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Babi Hijau (会話 | 投稿記録) en:Carbon2011-03-11 14:19UTCから注釈がある部分の訳+加筆+改訂 タグ: サイズの大幅な増減 |
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|density gpcm3nrt=非結晶質:<ref name="CRC">''Chemical Rubber Company Handbook of Chemistry and Physics'', 59th Edition, CRC Press, Inc, 1979</ref> 1.8 - 2.1 |
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|covalent radius=77(sp<sup>3</sup>), 73(sp<sup>2</sup>), 69(sp) |
|covalent radius=77(sp<sup>3</sup>), 73(sp<sup>2</sup>), 69(sp) |
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|Van der Waals radius=170 |
|Van der Waals radius=170 |
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|oxidation states='''4''', 3 <ref>{{citeweb|url=http://bernath.uwaterloo.ca/media/36.pdf|title=Fourier Transform Spectroscopy of the System of CP|accessdate= |
|oxidation states='''4''', 3 <ref>{{citeweb|url=http://bernath.uwaterloo.ca/media/36.pdf |format=PDF|title=Fourier Transform Spectroscopy of the System of CP|accessdate=2011-03-27|language=英語}}</ref>, 2, 1 <ref>{{citeweb|url=http://bernath.uwaterloo.ca/media/42.pdf |format=PDF|title=Fourier Transform Spectroscopy of the Electronic Transition of the Jet-Cooled CCI Free Radical|accessdate=2011-03-27|language=英語}}</ref>, [[ホルムアルデヒド|0]], [[カーバイド|-1]], [[メタノール|-2]], [[エタン|-3]], '''-4'''<ref>{{citeweb|url=http://www.webelements.com/webelements/elements/text/C/comp.html|title=Carbon: Binary compounds| publisher=WebElements |accessdate=2011-03-27|language=英語}}</ref> |
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|magnetic ordering=[[反磁性]]<ref>{{citeweb|url= http://www-d0.fnal.gov/hardware/cal/lvps_info/engineering/elementmagn.pdf |format=PDF|title= Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds | publisher= Handbook of Chemistry and Physics 81th edition, CRC press |accessdate=2011-03-27|language=英語}}</ref> |
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|thermal expansion at 25=0.8 (ダイヤモンド) <ref name=ioffe>{{citeweb|url= http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/Diamond |title=C-Diamond |accessdate=2011-03-27|language=英語}}</ref> |
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|Mohs hardness=1-2 (グラファイト)<br />10 (ダイヤモンド) |
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|CAS number=7440-44-0 |
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|isotopes=[[炭素の同位体|15]] |
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{{Elementbox_isotopes_decay | mn=[[炭素14|14]] | sym=[[炭素14|C]] | na=trace | hl=5730 [[年|y]] | dm=[[β崩壊|β<sup>-</sup>]] | de=0.156 | pn=14 | ps=[[窒素|N]] }} |
{{Elementbox_isotopes_decay | mn=[[炭素14|14]] | sym=[[炭素14|C]] | na=trace | hl=5730 [[年|y]]<ref name=Sakura49 /> | dm=[[β崩壊|β<sup>-</sup>]] | de=0.156 | pn=14 | ps=[[窒素|N]] }} |
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英語のcarbonは、1787年に[[フランス]]の化学者トモルボーが「木炭」を指すラテン語carboから<ref>Shorter Oxford English Dictionary, Oxford University Press</ref>名づけた[[フランス語]]のcarboneが転じた<ref name=Sakura49 />。[[ドイツ語]]のKohlenstoffも「炭の物質」を意味する<ref name=Sakura49 />。日本語の「炭素」という語は[[宇田川榕菴]]が著作『[[舎密開宗]]』にて用いたのがはじめとされる。 |
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== 特徴 == |
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非金属の炭素には、4つの外殻電子と4つの空席がある。そのため、価電化数4<ref name=Newton2010 />と元素の中でも最も多い4組の[[共有結合]]を持つことが可能であり、この特徴から多様な分子をつくる骨格となる<ref name=lanl/><ref name=Sakura54>[[#桜井1998|桜井 (1998)、p.54]]</ref>。炭素が他の元素と結びついて作る化合物の種類は約5400万種にのぼる<ref name=Newton2010 />。 |
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[[融点]]や[[昇華 (化学)|昇華]]起こす[[温度]]は全元素の中で最も高い。常圧下では融点を持たず、[[三重点]]は10.8 ± 0.2[[メガ]][[パスカル]]、4600 ± 300[[ケルビン|K]]であり<ref name=triple2/><ref name=triple3/>、昇華は約3900Kで起こる<ref name="triple">{{cite journal|journal = Nature|volume = 276|page= 695|year=1978|doi = 10.1038/276695a0|title = The controversial carbon solid−liquid−vapour triple point|first =A.|last = Greenville Whittaker}}</ref><ref>{{cite news|url = http://lbruno.home.cern.ch/lbruno/documents/Bibliography/LHC_Note_78.pdf |format=PDF|title =On Graphite Transformations at High Temperature and Pressure Induced by Absorption of the LHC Beam| author = J.M. Zazula| year = 1997| accessdate=2011-03-27|language=英語|publisher = CERN}}</ref>。 |
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炭素原子同士の共有結合は非常に堅牢であり<ref name=Newton2010>{{Cite book| 和書|author=編集長：水谷仁|year=2010年|title=[[ニュートン (雑誌)|ニュートン]]別冊周期表第2冊|publisher=[[ニュートンプレス]]|location= [[東京都]]|isbn=978-4-315-51876-4|pages=92-93|ref=ニュートン別2010}}</ref>、それがつくる単体において自然物としては最も硬いことで知られる[[ダイヤモンド]]から最も柔らかい部類に入る[[グラファイト]]まで、幅広い形態や[[同素体]]を持つ。 |
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== 歴史 == |
== 歴史 == |
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炭素の単体は有機物を[[不完全燃焼]]すれば簡単に取り出せるため、[[先史時代|有史以前]]から知られていた<ref name=Sakura49 /><ref name=D2>{{cite web |url=http://chemistry.about.com/library/das/aa030303a.htm |title=Timeline of Element Discovery| accessdate=2011-03-27|language=英語}}</ref>。[[ダイヤモンド]]の存在も紀元前2500年頃の[[古代中国]]では知られており、[[古代ローマ]]では今日と同様に木から木炭を得ていた。[[古代エジプト]]でも、[[粘土]]で密封した[[ピラミッド]]の中から空気を抜くために木を熱する方法が用いられた<ref name=ancient_China>{{cite news|url = http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/4555235.stm|title = Chinese made first use of diamond|publisher = BBC News|date= 17 May 2005| accessdate=2011-03-27|language=英語}}</ref><ref>{{cite web |url=http://elements.vanderkrogt.net/element.php?sym=C |title=Carbonium/Carbon at Elementymology & Elements Multidict |author= Peter van der Krogt |last=van der Krogt |first=Peter | accessdate=2011-03-27|language=英語}}</ref>。そのため、特定の元素発見者はいない<ref name=Sakura49 />。 |
