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炭素 たんそcarbon

翻訳|carbon

ブリタニカ国際大百科事典 小項目事典の解説

炭素
たんそ
carbon

元素記号C,原子番号6,原子量 12.0107。周期表 14族,炭素族元素に属する。天然には単体としてダイヤモンド黒鉛 (→石墨 ) ,無定形炭素 (→スズ ) などの3種の同素体が存在するが,化合物としては岩石圏,水圏,大気圏,生物圏などに非常に豊富に存在する。地殻中の存在量 200ppm,海水中の存在量 28 μg/l 。比重はダイヤモンド 3.51,黒鉛 2.26,無定形炭素 1.8~2.1。無定形炭素,黒鉛は高温では昇華する。ダイヤモンドは,空気を遮断して 2000℃に熱すると黒鉛に変り,空気中では 710~900℃で燃焼して二酸化炭素となる。 C60 あるいは C70 のように炭素だけから成る新たな系列の物質 (フラーレンまたはバックミンスターフラーレン) が合成されている。高温では炭素は鉄,アルミニウム,カルシウム,水素,硫黄,ケイ素などと反応して炭化物となる。また水素,酸素,窒素などと共有結合により有機化合物をつくり,天然物質あるいは合成物質としてほとんど無数に得られている。同位体の炭素 12は,1961年国際純正・応用化学連合により原子量の基準に選ばれ,炭素 12の原子量は整数 12と定められた。放射性同位体の炭素 14は半減期 5730年,大気上層部で生成,生体中に広く分布する。生体の死滅により減衰するので,木片,泥炭,骨,貝殻などの年代測定 (約4万年前までの年代のもの) に利用される。

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百科事典マイペディアの解説

炭素【たんそ】

元素記号はC。原子番号6,原子量12.0096〜12.0116。非金属元素の一つ。天然には無定形炭素(比重1.8〜2.1),石墨(1.9〜2.3),ダイヤモンド(3.15〜3.53),フラーレン,ナノチューブという同素体がある。
→関連項目黒鉛銑鉄ニューカーボン有機塩素化合物

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栄養・生化学辞典の解説

炭素

 原子番号6,原子量12.011,元素記号C,14族(旧IVa族)の元素.有機化合物の主たる構成元素.

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世界大百科事典 第2版の解説

たんそ【炭素 carbon】

周期表元素記号=C 原子番号=6原子量=12.011地殻中の存在度=200ppm(16位)安定核種存在比 12C=98.892%,13C=1.108%融点=3550℃(無定形),3550℃以上(ダイヤモンド,黒鉛)沸点=4827℃比重=1.8~2.1(無定形),3.15~3.53(ダイヤモンド),1.9~2.3(黒鉛)電子配置=[He]2s22p2 おもな酸化数=II,IV周期表第IVB族に属する炭素族元素の一つ。

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大辞林 第三版の解説

たんそ【炭素】

14 族(炭素族)元素の一。元素記号 C  原子番号6。原子量12.01。質量数一二、一三、一四の同位体が存在し、炭素一二は原子量の基準とされる。ダイヤモンド・黒鉛・無定形炭素の3種の同素体が天然に産する。化学的に安定で通常の溶媒に溶けず、酸・アルカリにもおかされない。高温では燃焼して二酸化炭素となる。自然界では、岩石中に炭酸塩として、大気圏に二酸化炭素としてあり、また有機化合物の主要構成元素として生物体の重要な構成成分である。還元剤や金属の精錬に用いる。 〔オランダ語 koolstof を kool (炭)と stof (素)とに分け、漢字をあてた訳。「遠西医方名物考」(1834年)にある〕

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日本大百科全書(ニッポニカ)の解説

炭素
たんそ
carbon

周期表第14族に属し、炭素族元素の一つ。カーボンともいう。[守永健一・中原勝儼]

