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世紀後半には枯渇し、その頃にはインドはブラジルに取って代わられ、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。[ 150 ]
一次鉱床（キンバーライトとランプロアイト）からのダイヤモンド生産は、南アフリカの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ある。生産量は時間とともに増加し、 それ以降累計で45億カラット以上が採掘されている。[ 151 ]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った。[ 152 ] 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を生産していた（主にヤクート地域、例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最大の産地となり、2018年には1400万カラットを生産した。[ 153 ] [ 154 ]新たに発見されたカナダのディアヴィク鉱山とエカティ鉱山は、宝石品質の石を産出するため、さらに価値が高まると予想されている。[ 155 ]
米国では、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る。[ 156 ] 2004年に米国で微小ダイヤモンドが発見されたという驚くべき出来事[ 157 ]がきっかけとなり、2008年1月にモンタナ州の僻地でキンバーライトパイプの大量サンプリングが行われた。 [ 158 ]
天然ダイヤモンドは地球の奥深くで時間をかけて形成されるが、合成ダイヤモンドはさまざまな方法で実験室で作られる。従来の方法は高圧高温（HPHT）法であり、比較的低コストであるため今でも広く使われている。このプロセスでは、数百トンもの重さの大型プレス機を用いて、1,500 °C（2,730 °F）で5 GPa（730,000 psi）の圧力を発生させる。2番目の方法は化学気相成長法（CVD）で、基板上に炭素プラズマを生成し、そこに炭素原子を堆積させてダイヤモンドを形成する。その他の方法としては、爆発形成（爆発ナノダイヤモンドの形成）やグラファイト溶液の超音波処理などがある。 [ 159 ] [ 160 ] [ 161 ]
炭素は既知のすべての生命システムに不可欠であり、それがなければ私たちが知っているような生命は存在し得ない（代替生化学を参照）。[ 67 ]食料や木材以外の炭素の主な経済的用途は炭化水素の形であり、最も有名なのは温室効果ガスであり化石燃料であるメタンガスと原油（石油）である。原油は石油化学産業によって製油所で蒸留され、ガソリン、灯油、その他の製品が生産される。[ 162 ]セルロースは、木材、綿、麻、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ある。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る。[ 163 ]動物由来の商業的に価値のある炭素ポリマーには、羊毛、カシミヤ、絹がある。[ 164 ]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、主ポリマー鎖に一定間隔で酸素原子と窒素原子が含まれる。これらの合成物質の原料の多くは原油と石炭から得られる。[ 165 ] [ 166 ]
炭素とその化合物の用途は非常に多岐にわたる。鉄と合金を形成することができ、最も一般的なのは炭素鋼である。グラファイトは粘土と結合して、筆記や描画に使う鉛筆の芯となる。また、潤滑剤や顔料、ガラス製造の成形材料、乾電池の電極、電気めっきや電鋳、電気モーターのブラシ、原子炉の中性子減速材としても使用される。[ 162 ]
木炭は、美術作品の描画材料、バーベキューグリル、製鉄、その他多くの用途に使用されます。木材、石炭、石油は、エネルギー生産や暖房の燃料として使用されます。[ 167 ] [ 168 ] 宝石品質のダイヤモンドは宝飾品に使用され、工業用ダイヤモンドは金属や石の加工用の穴あけ、切断、研磨工具に使用されます。合成ポリエステル繊維を熱分解して製造される炭素繊維は、プラスチックを強化し、高度な軽量複合材料を作成するために使用されます。[ 89 ] [ 169 ] [ 170 ]
炭素繊維は、ポリアクリロニトリル（PAN）やその他の有機物質の押出し延伸フィラメントを熱分解することによって作られます。繊維の結晶構造と機械的特性は、出発原料の種類と後続の加工に依存します。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持っていますが、熱処理によって構造が連続したロール状のシートに再編成されることがあります。その結果、鋼鉄よりも高い比引張強度を持つ繊維が得られます。[ 171 ]