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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。<!-- エジプトでは紀元前から装飾品だった -->日本語の「炭素」という語は[[宇田川榕菴]]が著作『[[舎密開宗]]』にて用いたのがはじめとされる。[[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。 |
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[[Image:Carl Wilhelm Scheele from Familj-Journalen1874.png|left|200px|thumb|[[カール・ヴィルヘルム・シェーレ]]]] |
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1722年[[ルネ・レオミュール]]は鉄が[[鋼]]となるには何かしらの物質を吸収することを示したが、現在ではそれは炭素であることが明らかとなった<ref>{{cite book |author=R-A Ferchault de Réaumur |last=Ferchault de Réaumur |first=R-A |year=1722 |title=L'art de convertir le fer forgé en acier, et l'art d'adoucir le fer fondu, ou de faire des ouvrages de fer fondu aussi finis que le fer forgé (English translation from 1956) |location=Paris, Chicago}}</ref>。1772年には[[アントワーヌ・ラヴォアジエ]]が燃焼によって水が生じず、重量あたり同じ比率の[[二酸化炭素]]を生じることを確かめ、ダイヤモンドが炭素の単体であることを証明した<ref name=Fred>{{cite web|author=Senese,Fred|date = 200-09-09|url = http://antoine.frostburg.edu/chem/senese/101/inorganic/faq/discovery-of-carbon.shtml|title=Who discovered carbon?|publisher=Frostburg State University| accessdate=2011-03-27|language=英語}}</ref>。1779年に[[カール・ヴィルヘルム・シェーレ]]は、[[グラファイト]]が従来考えられていたように[[鉛]]の一形態ではないと示し<ref name=Fred />、1786年に[[クロード・ルイ・ベルトレー]]、ガスパール・モンジュ[[:en:Gaspard Monge|(en)]]、C.A.ヴァンデスモンドが炭素であることを明らかにした<ref>{{cite book|author=Federico Giolitti|year=1914 |
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|title=The Cementation of Iron and Steel|publisher=McGraw-Hill Book Company, inc.}}</ref>。彼らがこれを知らしめた際、この元素に[[ラテン語]] Carboniumから取ったcarboneという名をつけ、ラヴォアジエが1789年に纏めた元素のテキストに採録された<ref name=Fred />。 |
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同素体[[フラーレン]]が発見されたのは1985年であり<ref>{{cite journal|journal=Nature|volume=318|pages=162–163|year=1985|doi=10.1038/318162a0|title=C<sub>60</sub>: Buckminsterfullerene|author=H. W. Kroto, J. R. Heath, S. C. O'Brien, R. F. Curl and R. E. Smalley}}</ref>、同じくナノ構造体としてはバッキーボールズ[[:en:buckyballs|(en)]]や[[カーボンナノチューブ]]も見つかった<ref name="buckyballs">{{cite web|url=http://www.ch.ic.ac.uk/local/projects/unwin/Fullerenes.html|title=Fullerenes(An Overview)|author=Peter Unwin| accessdate=2011-03-27|language=英語}}</ref>。これらの発見は1996年[[ノーベル化学賞]]の授与対象となった<ref>[[#桜井1997|桜井 (1997)、pp.51-52]]</ref><ref>{{cite web |url=http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1996/index.html |title=The Nobel Prize in Chemistry 1996 "for their discovery of fullerenes" | accessdate=2011-03-27|language=英語}}</ref>。これらに触発された更なる同素体探査の結果、「ガラス状炭素[[:en:glassy carbon|(en)]]」や、厳密には[[無定形]]ではないが名づけられた「無定形炭素[[:en:amorphous carbon|(en)]]」等の発見へ繋がった<ref name="glassy carbon">{{cite journal |author=PJF Harris |last=Harris |first=PJF |year=2004 |title=Fullerene-related structure of commercial glassy carbons |journal=Philosophical Magazine, 84, 3159–3167 |doi=10.1007/s10562-007-9125-6 |volume=116 |pages=122 |last2=Gallagher |first2=J. G. |last3=Hargreaves |first3=J. S. J. |last4=Harris |first4=P. J. F.}}</ref>。 |
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== 生成と分布 == |
== 生成と分布 == |
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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 |
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<ref name=Aoki35>[[#青木2004|青木 (2004)、pp.35-37、第2章 ビッグバンと元素合成]]</ref>。しかし、その後形成された[[恒星]]内で[[トリプルアルファ反応]]による[[ヘリウム燃焼過程]]でエネルギーを放出しながら炭素が生成される<ref name=Aoki53>[[#青木2004|青木 (2004)、pp.53-79、第3章 星の中での元素合成]]</ref>。こうして作られた炭素は、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<ref>{{cite book|和書|author=尾崎洋二|title=宇宙科学入門|publisher=[[東京大学]]出版会|year=2010年|edition=第2版第1刷|chapter=第2章 太陽と太陽系、4-5節|pages=20-33|isbn=978-4-13-062719-1}}</ref>。 |
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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。 |
宇宙での存在比は水素、ヘリウム、[[酸素]]に次いで多い<ref name=BAE>{{cite web |url=http://www.daviddarling.info/encyclopedia/E/elbio.html|title=Biological Abundance of Elements|publisher = The Internet Encyclopedia of Science | accessdate=2011-03-27|language=英語}}</ref>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<ref>{{cite book |author=Mark |last=Mark |year=1987 |title=Meteorite Craters |publisher=University of Arizona Press |isbn=0816509026}}</ref>。 |
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[[File:Carbon cycle-cute diagram.svg|thumb|200px|right|地球における二酸化炭素の循環図。黒数字はそれぞれの貯蔵量を、2004年推計量十億トン単位 (GtC)で示す。紫数字は年間の移動量を表す。なお、炭酸塩や油母に蓄えられた7千万GtC相当の炭素は含まれない。]] |
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| ⚫ | 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、 |
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=== 地球での存在と循環 === |
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| ⚫ | 地球上では、化合物として[[大気]]・[[海]]・地中に広く存在する。[[地殻中の元素の存在度]]では15番目に多い炭素<ref name=BAE />の約9割が地殻中に存在し、中でも還元された形、すなわち炭素粒・[[石油]]・[[石炭]]・[[天然ガス]]中が3/4以上を占める。1/4が[[炭酸塩]]の[[岩石]]（[[石灰岩]]、[[苦灰岩]] (CaMg(CO<sub>3</sub>)<sub>2</sub>)、[[結晶質石灰岩]]など）である。海洋など水に溶け込んだ炭酸も多く、その量は炭素量で36兆トン存在する。ついで[[生物圏]]に1兆9000億トン、大気圏の[[二酸化炭素]]として8100億トンがある。 |