歴史

木炭は古代から世界各民族普遍のものであり、燃料とするだけでなく、防腐剤、あるいは金属製錬に用いられていた。またダイヤモンドについては『旧約聖書』や、インドの古代聖典にも記載がある。ダイヤモンドの名は、これ以上の硬さのものがないことから、征服されないという意味のギリシア語admasに由来し、黒鉛(鉱物名は石墨(せきぼく)、グラファイト)は古く筆記に使われたことから、書くという意味のギリシア語grafeinに由来する。炭素carbonの語源ははっきりしないが、ラテン語の木炭carboに由来するらしい。
 ダイヤモンドが炭素からなることが知られるようになったのは、1771年フランスのマケールのダイヤモンドの燃焼に始まり、1772年フランスのラボアジエの実験によって証明された。すなわち密閉ガラス鐘中のダイヤモンドにレンズで集光して照射、加熱燃焼させると二酸化炭素のみを生ずることを発見したことによる。さらにフランスのギトン・ドゥ・モルボが、ダイヤモンドが石墨を経て二酸化炭素となることを示し、ダイヤモンドと石墨が炭素の同素体であることがわかった。
 炭素からのダイヤモンドの製造は、19世紀から多くの試みがなされたが成功しなかった。しかし1955年アメリカのゼネラルエレクトリック社の研究者たちは、高温、超高圧下で、鉄‐ニッケル合金を溶媒にして人工ダイヤモンドの製造に成功した。日本でも1961年(昭和36)以降量産されている。[守永健一・中原勝儼]

存在

宇宙には4番目に多い元素で、恒星のエネルギーサイクルに含まれる。ダイヤモンドは隕石(いんせき)中にもみつかっている。主として石灰石や方解石CaCO3、マグネサイトMgCO3、ドロマイトCaCO3MgCO3のような炭酸塩として水成岩中に存在する。また、二酸化炭素として大気中に約0.03%含まれ、海水中の全炭酸(分子状のCO2のほかH2CO3、HCO3-、CO32-)はこれと平衡を保っている。燃料源として、また工業的に重要な化学薬品の原料となる石炭や石油の成分として、さらに有機化合物として生物圏の重要な構成成分である。生命の維持と機械その他の動力源として必要なエネルギーの大部分は、炭素とその化合物の酸化反応に仰いでいる。植物は空気中の二酸化炭素と水から光合成により炭水化物(含水炭素または糖類ともいう)を合成する。動物はこの炭水化物を摂取して呼吸作用により、また死後はバクテリアによる肉体組織の分解により二酸化炭素を大気に戻す。このような動物と植物を結び付ける鎖の輪が地表における炭素のサイクルである。[守永健一・中原勝儼]

炭素の同位体

天然に存在する同位体組成は、炭素12が98.90%、炭素13が1.10%、ほかに放射性同位体の炭素10、炭素11、炭素14、炭素15の4種類がある。炭素12は原子量の基準として選ばれ、炭素12原子1個の質量の12分の1が1原子質量単位である。炭素13のみが核スピンをもつので、核磁気共鳴吸収法による有機化合物の構造決定に利用される。
 炭素14(β-放射、半減期5730年)はトレーサーとして広く使われ、核反応14N(n,p)14Cによってつくられる。天然による上層大気中では宇宙線によってつくられる中性子と窒素から炭素14が補給されるので、空気中の二酸化炭素に含まれる炭素14の量はほぼ一定である。これが生物体の有機物として固定されると、補給が止まり約5000年の半減期で減少する。もし有機物がつくられたときの炭素14の量がわかれば、現在それがどれだけ減少しているかを測って、その生物が生きていたときから現在までの経過時間を知ることができる。このように炭素14は年代測定に利用される。[守永健一・中原勝儼]