カーボンブラックは、印刷インク、油絵具、水彩絵具、カーボン紙、自動車用塗料、インドインク、レーザープリンタートナーの黒色顔料として使用されます。カーボンブラックは、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。[ 172 ] [ 173 ]活性炭は、ガスマスク、浄水、キッチンの換気扇など、さまざまな用途のフィルター材の吸収剤および吸着剤として使用され、医療では消化器系から毒素、毒物、ガスを吸収します。炭素は、高温での化学還元に使用されます。 [ 174 ] [ 175 ] [ 176 ]コークスは、鉄鉱石を鉄に還元する（製錬）ために使用されます。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によって達成されます。[ 177 ] [ 178 ]シリコン、タングステン、ホウ素、チタンの炭化物は、既知の材料の中で最も硬いもののひとつであり、切削工具や研削工具の研磨剤として使用されています。炭素化合物は、天然繊維や合成繊維、皮革など、衣類に使用される材料の大部分を構成しており、ガラス、石、乾式壁、金属を除く建築環境のほぼすべての内装表面を構成しています。[ 36 ] [ 67 ]
ダイヤモンド産業は、宝石用ダイヤモンドと工業用ダイヤモンドの2つのカテゴリーに分けられます。どちらのタイプのダイヤモンドも大規模に取引されていますが、2つの市場の機能は大きく異なります。[ 89 ]金やプラチナなどの貴金属とは異なり、宝石用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かなりのマージンがあり、ダイヤモンドの再販市場はあまり活発ではありません。[ 179 ]
工業用ダイヤモンドは、主に硬度と熱伝導性で評価され、透明度や色などの宝石学的品質はほとんど関係ありません。採掘されるダイヤモンドの約80%（ 年間約1億カラットまたは20トンに相当）は宝石としての使用には適さず、工業用（ボルトとして知られる）に回されます。[ 180 ] 1950年代に発明された合成ダイヤモンドは、ほぼすぐに工業用途が見つかり、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ます。[ 181 ]
ダイヤモンドの主な工業用途は、切断、穴あけ、研削、研磨です。これらの用途のほとんどは大きなダイヤモンドを必要としません。実際、宝石品質のダイヤモンドのほとんどは、サイズが小さいことを除けば工業的に使用できます。ダイヤモンドはドリルの先端や鋸刃に埋め込まれたり、粉末に粉砕されて研削や研磨に使用されます。[ 182 ]特殊な用途としては、高圧実験の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、特殊な窓への限定的な使用などがあります。[ 183 ] [ 184 ]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ってきています。ダイヤモンドをマイクロチップに適した半導体として、またその優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きな注目を集めています。[ 185 ]
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ます。消化管の酸性内容物の中でも溶解や化学的攻撃に耐性があります。そのため、一度体内の組織に入ると、永久にそこに留まる可能性が高いです。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には生前と 死後5200年間も残っていたカーボンタトゥーがあったことがわかっています。[ 187 ]石炭の粉塵や煤（カーボンブラック）を大量に吸入すると、肺組織を刺激し、うっ血性肺疾患である炭鉱夫塵肺症を引き起こすため危険です。研磨剤として使用されるダイヤモンドダストは、摂取または吸入すると有害です。ディーゼルエンジンの排気ガスには炭素の微粒子が生成され、肺に蓄積する可能性があります。[ 188 ]しかし、これらの例では、害は炭素自体ではなく、汚染物質（例えば、有機化学物質、重金属）によって引き起こされる可能性がある。[ 189 ]
炭素は高温の空気中では激しく明るく燃焼する可能性がある。酸素のない状態で数億年も不活性状態を保ってきた大量の石炭は、炭鉱の廃棄物堆積場、船舶の貨物倉、石炭貯蔵庫[ 190 ] [ 191 ] 、貯蔵場[ 192 ]などで空気にさらされると自然発火する可能性がある。
グラファイトが中性子減速材として使用される原子力用途では、ウィグナーエネルギーの蓄積に続いて突然の自発的な放出が起こる可能性がある。少なくとも250 ℃までアニーリングすることで安全にエネルギーを放出できるが、ウィンドスケール火災では手順が間違っていたため、他の原子炉材料が燃焼した。[ 193 ] [ 194 ]
炭素化合物の多様性には、テトロドトキシン、トウゴマ（ Ricinus communis）の種子から得ら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 性毒物や、グルコースやタンパク質などの生命に不可欠な物質が含まれる。[ 67 ]