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埋蔵石化燃料として石炭が9000億トン、石油は1500億トン、天然ガスが1050億トンに加えさらに[[シェールガス]]のような採掘しにくい形態で別に5400億トンの存在が見込まれている<ref>{{cite web |url= http://www.newscientist.com/article/mg20627641.100-wonderfuel-welcome-to-the-age-of-unconventional-gas.html?full=true |title= Wonderfuel: Welcome to the age of unconventional gas, pp. 44–7|author= Helen Knight |publisher =[[New Scientist]] |date=12 June 2010| accessdate=2011-03-27|language=英語}}</ref>。これらとは別に、[[メタンハイドレード]]として極地に封じられ、これの炭素量はシベリアの永久凍土層だけでも1兆4000億トンと見積もられる<ref>{{cite web |url= http://www.cosis.net/abstracts/EGU2008/01526/EGU2008-A-01526.pdf |format=PDF|title= Anomalies of methane in the atmosphere over the East Siberian shelf: Is there any sign of methane leakage from shallow shelf hydrates? 10|author= N. Shakhova, I. Semiletov, A. Salyuk, D. Kosmach |publisher=European Geosciences Union, General Assembly 2008, ''Geophysical Research Abstracts'' EGU2008-A-01526|date=2008| accessdate=2011-03-27|language=英語}}</ref>。 |
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また[[単体]]としては、[[黒鉛]]が[[アメリカ合衆国|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[[南アフリカ共和国|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。 |
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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。 |
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{{main|炭素循環}} |
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惑星上では、ある元素が他の元素に転換することは非常に稀である。したがって、地球に含まれる全炭素量はほぼ一定である。そのため、炭素を用いる過程はどこかでそれを獲得し、また放出することが必要となる。このような経路は、二酸化炭素の形で循環する体系を形成する。例えば、植物は生育地の環境内で、呼吸によって二酸化炭素を放出する一方、光のエネルギーを用いて吸収した二酸化炭素から[[炭素固定|炭素を固定]]する[[カルヴィン回路]]を働かせ、植物組織を形成する。動物は植物を食べて炭素を吸収し、呼吸によって一部を排出する。このような短期的な循環だけでなく、より複雑な炭素循環も機能する。例えば海洋は二酸化炭素を溶かし込み、枯れた植物や動物の死体は、バクテリア等が消化しないと地中で石油や石炭などの形で炭素をとどめることもある。それらが化石燃料として利用されれば、燃焼によって再び炭素は放出される<ref>{{ cite journal|journal = Science|year = 2000|volume = 290|issue = 5490|pages = 291–296|doi = 10.1126/science.290.5490.291|title = The Global Carbon Cycle: A Test of Our Knowledge of Earth as a System|author = P. Falkowski, R. J. Scholes, E. Boyle, J. Canadell, D. Canfield, J. Elser, N. Gruber, K. Hibbard, P. Högberg, S. Linder, F. T. Mackenzie, B. Moore III, T. Pedersen, Y. Rosenthal, S. Seitzinger, V. Smetacek, W. Steffen.|pmid = 11030643}}</ref>。 |
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[[Image:Rough diamond.jpg|thumb|200px|right|天然ダイヤモンド結晶を含む鉱石]] |
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=== 鉱物 === |
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[[石炭]]は商業的にも重要な炭素供給元であり、[[無煙炭]]では炭素含有率は92-98%にまでなる<ref>{{cite book| title = Coal Mining Technology: Theory and Practice| author = R. Stefanenko| publisher = Society for Mining Metallurgy|year = 1983| isbn = 0895204045}}</ref>。これに石油や天然ガスなどを加えた炭素資源は、そのほとんどを燃料として利用している<ref>{{cite journal |first = James|last = Kasting |year=1998 |title=The Carbon Cycle, Climate, and the Long-Term Effects of Fossil Fuel Burning |journal=Consequences: the Nature and Implication of Environmental Change|volume = 4|url = http://gcrio.org/CONSEQUENCES/vol4no1/carbcycle.html |issue = 1}}</ref>。 |
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天然の[[黒鉛]]（石墨<ref name=Kagaku102 />、グラファイト）は世界中に分布するが、産出が多い地域は[[中国]]、[[インド]]、[[ブラジル]]、[[北朝鮮]]である<ref>{{cite web |url= http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/graphite/myb1-2006-graph.pdf |format=PDF|title=Minerals Yearbook: Graphite, 2006 |publisher =USGS| accessdate=2011-03-27|language=英語}}</ref>。天然のダイヤモンドは歴史的に南インド産が有名だが<ref name=Catelle1>{{cite book|last = Catelle|first = W.R.|title = The Diamond|publisher = John Lane Company|year = 1911}} Page 159 discussion on Alluvial diamonds in India and elsewhere as well as earliest finds</ref>、18世紀に[[ブラジル]]で発見され<ref>{{cite book| page = 28| title = The Book Of Diamonds: Their Curious Lore, Properties, Tests And Synthetic Manufacture| author = J. W. Hershey| publisher = Kessinger Pub Co| isbn = 1417977159| year = 1940}}</ref>、その後[[南アフリカ]]でも採掘され<ref name=giasummer2007>{{cite journal| last = Janse|first= A. J. A.|title= Global Rough Diamond Production Since 1870|journal= Gems and Gemology|volume= XLIII |issue= Summer 2007| pages=98–119 |publisher=GIA|year=2007}}</ref>、現在の主要産出国には[[ロシア]]、[[ボツワナ]]、[[オーストラリア]]、[[コンゴ民主共和国]]が名を連ねる<ref>{{cite web|url = http://gnn.tv/videos/2/The_Diamond_Life|title = The Diamond Life|publisher = Guerrilla News Network|first = Stephen|last = Marshall |coauthors = Shore, Josh |archivedate = 2008-10-10|date = 2004-10-22 |archiveurl = http://web.archive.org/web/20080609101643/http://gnn.tv/videos/2/The_Diamond_Life <!-- Bot retrieved archive --> | accessdate=2011-03-27|language=英語}}</ref>。近年では[[カナダ]]、[[ジンバブエ]]、[[アンゴラ]]でも鉱山が開かれ<ref name = giasummer2007/>、[[アメリカ合衆国]]でも発見されている<ref name=DGemGLorenz>{{cite journal| last = Lorenz| first= V.|title=Argyle in Western Australia: The world's richest diamantiferous pipe; its past and future| journal=Gemmologie, Zeitschrift der Deutschen Gemmologischen Gesellschaft|volume=56 |issue=1/2| pages=35–40 |publisher = DGemG|year=2007}}</ref>。 |
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== 同位体 == |
== 同位体 == |
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{{main|炭素の同位体}} |
{{main|炭素の同位体}} |
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炭素原子には3種類の[[同位体]]、<sup>12</sup> |
原子核に6つの陽子を含む炭素原子には、3種類の[[同位体]]、[[炭素12|<sup>12</sup>C]]（存在比 98.93%）、[[炭素13|<sup>13</sup>C]]（1.07%）、[[炭素14|<sup>14</sup>C]]（微量）が[[自然界]]で存在し<ref name="isotopes"/>、それぞれが様々な学問分野で重要な位置を占める。 |