炭素の同素体、その構造の相違

炭素の同素体としてはダイヤモンド、黒鉛および無定形炭素の三つがあるとされてきたが、最近、フラーレン(1985)、カーボンナノチューブ(1991)、カルビン(1992)などが発見されている。カルビンはアセチレンを触媒の存在下酸化して得られる黒色物質で、六方晶系の半導体。-C≡C-が繰り返されるポリイン型と=C=C=C=二重結合の積み重なったクムレン型とがあるが、いずれも鎖状構造の直鎖分子である。
 炭素の最外殻の電子配置は2s22p2で、炭素原子がこの合計4個の原子価電子によって共有結合をつくる方法には3通りがある。そのうちの2通りsp3混成とsp2混成とよばれる結合の仕方が、それぞれダイヤモンドと黒鉛の構造にみられる()。sp3混成では、正四面体の中心から頂点の方向に向かう4個の軌道を使って炭素原子は4個の等価な結合をつくる。ダイヤモンドは、正四面体の中心に位置する炭素原子が正四面体の各頂点に位置する4個の他の炭素原子と結合するという立体配置が三次元方向に伸びた巨大分子である。一方、sp2混成では、正三角形の中心から頂点の方向に向かう3個の軌道を使って炭素原子は3個の等価な結合をつくり、残る1個のp軌道は三角形の平面に垂直な方向を向いている。黒鉛では、炭素原子が三角形の中心にあって、正三角形の各頂点にある炭素原子と結合して正六角形の炭素6員環が融合したような網状平面ができあがり、それが規則的に積み重なった層状構造をとっている。同じ平面内で各炭素原子は3個の電子で他の3個の炭素原子と互いに共有結合し、残りの1個の電子は金属内の電子と同じように動きやすい状態になっている(平面に垂直なp軌道に入っている、ある炭素原子の電子が、周りのすべての原子の同じ種類のp電子と結合をつくったり、切ったりしている。すなわちp電子は炭素6員環からなる網状平面内の炭素原子上を動き回る)。炭素平面間を結び付けているのは弱いファン・デル・ワールス力である。炭素原子の4個の価電子がすべて共有結合に使われている巨大分子のダイヤモンドが硬くて電気を導かないのに、黒鉛が電気を導き、軟らかく劈開(へきかい)しやすい性質を示すのは、両者のこのような構造の差異に原因がある。黒鉛の誘導体としてCFとかC2Kなどの層間化合物が知られているのもこのためである。
 いわゆる無定形炭素とよばれるものには木炭、獣炭、煤、カーボンブラック、コークスなどが含まれる。無定形というのは、黒鉛の微細結晶の網目が無秩序に乱れ、層もひずんだりして集合したもので、つくり方によって炭素平面の大きさやその積み重なり方も変わってくる。黒鉛はダイヤモンドよりいくぶん化学反応性が大きいが、無定形炭素は黒鉛よりもいっそう反応性が増している。高温では多くの元素と直接に化合する。たとえば、水素、硫黄(いおう)と化合してそれぞれアセチレンなどの炭化水素、二硫化炭素をつくり、ケイ素、カルシウム、アルミニウム、鉄などと炭化物をつくる。また、還元剤として多くの酸化物から酸素を奪って、一酸化炭素や二酸化炭素を生じる。アルカリなどの化学薬品に対してきわめて安定である。炭素の性質についてはも参照。
 フラーレンやカーボンナノチューブ、カルビンなどは、いわゆるニューカーボンファミリーとよばれ、各種の分野での応用が期待されている。[守永健一・中原勝儼]

製法

工業的に多くの用途をもつ炭素材料は次のようにして得られる。原料有機物を熱分解したのち、高温で炭素以外の元素を放出させ(炭素化)、さらにこれを3000℃付近での熱処理によって黒鉛の構造に近づける(黒鉛化)方法がとられる。カーボンブラックは、炭化水素ガス、または油などを霧状にして1300℃以上で熱分解してつくる。人造黒鉛は、コークスを結合材と成形、焼成したのち、3000℃に熱して黒鉛化させる。ハロゲンガスを通しながら高温で処理すると高純度のものが得られる。このほか、ポリアクリロニトリルなどの繊維を加熱処理してそのまま固相炭素化させた炭素繊維(軽くて強い)やガラス状炭素(等方性の導電体)、熱分解炭素など特殊な機能性の高い炭素材料が開発されている。[守永健一・中原勝儼]

用途

ダイヤモンドは宝石として用いられるほか、その硬さを利用して研磨材や切削材料として用いられる。黒鉛は原子炉の中性子減速剤、各種の電極、るつぼ、鉛筆の芯、減摩材などに用いられる。無定形炭素はその形状や性質によって燃料その他いろいろな用途がある。粉末の活性炭は吸着材として重要であり、微粒子のカーボンブラックは顔料、印刷インキ、ゴムの充填(じゅうてん)剤などに用いられる。炭素繊維は高強度、高張性炭素繊維として各種スポーツ用品に用いられる。[守永健一・中原勝儼]
『日本化学会編『炭素第三の同素体フラーレンの化学』(1999・学会出版センター) ▽嶋崎勝乗他著『炭素応用技術』普及版(2001・シーエムシー) ▽炭素材料学会編『最新の炭素材料実験技術 分析・解析編』『最新の炭素材料実験技術 物性・材料評価編』(2001、2003・サイペック)』

出典|小学館 日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について | 情報 凡例

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