「炭素」の版間の差分

2015年12月18日 (金) 17:03時点における版

炭素（たんそ、羅Carbonium 英Carbon）は原子番号 6 の元素。元素記号は C。 非金属元素。単体・化合物両方において極めて多様な形状をとることができ、1000万種を超える化合物が知られている。

有機物として全ての生物の構成材料となる。人体の乾燥重量の2/3は炭素である。これは蛋白質、脂質、炭水化物に含まれる原子の過半数が炭素であることによる。光合成や呼吸など生命活動全般で重要な役割を担う。また、石油・石炭・天然ガスなどのエネルギー・原料として、あるいは二酸化炭素やメタンによる地球温暖化問題など、人間の活動と密接に関わる元素である。

歴史

炭素の名はラテン語の carbo（木炭の意）からきており、有機物を不完全燃焼すれば簡単に取り出せるため、有史以前から知られていた。ダイヤモンドも稀少で硬い石として知られていた。ヨーロッパでダイヤモンドが装飾品として使用されたのはカッティング技法が開発された中世以降である。20世紀後半以降はフラーレンをはじめとする多彩な形状の炭素が発見されている。

生成と分布

炭素原子の生成にはヘリウムの原子核であるアルファ粒子の3重衝突が必要となる。これには約1億度の熱が必要となるが、ビッグバンでは宇宙がはじめに大きく膨張してすぐに急速に冷え、炭素は生成されなかったと考えられている。そのかわり現在でも巨星内でのトリプルアルファ反応によってヘリウムから炭素が生成されている。こうして作られた炭素は、重い主系列星の内部で水素がヘリウムになるCNOサイクルを媒介し、星のエネルギー放射に一役買っている。

炭素は太陽や恒星、彗星のなかにも豊富に存在し、様々な惑星の大気にも含まれている。まれに隕石の中から微細なダイヤモンドが見つかることがありこれは太陽系が原始惑星系円盤だった頃、またはそれ以前に超新星爆発時に生成された物と考えられている。

地球上では、化合物として大気・海・地中に広く存在する。約9割が地殻中に存在し、なかでも還元された形、すなわち炭素粒・石油・石炭・天然ガスが3/4以上を占める。1/4が炭酸塩の岩石（石灰岩、苦灰岩、結晶質石灰岩など）である。地殻についで海洋に溶け込んだ炭酸が多い。3番目は陸棲生物の構成要素として、ついで大気圏の二酸化炭素、海棲生物である。炭素は地球上で多様な状態を示している。炭素は地殻、海洋、生物圏、大気圏を循環しており、年間の移動量は約2000億トンと見積もられている。

また単体としては、黒鉛がアメリカのニューヨーク州、テキサス州、ロシア、メキシコ、グリーンランド、インドなどに豊富に存在する。一方、天然ダイヤモンドは「首」「パイプ」などと呼ばれる円筒形の鉱脈（貫入岩体）、川砂などから見つかる。主にアフリカ大陸の南アフリカ、ナミビア、ボツワナ、コンゴ共和国、シエラレオネなどで採掘されている。アフリカ以外ではカナダ、ロシアの北極圏内、ブラジルやオーストラリアの北部や西部で採掘が行われている。

同位体

炭素原子には3種類の同位体、¹²C（存在比 98.9%）、¹³C（1.1%）、¹⁴C（微量）が自然界で存在し、それぞれが様々な学問分野で重要な位置を占める。

• ¹²C は1961年にIUPACよって質量の基準とすることが決定され、アボガドロ数などの基礎的な定数はこれによって算出されている。
• ¹³C は核スピンを持つため、核磁気共鳴分光法において重要な核種である。
• ¹⁴Cは半減期 5715 年の放射性同位体である。成層圏において大気中の窒素と宇宙線（中性子）により常時生成されている。考古学や標本の分野で放射性炭素年代測定法に使用されているほか、生物学や医学の分野でも炭素14をマーカーにした多くの分析法が開発された。光合成の初期研究には当時のアメリカ原子力委員会から供給された炭素14が用いられている。ただし放射性物質である炭素14は取り扱いが難しいため、現在では放射能を持たない同位体元素である炭素13を用いた分析法も開発されている。