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<sup>14</sup>Cは、地球上の存在比が百[[京 (数)|京]]分の一<ref name=Tom>{{cite web|last=Brown|first=Tom|date=March 1, 2006|url=http://www.llnl.gov/str/March06/Brown.html|title=Carbon Goes Full Circle in the Amazon|publisher=Lawrence Livermore National Laboratory| accessdate=2011-03-27|language=英語}}</ref>、大気中では1兆分の一程度でしかなく<ref name=Haya>{{cite web |url=http://www.edu.gunma-u.ac.jp/~hayakawa/seminar/carbon.html |title=放射性炭素年代測定の原理と暦年代への換算|author=早川由紀夫|publisher=[[群馬大学]]教育学部|accessdate=2011-03-27|language=日本語}}</ref>、泥土や有機物の中に含まれている<ref name=Tom />。[[半減期]]約5730 年の[[放射性同位体]]であり<ref name="isotopes">{{cite web|url=http://www.webelements.com/webelements/elements/text/C/isot.html|title=Carbon – Naturally occurring isotopes|publisher=WebElements Periodic Table| accessdate=2011-03-27|language=英語}}</ref>、[[ベータ崩壊]]を起こして[[窒素]]原子に変化する<ref name=Sakura50>[[#桜井1997|桜井 (1997)、p.50]]</ref>。しかし、成層圏において大気中の窒素と宇宙線（中性子）が反応して常時新たに生成されている<ref name=Sakura50 /><ref name=Bow>{{cite book |author=Bowman, S. |first=S. |last=Bowman |year=1990 |title=Interpreting the past: Radiocarbon dating |publisher=British Museum Press |isbn=0-7141-2047-2}}</ref>。そのため古い石や化石などの閉じた系では時間とともに存在比が低くなることが知られ<ref name=Bow />、[[考古学]]や[[標本]]の分野で4万年スケール、最大6万年の<ref name=Haya />時代判定を行う[[放射性炭素年代測定]]法に使用したり<ref name=Sakura50 /><ref>{{cite book |author=Libby WF |last=Libby |first=WF |year=1952 |title=Radiocarbon dating|publisher=Chicago University Press and references therein}}</ref><ref>{{cite web|last=Westgren|first=A.|year=1960|url=http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1960/press.html|title=The Nobel Prize in Chemistry 1960|publisher=Nobel Foundation| accessdate=2011-03-27|language=英語}}</ref>、過去の宇宙線強度が変化した様子を通じて[[太陽]]活動<ref name=Haya>{{cite web |url=http://www.stelab.nagoya-u.ac.jp/~kmasuda/C14_km/C14_index.html |title=放射性炭素(C14)による過去の宇宙線強度と太陽活動の研究|author=増田公明|publisher=[[名古屋大学]]太陽地球観測研究所|accessdate=2011-03-27|language=日本語}}</ref>や地球磁場の変遷<ref name=Haya />を分析するために使われる。 |
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他にも、[[生物学]]や[[医学]]の分野でも<sup>14</sup>C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<sup>14</sup>Cが用いられ、その後は効果的な[[肥料]]の開発にも同位体が使われる<ref>{{cite web |url=http://www.lib.kagawa-u.ac.jp/metadb/up/AN00038281/AN00038281_31_3_1.pdf |format=PDF |title=ラジオ・アイソトープの産業利用とその影響|author=植村福七|publisher=[[香川大学]]術情報リポジトリ|accessdate=2011-03-27|language=日本語}}</ref>。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。 |
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その他、炭素には半減期が非常に短い15種類の同位体が知られている。<sup>8</sup>Cは半減期1.98739x10<sup>−21</sup>秒で[[陽子放出]]や[[アルファ崩壊]]を起こす<ref>{{cite web |url=http://barwinski.net/isotopes/query_select.php |title=Use query for carbon-8 |accessdate=2007-12-21}}</ref>。<sup>19</sup>Cは風変わりな[[中性子ハロー]]の状態で存在する<ref>{{cite web |url=http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/286/5437/28?ck=nck |title=Beaming Into the Dark Corners of the Nuclear Kitchen | accessdate=2011-03-27|language=英語}}</ref>。 |
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* <sup>13</sup>C は核[[スピン角運動量|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。 |
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* [[炭素14|<sup>14</sup>C]]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。 |
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== 単体の性質 == |
== 単体の性質 == |
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=== 同素体 === |
=== 同素体 === |
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[[ファイル:Carbon basic phase diagram.png|right|250px|thumb| |
[[ファイル:Carbon basic phase diagram.png|right|250px|thumb|炭素の状態図。0.001GPは10気圧に相当する]] |
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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sp<sup>2</sup>[[混成軌道]]を形成し、正六角形の平面構造を |
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<ref name="therm prop">{{cite web |url=http://invsee.asu.edu/nmodules/Carbonmod/point.html |title=World of Carbon – Interactive Nano-visulisation in Science &Engineering Edukation (IN-VSEE)| accessdate=2011-03-27|language=英語}}</ref>。炭素同士が、sp<sup>2</sup>[[混成軌道]]を形成し、[[正六角形]]の[[平面]]構造を取った膜が重なったものが[[グラファイト]]になる<ref name=Sakura50 />。2009年、グラファイトの基本構造である薄い[[グラフェン]]は非常に高い硬度を持つことが判明した<ref name=lee>{{cite journal| author = C. Lee| title = Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene| url = http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/321/5887/385|journal = Science|volume = 321|year = 2008| page = 385| laysummary = http://www.aip.org/isns/reports/2008/027.html| pmid = 18635798| doi = 10.1126/science.1157996| last2 = Wei| first2 = X| last3 = Kysar| first3 = JW| last4 = Hone| first4 = J| issue = 5887}}</ref>。しかし、グラファイトから薄いグラフェンを経済的に剥ぎ取る技術は確立されておらず、事業性の確立は今後の開発を待つ必要がある<ref name="nypost">{{cite web|url = http://www.nypost.com/seven/08252008/news/regionalnews/toughest_stuff__known_to_man_125993.htm|title = Toughest Stuff Known to Man : Discovery Opens Door to Space Elevator|first = Bill|last = Sanderson|publisher = nypost.com|date = 2008-08-25| accessdate=2011-03-27|language=英語}}</ref>。また、炭素がsp<sup>3</sup>混成軌道を形成して[[正四面体]]の立体[[結晶構造]]を取った巨大分子となったものが[[ダイヤモンド]]となる<ref name=Sakura50 />。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。ダイヤモンドが炭素の同素体であることを示したのは[[アントワーヌ・ラヴォアジエ|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。 |
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木炭やススなどは結晶構造を持たない[[アモルファス]]状態であり「無定形炭素」と呼ばれる。この種類には、工業的に重要な[[炭素繊維]]や[[活性炭]]、[[コークス]]なども含まれる<ref name=Sakura52>[[#桜井1997|桜井 (1997)、p.52]]</ref>。 |
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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と考えられている。 |
