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炭素

辞書:科学用語の基礎知識 原子元素・名称編上 (NELEMN1)
読み:たんそ
外語:C: Carbonium 学名 , Carbon 英語 , Kohlenstoff ドイツ語 , Carbone フランス語 , Carbono スペイン語 , Углерод ロシア語 , كربون アラビア語 , 支那語(大陸・台湾) , karbon/o エスペラント
品詞:名詞
2001/05/06 作成
2013/06/16 更新

14族に属する半金属元素

基本情報

一般情報

原子情報

  • 原子量: 12.0107(8)
  • 電子配置:
    • 1s2、2s2、2p2
    • [He]2s2、2p2
  • 電子殻: 2、4
  • 原子価: 4
  • 酸化数: −4、0、+2、+4

物理特性

同位体

質量数は、8から23までが確認されている。安定同位体は二つある。

  • 12C
  • 13C
同位体核種天然存在比半減期崩壊崩壊後生成物
8C 2陽子放射6Be
9C β+崩壊9B
10C19.255秒β+崩壊10B
11C20.39分β+崩壊11B
EC崩壊11B
12C98.90%安定核種(中性子数6)
13C1.10%安定核種(中性子数7)
14C1.2×10−10%5730年β崩壊14N
15C2.449秒β崩壊15N
16C747m秒β崩壊16N
17C β崩壊17N
18C β崩壊18N
19C β崩壊19N
20C β崩壊19N
21C 中性子放射20C
22C β崩壊22N
23C   

質量数が16以上になると複雑な崩壊をする。1ないし2回の中性子放射が生じうる。

単体では、ダイアモンド黒鉛(グラファイト)として存在する。他に結晶構造を持たない無定型炭素(アモルファス炭素)や、球状あるいはチューブ状に結合したフラーレンなどがある。

化合物としては蛋白質を始めとした全ての有機物に含まれている。

同素体

黒鉛(グラファイト)

黒鉛は電気の良導体であり、乾電池の陽極などに使われている。

他に黒いことから鉛筆の芯など、日常で幅広く用いられる。

融点3500℃程度、沸点5000℃程度。CAS番号は7782-42-5。

共有結合で六角形の平面を作り、それら同士は自由電子で結び付いている。この構造のため、層にはがれやすい。また、自由電子のため電気伝導性がある。

ダイアモンド

同素体ダイアモンド(ダイヤモンド)は、各炭素が正四面体に共有結合をしている。モース硬度10で、天然物質としては最高硬度であり熱膨張率が最も低い。

これを利用して研磨材などに使われるほか、その美しさから宝石としても珍重される。

また黒鉛とは異なり不導体である。

融点3500℃程度、沸点5000℃程度。CAS番号は7782-40-3。

フラーレン

同素体のフラーレンはナノカーボン素材として使われている。最初に発見されたのはC60で、サッカーボールの形をしている。

CAS番号は99685-96-8や131159-39-2などが確認されており、炭素数で分類されている。

炭素年代測定

放射性同位体である炭素14(14C)を用いた年代測定がよく使われている。

なお、炭素の半減期は約5730年であるが、炭素法では国際的取り決めにより半減期5568年として計算することになっている。

危険性

  • 引火点: (該当資料なし)
  • 発火点: (該当資料なし)
  • 爆発限界: (該当資料なし)

有害性

  • 刺激
    • 腐食性: (該当資料なし)
    • 刺激性: (該当資料なし)
    • 感作性: (該当資料なし)
  • 毒性
    • 急性毒性: (該当資料なし)
    • 慢性毒性: (該当資料なし)
    • がん原性: (該当資料なし)
    • 変異原性: (該当資料なし)
    • 生殖毒性: (該当資料なし)
    • 催畸形性: (該当資料なし)
    • 神経毒性: (該当資料なし)

環境影響

  • 分解性: (該当資料なし)
  • 蓄積性: (該当資料なし)
  • 魚毒性: (該当資料なし)

古くから存在は知られていたが、元素として考えられるようになったのは18世紀から。

名前の由来は、ラテン語で木炭や炭を意味する "carbo" から。

種類

炭素はさまざまな物質を作ることができ、その数は一説では1000万以上。

炭素を含む物質のうち、一酸化炭素二酸化炭素および炭酸塩や青酸塩などを除く炭素化合物は有機物と呼ばれる。

炭素オキソ酸

炭素は、オキソ酸として炭酸(H2CO3)を作る。炭酸は単離できないが、様々な塩を作る。

炭酸はpHによってどのような状態にあるかが概ね決まり、pH6.5付近を境に、酸性側では二酸化炭素(CO2)、アルカリ側では炭酸水素イオン(HCO3)となる。強アルカリでは炭酸イオン(CO32−)になる。

  1. CO2 + H2O ↔ H2CO3
  2. H2CO3 ↔ H+ + HCO3
  3. HCO3 ↔ H+ + CO32−

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