単体の性質

同素体

炭素は4本の共有結合をとることができ、結合の状態によって数種類の同素体を形成する。炭素同士がsp²混成軌道を形成し、正六角形の平面構造をとるとグラファイトになる。また、sp³混成軌道を形成して3次元的な結晶構造をとるとダイヤモンドとなる。同じ炭素の同素体であるが、前者は電気伝導性が高く軟らかい、後者は絶縁体で硬いなど、全く異なる性質を示す。不完全燃焼によって生じる炭などは、これら2つの構造が混在したアモルファス状態であることが多い。これらの状態は温度や圧力によって変化する。ダイヤモンドが炭素の同素体であることを示したのはラヴォアジエである。実験内容は、密閉容器に納めたダイヤモンドを虫眼鏡により燃焼させると二酸化炭素だけが生成するというものである。

以上3種は古くから知られていたが、20世紀後半以降、フラーレンや多分野での開発が進んでいるカーボンナノチューブなどの複雑な構造を持つ炭素の同素体が多数発見され、ナノテクノロジーの分野で有用な物質考えられている。

生産と用途

炭素の単体は形状によって様々な分野で使用されている。

アモルファス炭素としてはカーボンブラックや活性炭が大量に生産されており、黒色顔料（インク、コピートナー、墨汁など）やゴム製品への混錬剤、石油の脱硫などの吸着剤をはじめ、極めて幅広い用途に用いられている。カーボンブラックの2004年度日本国内生産量は804,355t、工業消費量は456tである。

黒鉛は電池等の電極剤や鉛筆の芯に使われるほか、黒鉛を成形した黒鉛ブロックは黒鉛減速沸騰軽水圧力管型原子炉「RBMK-1000」やコールダーホール型をはじめとした黒鉛炉という原子炉の炉心を構成しており、中性子の速度を下げる減速材として機能している。

ダイヤモンドは宝飾用のほかカッターや研磨材として利用されている。ポリマーを熱分解して作製する炭素繊維は軽くて強度が高いことから、航空機やゴルフクラブシャフトなど金属にかわる素材として使用されている。また、石炭から作られるコークスは構成要素のほとんどが炭素であり、燃料や製鉄に使用されている。

化合物

炭素は多様な化合物を作ることができるため、これまで報告されているものは1000万種をはるかに超える。二酸化炭素や一酸化炭素、炭酸、カーバイド等を除き、炭素の化合物は有機化合物（有機物）と呼ばれ、生命活動で生産されるほか、有機化学によって人工的にも多くの物質が生み出されている。

無機化合物として一般的な二酸化炭素 (CO₂) は大気中にわずか含まれ、光合成や呼吸など生命活動と密接なかかわりを持つ。また、炭酸塩として方解石（石灰岩）などの鉱物中にも分布している。

金属とのあいだでは炭素はカーバイド (C^-) やアセチリド (C₂^2-) の形で化合物をつくる。銑鉄と鋼の関係で見られるように、金属中の炭素量は硬度などの特性に大きな影響を与える。また、炭化ケイ素 (SiC) などいくつかの炭素化合物は格子状の結晶構造を持ち、ダイヤモンドと似た性質を持つ。

炭素のオキソ酸

炭素のオキソ酸は慣用名をもつ。次にそれらを挙げる。

※オキソ酸塩名称の'-'にはカチオン種の名称が入る。

環境との関わり

大気中の二酸化炭素は炭素固定のプロセスによって各種有機物として固定されるが、呼吸や微生物による分解などの生命活動、あるいは火山活動などによって大気中へ放出される。このような炭素循環は地球の環境を考える上で重要であり、特に地球温暖化への対策として観測・研究が行われている。

外部リンク

• 日本国 経済産業省・化学工業統計月報