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以上3種は古くから知られていたが、20世紀後半以降、球状のグラフェンである[[フラーレン]]<ref name="buckyballs"/><ref name="nanotubes">{{cite book|editor=Ebbesen, TW |year=1997 |title=Carbon nanotubes—preparation and properties |publisher=CRC Press|location=Boca Raton, Florida|isbn=0849396026}}</ref>や多分野での開発が進んでいる[[カーボンナノチューブ]]<ref name="nanotubes2">{{cite journal |editor=MS Dresselhaus, G Dresselhaus, Ph Avouris |year=2001 |title=Carbon nanotubes: synthesis, structures, properties and applications |journal=Topics in Applied Physics |volume=80| isbn = 3540410864 |publisher=Springer |location=Berlin}}</ref>、カーボンナノバッド[[:en:carbon nanobud|(en)]]<ref name="nanobuds">{{cite journal |year=2007 |title=A novel hybrid carbon material |journal=Nature Nanotechnology |volume=2 |pages=156–161 |doi=10.1038/nnano.2007.37 |author=Nasibulin, Albert G. |pmid=18654245 |last2=Pikhitsa |first2=PV |last3=Jiang |first3=H |last4=Brown |first4=DP |last5=Krasheninnikov |first5=AV |last6=Anisimov |first6=AS |last7=Queipo |first7=P |last8=Moisala |first8=A |last9=Gonzalez |first9=D |issue=3}}</ref>、カーボンナノファイバー[[:en:Carbon nanofiber|(en)]]<ref>{{cite journal |year=2007 |title=Investigations of NanoBud formation |journal=Chemical Physics Letters |volume=446 |pages=109–114 |doi=10.1016/j.cplett.2007.08.050 |author=Nasibulin, A |last2=Anisimov |first2=Anton S. |last3=Pikhitsa |first3=Peter V. |last4=Jiang |first4=Hua |last5=Brown |first5=David P. |last6=Choi |first6=Mansoo |last7=Kauppinen |first7=Esko I.}}</ref><ref>{{cite journal |year=2004 |title=Synthesis and characterisation of carbon nanofibers with macroscopic shaping formed by catalytic decomposition of C<sub>2</sub>H<sub>6</sub>/H<sub>2</sub> over nickel catalyst |journal=Applied Catalysis A |volume=274 |pages=1–8 |doi=10.1016/j.apcata.2004.04.008 |author=Vieira, R}}</ref>などや、[[ロンズデーライト]]<ref name="lonsdaletite">{{cite journal |year=1967 |title=Lonsdaleite, a new hexagonal polymorph of diamond |journal=Nature |volume=214 |pages=587–589 |doi=10.1038/214587a0 |first = Frondel|last = Clifford |last2=Marvin |first2=Ursula B.}}</ref>やガラス状炭素[[:en:Glassy carbon|(en)]]<ref name="glassy carbon"/>、カーボンナノフォーム[[:en:Carbon nanofoam|(en)]]<ref>{{cite journal |year=1999 |title=Structural analysis of a carbon foam formed by high pulse-rate laser ablation |journal=Applied Physics A-Materials Science & Processing |volume=69 |pages=S755–S758 |doi=10.1007/s003390051522 |author=Rode, A.V. |last2=Hyde |first2=S.T. |last3=Gamaly |first3=E.G. |last4=Elliman |first4=R.G. |last5=McKenzie |first5=D.R. |last6=Bulcock |first6=S.}}</ref>、[[カルビン]]<ref name=LAC>Carbyne and Carbynoid Structures Series: Physics and Chemistry of Materials with Low-Dimensional Structures, Vol. 21 Heimann, R.B.; Evsyukov, S.E.; Kavan, L. (Eds.) 1999, 452 p., ISBN 0-7923-5323-4</ref>等の複雑な構造を持つ炭素の同素体が多数発見されている。 |
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{| style="background-color: transparent" |
{| style="background-color: transparent" |
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|[[ファイル:Eight Allotropes of Carbon.png|270px|right|炭素の同素体（説明は右記参照）]] |
|[[ファイル:Eight Allotropes of Carbon.png|270px|right|炭素の同素体（説明は右記参照）]] |
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; a. [[ダイヤモンド]] |
; a. [[ダイヤモンド]] |
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: 立方晶系の結晶。産出量は少ないが産業的に利用可能な程度には豊富。宝石として、また工業用のカッターなどに利用。現在では[[ダイヤモンド#人工ダイヤモンド|人工ダイヤモンド]]の合成技術も確立され、実用化されている。 |
: 立方晶系の結晶。産出量は少ないが産業的に利用可能な程度には豊富。宝石として、また工業用のカッターなどに利用。現在では[[ダイヤモンド#人工ダイヤモンド|人工ダイヤモンド]]の合成技術も確立され、実用化されている。 |
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; b. [[グラファイト]]（黒鉛） |
; b. [[グラファイト]]（黒鉛、石墨） |
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: 六方晶系の結晶。板状の |
: 六方晶系の結晶であり、炭素の結晶としては最も一般的。板状のグラフェンが多数重なった構造で、平面同士の結びつきは弱く剥がれやすい<ref name=Newton2010 />。日常的なものとしては鉛筆の芯などに用いられる<ref name=Newton2010 />。 |
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; c. [[ロンズデーライト]]（六方晶ダイヤモンド） |
; c. [[ロンズデーライト]]（六方晶ダイヤモンド） |
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: 六方晶系の結晶。隕石中に極めて稀に見られる。今のところ非常に小さな結晶しか発見されていない。純粋なものはダイヤモンド |
: 六方晶系の結晶。隕石中に極めて稀に見られる。今のところ非常に小さな結晶しか発見されていない。純粋なものはダイヤモンドに近い硬度をもつと推測される<ref name="lonsdaletite"/>。 |
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; d,e,f. [[フラーレン]] |
; d,e,f. [[フラーレン]] |
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: 炭素原子からなる[[クラスター (物質科学)|クラスター]]の総称。天然には極めて稀に存在するとみられる。図dはいわゆるサッカーボール型の C<sub>60</sub> で「バックミンスター・フラーレン」と呼ばれる。図eは C<sub>540</sub> で、図fは C<sub>70</sub> である。 |
: 炭素原子からなる[[クラスター (物質科学)|クラスター]]の総称。天然には極めて稀に存在するとみられる。図dはいわゆるサッカーボール型の C<sub>60</sub> で「バックミンスター・フラーレン」と呼ばれる<ref name="buckyballs"/>。図eは C<sub>540</sub> で、図fは C<sub>70</sub> である。 |
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; g. 無定形炭素 |
; g. 無定形炭素 |
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: (a) と (b) の2種の構造が混在した状態（[[アモルファス|非晶質]]）。[[木炭]]や[[活性炭]]などの一般的な[[炭]]は、これに不純物が含まれたものである。 |
: (a) と (b) の2種の構造が混在した状態（[[アモルファス|非晶質]]）。[[木炭]]や[[活性炭]]などの一般的な[[炭]]は、これに不純物が含まれたものである。 |
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; h. [[カーボンナノチューブ]] |
; h. [[カーボンナノチューブ]] |
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: |
: グラフェンが[[円筒]]状に巻かれた構造のもの<ref name="nanotubes"/><ref name="nanotubes2"/>。同じ重量の鋼鉄と比較すると80倍の強度を持ちながら60度ほどの屈曲にも耐える弾力性を持つ<ref name=Newton2010 />。1層のものから多層構造を持つものがある。これに近いものとして、筒の一方が閉じた角状のものを'''[[カーボンナノホーン]]'''と呼ぶ。 |
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|} |
|} |
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[[Image:Mechanical pencil lead spilling out 051907.jpg|thumb|right|200px|シャープペンシルの芯。グラファイトから製造される。]] |
