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炭素

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2024/04/09 12:08 UTC 版)

単体の性質

同素体

炭素は4本の共有結合ができ、結合の状態によって数種類の同素体を形成する^[59]。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^[51]。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^[60]。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^[61]。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^[51]。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、まった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され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^[62]。

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^[25]^[63]や多分野での開発が進んでいるカーボンナノチューブ^[64]、カーボンナノバッド^[65]、カーボンナノファイバー（英語版）^[66]^[67]などや、ロンズデーライト^[68]やガラス状炭素^[28]、カーボンナノフォーム^[69]、カルビン^[70]など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。

a. ダイヤモンド: 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。現在では合成ダイヤモンドの開発技術も確立され、実用化されている。
b. グラファイト（黒鉛、石墨）: 六方晶系の結晶であり、炭素の結晶としてはもっとも一般的。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^[13]。日常的なものとしては鉛筆の芯などに用いられる^[13]。
c. ロンズデーライト（六方晶ダイヤモンド）: 六方晶系の結晶。隕石中にきわめて稀に見られる。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^[68]。
d, e, f. フラーレン: 炭素原子からなるクラスターの総称。天然にはきわ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C₆₀で「バックミンスターフラーレン」と呼ばれる^[25]。図eはC₅₄₀で、図f はC₇₀である。
g. 無定形炭素: （a）と（b）の2種の構造が混在した状態（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。
h. カーボンナノチューブ: グラフェンが円筒状に巻かれた構造のもの^[63]^[64]。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^[13]。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。

生産と用途

炭素の単体は形状によってさまざま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、きわめて幅広い用途に用いられている。カーボンブラックの平成22年（2010年）度日本国内生産量は72万3,159トンである^[71]。

天然のほか、コークスの成形焼結などでも製造される^[72]黒鉛は、電池など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^[73]^[74]。

黒鉛から人工ダイヤモンドを作る技術は1880年ごろから取り組まれ、昭和28年（1953年）ごろには3000℃、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^[51]。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^[75]。さらには次世代型半導体としても研究されている^[76]。

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^[62]。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^[62]。

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。平成18年（2006年）度世界生産量は4億7,800万トンであり、その半分以上を中国が占めた^[77]。油を燃やして得られるタイヤ着色などに使われる一般的なカーボンブラック^[78]は水素を0.3 - 0.8パーセント程度含むが、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パーセント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]。

