炭素(14族)とその化合物
炭素Cの同素体 無数に存在するので, 代表的なものを示す.
同素体 | ダイヤモンド | 黒鉛(グラファイト)
結晶構造 | 共有結合結晶 | 共有結合結晶
硬さ | 非常に硬い | 柔らかい
電気伝導性 | なし | 導体
用途 | 宝石, 研磨剤 | 鉛筆の芯, 電極
同素体 | フラーレン | カーボンナノチューブ(CNT)
結晶構造 | 共有結合結晶 | 共有結合結晶
電気伝導性 | なし(注1) | 導体または半導体
ダイヤモンド 4つの価電子が全て共有結合した正四面体構造.
天然物の中では熱伝導率が最大(金属で最大の銀の5倍).
黒鉛 3つの価電子が共有結合した正六角形の平面が, 分子間力で層状に重なる.
1つの余った価電子が自由電子のように振舞うため, 電気伝導性を示す.
黒鉛の層の一層だけ取り出した平面構造をグラフェンという.
フラーレン 炭素の同素体のうち, 球状の大型分子の総称. C₆₀ や C₇₀ など.
代表はサッカーボール型の C₆₀.
カーボンナノチューブ グラフェンが円筒状になった構造. 軽くて強い.
巻き方や太さの違いで電気伝導性が変わり, 多様な特性をもつ.
無定形炭素 炭素の同素体のうち, はっきりした結晶構造を示さないものの総称.
無定形炭素の表面積を増やしたものを活性炭という.
吸着力が大きいので脱色剤や脱臭剤に利用.
炭素繊維 合成繊維などを高温で炭化させた繊維(カーボンファイバー).
軽くて強く, 弾性に富む. テニスラケット, 釣り竿, 飛行機の機体に利用.
ダイヤモンドは, C原子1個あたり2個のC–C結合をもつ.
1個のC原子はC原子4個と結合しているが, 1つの結合をC原子2個で共有しているからである.
注1 フラーレンは, その分子内に他の原子を内包することができる.
フラーレンは絶縁体だが, アルカリ金属を内包したものは超伝導性を示す.
一酸化炭素 CO
実験的製法
① ギ酸に濃硫酸(触媒)を加えて加熱する.
HCOOH →(H₂SO₄, 加熱)→ H₂O + CO↑ (濃硫酸の脱水作用)
② シュウ酸に濃硫酸(触媒)を加えて加熱する.
(COOH)₂ →(H₂SO₄, 加熱)→ H₂O + CO↑ + CO₂↑ (濃硫酸の脱水作用)
工業的製法
加熱したコークスCと水を反応させる.
C + H₂O → CO + H₂ (COとH₂の混合物＝水性ガス)
性質
① 水に難溶(中性)の有毒気体.
② 点火すると青い炎を出して燃え, 酸化してCO₂になる(高温で還元力を持つ).
例 Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
多くの有毒の気体は有色や有臭だが, COは無色無臭なので気付きにくく, 非常に危険である.
血液は, 赤血球中のヘモグロビンと酸素が結合することで酸素を全身に運搬している.
COは酸素よりもヘモグロビンと結合しやすいので, 酸素を運ぶ機能を妨げる(一酸化炭素中毒).
二酸化炭素 CO₂
実験的製法
① 石灰石に塩酸を加える.
CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂↑ (弱酸の遊離)
② 石灰石を強熱して分解する.
CaCO₃ →(加熱)→ CaO + CO₂↑
(塩基性酸化物 + 酸性酸化物 → 塩 の逆反応)
性質
① 水に溶けて弱酸性を示す.
CO₂ + H₂O ⇄ H⁺ + HCO₃⁻
② 石灰水(水酸化カルシウム水溶液)を白濁させる.
Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓(白濁) + H₂O
(塩基 + 酸性酸化物 → 塩 + 水)
実験的製法①は弱酸の遊離反応だが, CaCO₃ + H₂SO₄ は不可.
水に難溶性の塩である CaSO₄ で石灰石 CaCO₃ が覆われ, 反応が停止する.
CO₂ や CH₄ は, 地表から放射される赤外線を吸収し, 地表に再放射する性質をもつ(温室効果ガス).