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[[Image:Kohlenstofffasermatte.jpg|thumb|right|200px|炭素繊維。アモルファス炭素の使用例。]] |
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=== 生産と用途 === |
=== 生産と用途 === |
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| ⚫ | 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2010年度日本国内生産量は723,159tである<ref>{{cite journal| author = | title =2010年生産量3年ぶりプラスに カーボンブラック| url = http://www.kagakukogyonippo.com/headline/2011/02/15-533.html|date = 2011-02-15|publisher=[[化学工業日報]]|accessdate=2011-03-27|language=日本語}}</ref>。 |
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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。 |
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天然のほか、コークスの成形焼結などでも製造される<ref name=Kagaku1592>[[#化学商品1996|化学商品 (1996)、p.1592、【黒鉛・人造黒鉛】]]</ref>黒鉛は、[[電池]]等の[[電極]]剤や[[鉛筆]]の芯、[[るつぼ]]、[[塗料]]などに使われる<ref name=Kagaku102 />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[[マグノックス炉|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<ref>{{cite web |url=http://www.enecho.meti.go.jp/genshi-az/keyword/keyword_ka.html |title=【黒鉛】 原子力用語集 カ行|publisher=[[経済産業省]]資源エネルギー庁|accessdate=2011-03-27}}</ref><ref>{{cite web |url=http://www.aec.go.jp/jicst/NC/about/hakusho/wp1959/sb202.htm |title=各国原子炉開発の動向|publisher=[[内閣府]]原子力委員会|accessdate=2011-03-27|language=日本語}}</ref>。 |
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黒鉛から人工ダイヤモンドを作る技術は1880年頃から取り組まれ、1953年頃には3000度13万気圧下で実現し、年間1億[[カラット]]以上が生産されている<ref name=Sakura50 />。ダイヤモンドは宝飾用のほかカッターや[[研磨材]]また[[電極]]としても利用されている<ref>[[#桜井1997|桜井 (1997)、pp.50-51]]</ref>。さらには次世代型[[半導体]]としても研究されている<ref>{{cite web |url=http://www.jst.go.jp/kisoken/seika/zensen/04ookushi/index.html |title=「夢」ではなくなったダイヤモンド半導体|author=大串秀世|publisher=独立行政法人科学技術振興機構|accessdate=2011-03-27|language=日本語}}</ref>。 |
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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[[マグノックス炉|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。 |
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[[アクリロニトリル]]を無酸素状態で[[熱分解]]し製造する炭素繊維は、軽くて強度や弾力に優れることから、[[船舶]]および[[航空機]]・[[宇宙船]]から[[スポーツ]]用具まで幅広い用途において[[金属]]を代替する素材として使用されている<ref name=Sakura52 />。活性炭は[[ヤシ]]の殻を蒸し焼きにする方法に加え、廃[[タイヤ]]から製造する方法も開発された。前者は[[冷蔵庫]]などの[[脱臭剤]]でよく使われ、後者は吸着力を利用した河川浄化など土木分野での利用が検討されている<ref name=Sakura52 />。 |
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[[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。2006年度世界生産量は4億7800万トンであり、その半分以上を[[中国]]が占めた<ref>{{cite web |url=http://www.stat.go.jp/data/sekai/05.htm#h5-09 |title=統計データ 第5章 鉱工業9 工業生産量‐化学・石油・セメント[統計表]|publisher=[[総務省]]|accessdate=2011-03-27|language=日本語}}</ref>。油を燃やして得られる[[タイヤ]]着色等に使われる一般的な[[カーボンブラック]]<ref name=Kagaku1067>[[#化学商品1996|化学商品 (1996)、pp.1067-1069、【カーボンブラック】]]</ref>は水素を0.3-0.8%程度含むが、[[アセチレン]]を熱分解または[[爆発]]させて製造する[[アセチレンブラック]]は水素含有率0.04%と低く鎖状構造を作りやすい。そのため、[[導電性]]が要求される素材に用いられる<ref name=Kagaku102 />。 |
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== 化合物 == |
== 化合物 == |
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[[File:Polyethylene-3D-vdW.png|thumb|right|200px|[[ポリエチレン]]。炭素は長鎖状に結合し、[[高分子]]をつくることができる。]] |
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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]]、[[炭化物]]等を除き、炭素の化合物は |
炭素は多様な[[炭素化合物|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<ref name=lanl>{{cite web|author=Chemistry Operations|date=December 15, 2003|url=http://periodic.lanl.gov/elements/6.html|title=Carbon|publisher=Los Alamos National Laboratory| accessdate=2011-03-27|language=英語}}</ref>。[[二酸化炭素]]や[[一酸化炭素]]、[[炭酸]]、[[炭化物]]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。 |
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無機化合物として一般的な[[二酸化炭素]] (CO<sub>2</sub>) 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。 |
無機化合物として一般的な[[二酸化炭素]] (CO<sub>2</sub>) 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。 |
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※''オキソ酸塩名称の'-'には[[カチオン]]種の名称が入る。'' |
※''オキソ酸塩名称の'-'には[[カチオン]]種の名称が入る。'' |
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== 安全と注意 == |
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純粋な炭素は人体に及ぼす毒性が非常に低く、グラファイトや木炭は安全に摂取することもできる。ただし不溶性で化学反応も起こしにくく、消化液の酸にも変化しない。そのため、一度組織内に入り込んだ炭素は長く残留する傾向にある。[[カーボンブラック]]はこの性質から[[入墨]]に使われた初期の素材のひとつと想像され、その一例に[[アイスマン]]の入墨は生前そして死後5200年間消えずに残っていた<ref>{{cite journal|first = Leopold|last = Dorfer|year = 1998|title = 5200-year old acupuncture in Central Europe?|journal = Science|volume = 282|pages = 242–243|doi = 10.1126/science.282.5387.239f|pmid = 9841386|last2 = Moser|first2 = M|last3 = Spindler|first3 = K|last4 = Bahr|first4 = F|last5 = Egarter-Vigl|first5 = E|last6 = Dohr|first6 = G|issue = 5387}}</ref>。しかし石炭粉やスス、カーボンブラック類を肺へ大量に吸入することは危険であり、肺組織への刺激から炭田労働者に肺鬱血病から[[塵肺]]を引き起こすこともある。同様に、研磨工程で生じるダイヤモンド粉を吸入または摂取してしまうことも危険である。[[ディーゼルエンジン]]の排出ガスに含まれる微細炭素粒子も肺に蓄積し悪影響を与える可能性がある<ref>{{cite journal|last = Donaldson|first = K|year = 2001|title = Ultrafine particles|journal = Occupational and Environmental Medicine|volume = 58|pages = 211–216|url = http://oem.bmj.com/cgi/content/extract/58/3/211|doi = 10.1136/oem.58.3.211|pmid = 11171936|last2 = Stone|first2 = V|last3 = Clouter|first3 = A|last4 = Renwick|first4 = L|last5 = MacNee|first5 = W|issue = 3|pmc = 1740105}}</ref>。また、[[眼]]に入ると粘膜を刺激するため、取扱の際には保護メガネ着用が望まれる<ref name=Kagaku102 />。 |
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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。 |
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このような低毒性は地球生物のほとんどに当てはまるが若干の例外もあり、例えば[[ショウジョウバエ]]には炭素の微細粒子は致命的な毒性を発揮する<ref>{{cite web|url = http://www.sciencedaily.com/releases/2009/08/090807103921.htm |title = Carbon Nanoparticles Toxic To Adult Fruit Flies But Benign To Young |publisher = ScienceDaily |date = Aug. 17, 2009 | accessdate=2011-03-27|language=英語}}</ref>。 |
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== 関連項目 == |
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*[[炭素税]] |
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*[[炭素星]] |
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== 参考文献 == |
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*{{Cite book| 和書|year=1998年（初版1997年）|title=元素111の新知識|edition=第六刷|publisher=[[講談社]]|author=桜井弘 |isbn=4-06-257192-7|pages=49-55|ref=桜井1997}} |
|||
*{{Cite book|和書|author=青木和光|year=2004年|title=物質の宇宙史|publisher=[[新日本出版社]]|edition=初版|isbn=4-406-03068-9|ref=青木2004}} |
|||
*{{Cite book|和書|year=1996年|title=12996の化学商品|publisher=[[化学工業日報]]|edition= |isbn=4-87326-204-6|ref=化学商品1996}} |
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== 脚注 == |
== 脚注 == |
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=== 注釈 === |
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<references /> |
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{{脚注ヘルプ}} |
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{{Reflist|group="注"}} |
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=== 脚注 === |
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{{Reflist|2}} |
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=== 脚注2 === |
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本脚注は、出典・脚注内で提示されている「出典」を示しています。 |
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{{Reflist|group="2-"}} |
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== 外部リンク == |
== 外部リンク == |
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2011年4月1日 (金) 14:29時点における版
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| 外見 | |||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
透明(ダイヤモンド), 黒色(グラファイト)
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| 一般特性 | |||||||||||||||||||||||||
| 名称, 記号, 番号 | 炭素, C, 6 | ||||||||||||||||||||||||
| 分類 | 非金属元素 | ||||||||||||||||||||||||
| 族, 周期, ブロック | 14, 2, p | ||||||||||||||||||||||||
| 原子量 | 12.0107 | ||||||||||||||||||||||||
| 電子配置 | 1s2 2s2 2p2 or [He] 2s2 2p2[1] | ||||||||||||||||||||||||
| 電子殻 | 2,4（画像） | ||||||||||||||||||||||||
| 物理特性 | |||||||||||||||||||||||||
| 相 | 固体 | ||||||||||||||||||||||||
| 密度（室温付近） | 非結晶質:[2] 1.8 - 2.1 g/cm3 | ||||||||||||||||||||||||
| 密度（室温付近） | グラファイト: 2.260[1] g/cm3 | ||||||||||||||||||||||||
| 密度（室温付近） | ダイヤモンド: 3.513[1] g/cm3 | ||||||||||||||||||||||||
| 昇華点 | 3915 K, 3642 °C, 6588 °F | ||||||||||||||||||||||||
| 三重点 | 4600 K (4327 °C), 10800[3][4] kPa | ||||||||||||||||||||||||
| 融解熱 | 117 (グラファイト) kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||
| 熱容量 | (25 °C) 8.517(グラファイト), 6.155(ダイヤモンド) J/(mol·K) | ||||||||||||||||||||||||
| 原子特性 | |||||||||||||||||||||||||
| 酸化数 | 4, 3 [5], 2, 1 [6], 0, -1, -2, -3, -4[7] | ||||||||||||||||||||||||
| 電気陰性度 | 2.55（ポーリングの値） | ||||||||||||||||||||||||
| イオン化エネルギー | 第1： 1086.5 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||
| 第2： 2352.6 kJ/mol | |||||||||||||||||||||||||
| 第3： 4620.5 kJ/mol | |||||||||||||||||||||||||
| 共有結合半径 | 77(sp3), 73(sp2), 69(sp) pm | ||||||||||||||||||||||||
| ファンデルワールス半径 | 170 pm | ||||||||||||||||||||||||
| その他 | |||||||||||||||||||||||||
| 磁性 | 反磁性[9] | ||||||||||||||||||||||||
| 熱伝導率 | (300 K) 119-165 (グラファイト) 900-2300 (ダイヤモンド) W/(m⋅K) | ||||||||||||||||||||||||
| 熱膨張率 | (25 °C) 0.8 (ダイヤモンド) [10] μm/(m⋅K) | ||||||||||||||||||||||||
| 音の伝わる速さ （微細ロッド） |
(20 °C) 18350 (ダイヤモンド) m/s | ||||||||||||||||||||||||
| ヤング率 | 1050 (ダイヤモンド) [10] GPa | ||||||||||||||||||||||||
| 剛性率 | 478 (ダイヤモンド) [10] GPa | ||||||||||||||||||||||||
| 体積弾性率 | 442 (ダイヤモンド) [10] GPa | ||||||||||||||||||||||||
| ポアソン比 | 0.1 (ダイヤモンド) [10] | ||||||||||||||||||||||||
| モース硬度 | 1-2 (グラファイト) 10 (ダイヤモンド) | ||||||||||||||||||||||||
| CAS登録番号 | 7440-44-0[8] | ||||||||||||||||||||||||
| 主な同位体 | |||||||||||||||||||||||||
| 詳細は炭素の同位体を参照 | |||||||||||||||||||||||||
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炭素（たんそ、羅: Carbonium、英: carbon、カーボン）は、原子番号 が6 の元素で、元素記号は Cである。 非金属元素であり周期表では第14族元素（炭素族元素）および第2周期元素に属する。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る。
炭素-炭素結合で有機物の基本骨格をつくり、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。
英語のcarbonは、1787年にフランスの化学者トモルボーが「木炭」を指すラテン語carboから[11]名づけたフランス語のcarboneが転じた[1]。ドイツ語のKohlenstoffも「炭の物質」を意味する[1]。日本語の「炭素」という語は宇田川榕菴が著作『舎密開宗』にて用いたのがはじめとされる。
特徴
非金属の炭素には、4つの外殻電子と4つの空席がある。そのため、価電化数4[12]と元素の中でも最も多い4組の共有結合を持つことが可能であり、この特徴から多様な分子をつくる骨格となる[13][14]。炭素が他の元素と結びついて作る化合物の種類は約5400万種にのぼる[12]。
融点や昇華起こす温度は全元素の中で最も高い。常圧下では融点を持たず、三重点は10.8 ± 0.2メガパスカル、4600 ± 300Kであり[3][4]、昇華は約3900Kで起こる[15][16]。
炭素原子同士の共有結合は非常に堅牢であり[12]、それがつくる単体において自然物としては最も硬いことで知られるダイヤモンドから最も柔らかい部類に入るグラファイトまで、幅広い形態や同素体を持つ。
歴史
炭素の単体は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[1][17]。ダイヤモンドの存在も紀元前2500年頃の古代中国では知られており、古代ローマでは今日と同様に木から木炭を得ていた。古代エジプトでも、粘土で密封したピラミッドの中から空気を抜くために木を熱する方法が用いられた[18][19]。そのため、特定の元素発見者はいない[1]。
1722年ルネ・レオミュールは鉄が鋼となるには何かしらの物質を吸収することを示したが、現在ではそれは炭素であることが明らかとなった[20]。1772年にはアントワーヌ・ラヴォアジエが燃焼によって水が生じず、重量あたり同じ比率の二酸化炭素を生じることを確かめ、ダイヤモンドが炭素の単体であることを証明した[21]。1779年にカール・ヴィルヘルム・シェーレは、グラファイトが従来考えられていたように鉛の一形態ではないと示し[21]、1786年にクロード・ルイ・ベルトレー、ガスパール・モンジュ(en)、C.A.ヴァンデスモンドが炭素であることを明らかにした[22]。彼らがこれを知らしめた際、この元素にラテン語 Carboniumから取ったcarboneという名をつけ、ラヴォアジエが1789年に纏めた元素のテキストに採録された[21]。
同素体フラーレンが発見されたのは1985年であり[23]、同じくナノ構造体としてはバッキーボールズ(en)やカーボンナノチューブも見つかった[24]。これらの発見は1996年ノーベル化学賞の授与対象となった[25][26]。これらに触発された更なる同素体探査の結果、「ガラス状炭素(en)」や、厳密には無定形ではないが名づけられた「無定形炭素(en)」等の発見へ繋がった[27]。
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[28]。しかし、その後形成された恒星内でトリプルアルファ反応によるヘリウム燃焼過程でエネルギーを放出しながら炭素が生成される[29]。こうして作られた炭素は、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[30]。
宇宙での存在比は水素、ヘリウム、酸素に次いで多い[31]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[32]。
地球での存在と循環
地球上では、化合物として大気・海・地中に広く存在する。地殻中の元素の存在度では15番目に多い炭素[31]の約9割が地殻中に存在し、中でも還元された形、すなわち炭素粒・石油・石炭・天然ガス中が3/4以上を占める。1/4が炭酸塩の岩石（石灰岩、苦灰岩 (CaMg(CO3)2)、結晶質石灰岩など）である。海洋など水に溶け込んだ炭酸も多く、その量は炭素量で36兆トン存在する。ついで生物圏に1兆9000億トン、大気圏の二酸化炭素として8100億トンがある。
埋蔵石化燃料として石炭が9000億トン、石油は1500億トン、天然ガスが1050億トンに加えさらにシェールガスのような採掘しにくい形態で別に5400億トンの存在が見込まれている[33]。これらとは別に、メタンハイドレードとして極地に封じられ、これの炭素量はシベリアの永久凍土層だけでも1兆4000億トンと見積もられる[34]。
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。
→詳細は「炭素循環」を参照
惑星上では、ある元素が他の元素に転換することは非常に稀である。したがって、地球に含まれる全炭素量はほぼ一定である。そのため、炭素を用いる過程はどこかでそれを獲得し、また放出することが必要となる。このような経路は、二酸化炭素の形で循環する体系を形成する。例えば、植物は生育地の環境内で、呼吸によって二酸化炭素を放出する一方、光のエネルギーを用いて吸収した二酸化炭素から炭素を固定するカルヴィン回路を働かせ、植物組織を形成する。動物は植物を食べて炭素を吸収し、呼吸によって一部を排出する。このような短期的な循環だけでなく、より複雑な炭素循環も機能する。例えば海洋は二酸化炭素を溶かし込み、枯れた植物や動物の死体は、バクテリア等が消化しないと地中で石油や石炭などの形で炭素をとどめることもある。それらが化石燃料として利用されれば、燃焼によって再び炭素は放出される[35]。
鉱物
石炭は商業的にも重要な炭素供給元であり、無煙炭では炭素含有率は92-98%にまでなる[36]。これに石油や天然ガスなどを加えた炭素資源は、そのほとんどを燃料として利用している[37]。
天然の黒鉛（石墨[8]、グラファイト）は世界中に分布するが、産出が多い地域は中国、インド、ブラジル、北朝鮮である[38]。天然のダイヤモンドは歴史的に南インド産が有名だが[39]、18世紀にブラジルで発見され[40]、その後南アフリカでも採掘され[41]、現在の主要産出国にはロシア、ボツワナ、オーストラリア、コンゴ民主共和国が名を連ねる[42]。近年ではカナダ、ジンバブエ、アンゴラでも鉱山が開かれ[41]、アメリカ合衆国でも発見されている[43]。
同位体
→詳細は「炭素の同位体」を参照
原子核に6つの陽子を含む炭素原子には、3種類の同位体、12C（存在比 98.93%）、13C（1.07%）、14C（微量）が自然界で存在し[44]、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[45]、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、地球上の存在比が百京分の一[46]、大気中では1兆分の一程度でしかなく[47]、泥土や有機物の中に含まれている[46]。半減期約5730 年の放射性同位体であり[44]、ベータ崩壊を起こして窒素原子に変化する[48]。しかし、成層圏において大気中の窒素と宇宙線（中性子）が反応して常時新たに生成されている[48][49]。そのため古い石や化石などの閉じた系では時間とともに存在比が低くなることが知られ[49]、考古学や標本の分野で4万年スケール、最大6万年の[47]時代判定を行う放射性炭素年代測定法に使用したり[48][50][51]、過去の宇宙線強度が変化した様子を通じて太陽活動[47]や地球磁場の変遷[47]を分析するために使われる。
他にも、生物学や医学の分野でも14C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14Cが用いられ、その後は効果的な肥料の開発にも同位体が使われる[52]。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。
その他、炭素には半減期が非常に短い15種類の同位体が知られている。8Cは半減期1.98739x10−21秒で陽子放出やアルファ崩壊を起こす[53]。19Cは風変わりな中性子ハローの状態で存在する[54]。
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[55]。炭素同士が、sp2混成軌道を形成し、正六角形の平面構造を取った膜が重なったものがグラファイトになる[48]。2009年、グラファイトの基本構造である薄いグラフェンは非常に高い硬度を持つことが判明した[56]。しかし、グラファイトから薄いグラフェンを経済的に剥ぎ取る技術は確立されておらず、事業性の確立は今後の開発を待つ必要がある[57]。また、炭素がsp3混成軌道を形成して正四面体の立体結晶構造を取った巨大分子となったものがダイヤモンドとなる[48]。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。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。
木炭やススなどは結晶構造を持たないアモルファス状態であり「無定形炭素」と呼ばれる。この種類には、工業的に重要な炭素繊維や活性炭、コークスなども含まれる[58]。
以上3種は古くから知られていたが、20世紀後半以降、球状のグラフェンであるフラーレン[24][59]や多分野での開発が進んでいるカーボンナノチューブ[60]、カーボンナノバッド(en)[61]、カーボンナノファイバー(en)[62][63]などや、ロンズデーライト[64]やガラス状炭素(en)[27]、カーボンナノフォーム(en)[65]、カルビン[66]等の複雑な構造を持つ炭素の同素体が多数発見されている。
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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2010年度日本国内生産量は723,159tである[67]。
天然のほか、コークスの成形焼結などでも製造される[68]黒鉛は、電池等の電極剤や鉛筆の芯、るつぼ、塗料などに使われる[8]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[69][70]。
黒鉛から人工ダイヤモンドを作る技術は1880年頃から取り組まれ、1953年頃には3000度13万気圧下で実現し、年間1億カラット以上が生産されている[48]。ダイヤモンドは宝飾用のほかカッターや研磨材また電極としても利用されている[71]。さらには次世代型半導体としても研究されている[72]。
アクリロニトリルを無酸素状態で熱分解し製造する炭素繊維は、軽くて強度や弾力に優れることから、船舶および航空機・宇宙船からスポーツ用具まで幅広い用途において金属を代替する素材として使用されている[58]。活性炭はヤシの殻を蒸し焼きにする方法に加え、廃タイヤから製造する方法も開発された。前者は冷蔵庫などの脱臭剤でよく使われ、後者は吸着力を利用した河川浄化など土木分野での利用が検討されている[58]。
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。2006年度世界生産量は4億7800万トンであり、その半分以上を中国が占めた[73]。油を燃やして得られるタイヤ着色等に使われる一般的なカーボンブラック[74]は水素を0.3-0.8%程度含むが、アセチレンを熱分解または爆発させて製造するアセチレンブラックは水素含有率0.04%と低く鎖状構造を作りやすい。そのため、導電性が要求される素材に用いられる[8]。
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[13]。二酸化炭素や一酸化炭素、炭酸、炭化物等を除き、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 (C22-) 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。
| オキソ酸の名称 | 化学式 | 構造式 | オキソ酸塩の名称 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 炭酸 (carbonic acid) |
H2CO3 | 炭酸塩 ( - carbonate ) |
遊離酸は単離できない。塩は安定。 | |
| 過炭酸（ペルオキソ一炭酸） (peroxomono carbonic acid) |
H2CO4 | 過炭酸塩 ( - peroxomono cabonite ) |
遊離酸は単離できない。塩は安定。 |
※オキソ酸塩名称の'-'にはカチオン種の名称が入る。
安全と注意
純粋な炭素は人体に及ぼす毒性が非常に低く、グラファイトや木炭は安全に摂取することもできる。ただし不溶性で化学反応も起こしにくく、消化液の酸にも変化しない。そのため、一度組織内に入り込んだ炭素は長く残留する傾向にある。カーボンブラックはこの性質から入墨に使われた初期の素材のひとつと想像され、その一例にアイスマンの入墨は生前そして死後5200年間消えずに残っていた[75]。しかし石炭粉やスス、カーボンブラック類を肺へ大量に吸入することは危険であり、肺組織への刺激から炭田労働者に肺鬱血病から塵肺を引き起こすこともある。同様に、研磨工程で生じるダイヤモンド粉を吸入または摂取してしまうことも危険である。ディーゼルエンジンの排出ガスに含まれる微細炭素粒子も肺に蓄積し悪影響を与える可能性がある[76]。また、眼に入ると粘膜を刺激するため、取扱の際には保護メガネ着用が望まれる[8]。
このような低毒性は地球生物のほとんどに当てはまるが若干の例外もあり、例えばショウジョウバエには炭素の微細粒子は致命的な毒性を発揮する[77]。
関連項目
参考文献
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脚注
注釈
脚注
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脚注2
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外部リンク
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| 2 | Li | Be | B | C | N | O | F | Ne | |||||||||||||||||||||||||
| 3 | Na | Mg | Al | Si | P | S | Cl | Ar | |||||||||||||||||||||||||
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