脚注

^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ ^j 桜井 1997, p. 49.
^ Chemical Rubber Company Handbook of Chemistry and Physics, 59th Edition, CRC Press, Inc, 1979
^ ^a ^b Haaland, D (1976). “Graphite-liquid-vapor triple point pressure and the density of liquid carbon☆☆☆”. Carbon 14: 357. doi:10.1016/0008-6223(76)90010-5.
^ ^a ^b Savvatimskiy, A (2005). “Measurements of the melting point of graphite and the properties of liquid carbon (a review for 1963–2003)”. Carbon 43: 1115. doi:10.1016/j.carbon.2004.12.027.
^ “Fourier Transform Spectroscopy of the System of CP” (PDF) (英語). 2011年3月27日閲覧。
^ “Fourier Transform Spectroscopy of the Electronic Transition of the Jet-Cooled CCI Free Radical” (PDF) (英語). 2011年3月27日閲覧。
^ “Carbon: Binary compounds” (英語). WebElements. 2011年3月27日閲覧。
^ ^a ^b ^c ^d ^e 化学工業日報 1996, pp. 102–103, 【炭素化合物】.
^ “Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds” (PDF) (英語). Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press. 2011年3月27日閲覧。
^ ^a ^b ^c ^d ^e “C-Diamond” (英語). 2011年3月27日閲覧。
^ ^a ^b ^c ^d 佐藤健太郎『炭素文明論』新潮社、2013年、15頁。
^ Shorter Oxford English Dictionary, Oxford University Press
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f 編集長：水谷仁『ニュートン別冊周期表第2冊』ニュートンプレス、東京都、2010年、92-93頁。ISBN 978-4-315-51876-4。
^ ^a ^b Chemistry Operations (2003年12月15日). “Carbon” (英語). Los Alamos National Laboratory. 2011年3月27日閲覧。
^ 桜井 1997, p. 54.
^ Greenville Whittaker, A. (1978). “The controversial carbon solid−liquid−vapour triple point”. Nature 276: 695. doi:10.1038/276695a0.
^ J.M. Zazula (1997年). “On Graphite Transformations at High Temperature and Pressure Induced by Absorption of the LHC Beam” (英語) (PDF). CERN 2011年3月27日閲覧。
^ “Timeline of Element Discovery” (英語). 2011年3月27日閲覧。
^ “Chinese made first use of diamond” (英語). BBC News. (2005年5月17日) 2011年3月27日閲覧。
^ van der Krogt, Peter. “Carbonium/Carbon at Elementymology & Elements Multidict” (英語). 2011年3月27日閲覧。
^ Ferchault de Réaumur, R-A (1722). 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). Paris, Chicago
^ ^a ^b ^c Senese,Fred (200-09-09). “Who discovered carbon?” (英語). Frostburg State University. 2011年3月27日閲覧。
^ Federico Giolitti (1914). The Cementation of Iron and Steel. McGraw-Hill Book Company, inc.
^ H. W. Kroto, J. R. Heath, S. C. O'Brien, R. F. Curl and R. E. Smalley (1985). “C₆₀: Buckminsterfullerene”. Nature 318: 162–163. doi:10.1038/318162a0.
^ ^a ^b ^c Peter Unwin. “Fullerenes(An Overview)” (英語). 2011年3月27日閲覧。
^ 桜井 1997, pp. 51–52.
^ “The Nobel Prize in Chemistry 1996 "for their discovery of fullerenes"” (英語). 2011年3月27日閲覧。
^ ^a ^b Harris, PJF; Gallagher, J. G.; Hargreaves, J. S. J.; Harris, P. J. F. (2004). “Fullerene-related structure of commercial glassy carbons”. Philosophical Magazine, 84, 3159–3167 116: 122. doi:10.1007/s10562-007-9125-6.
^ 青木 2004, pp. 35–37, 第2章ビッグバンと元素合成.
^ 青木 2004, pp. 53–79, 第3章星の中での元素合成.
^ 尾崎 2010, pp. 20–33, 第2章太陽と太陽系、4-5節.
^ ^a ^b “Biological Abundance of Elements” (英語). The Internet Encyclopedia of Science. 2011年3月27日閲覧。
^ Mark (1987). Meteorite Craters. University of Arizona Press. ISBN 0816509026
^ 佐藤健太郎『炭素文明論』新潮社、2013年、15-16頁。
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f 佐藤健太郎『炭素文明論』新潮社、2013年、16頁。
^ Helen Knight (2010年6月12日). “Wonderfuel: Welcome to the age of unconventional gas, pp. 44–7” (英語). New Scientist. 2011年3月27日閲覧。
^ N. Shakhova, I. Semiletov, A. Salyuk, D. Kosmach (2008年). “Anomalies of methane in the atmosphere over the East Siberian shelf: Is there any sign of methane leakage from shallow shelf hydrates? 10” (PDF) (英語). European Geosciences Union, General Assembly 2008, Geophysical Research Abstracts EGU2008-A-01526. 2011年3月27日閲覧。
^ 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. (2000). “The Global Carbon Cycle: A Test of Our Knowledge of Earth as a System”. Science 290 (5490): 291–296. doi:10.1126/science.290.5490.291. PMID 11030643.
^ R. Stefanenko (1983). Coal Mining Technology: Theory and Practice. Society for Mining Metallurgy. ISBN 0895204045
^ Kasting, James (1998). “The Carbon Cycle, Climate, and the Long-Term Effects of Fossil Fuel Burning”. Consequences: the Nature and Implication of Environmental Change 4 (1).
^ “Minerals Yearbook: Graphite, 2006” (PDF) (英語). USGS. 2011年3月27日閲覧。
^ Catelle, W.R. (1911). The Diamond. John Lane Company Page 159 discussion on Alluvial diamonds in India and elsewhere as well as earliest finds
^ J. W. Hershey (1940). The Book Of Diamonds: Their Curious Lore, Properties, Tests And Synthetic Manufacture. Kessinger Pub Co. p. 28. ISBN 1417977159
^ ^a ^b Janse, A. J. A. (2007). “Global Rough Diamond Production Since 1870”. Gems and Gemology (GIA) XLIII (Summer 2007): 98–119.
^ Marshall, Stephen; Shore, Josh (2004年10月22日). “The Diamond Life” (英語). Guerrilla News Network. 2008年10月10日時点のオリジナルよりアーカイブ。2011年3月27日閲覧。
^ Lorenz, V. (2007). “Argyle in Western Australia: The world's richest diamantiferous pipe; its past and future”. Gemmologie, Zeitschrift der Deutschen Gemmologischen Gesellschaft (DGemG) 56 (1/2): 35–40.
^ ^a ^b “Carbon – Naturally occurring isotopes” (英語). WebElements Periodic Table. 2011年3月27日閲覧。
^ “Official SI Unit definitions” (英語). 2011年3月27日閲覧。
^ ^a ^b Brown, Tom (2006年3月1日). “Carbon Goes Full Circle in the Amazon” (英語). Lawrence Livermore National Laboratory. 2011年3月27日閲覧。
^ ^a ^b ^c 早川由紀夫. “放射性炭素年代測定の原理と暦年代への換算”. 群馬大学教育学部. 2011年3月27日閲覧。
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f 桜井 1997, p. 50.
^ ^a ^b Bowman, S. (1990). Interpreting the past: Radiocarbon dating. British Museum Press. ISBN 0-7141-2047-2
^ Libby, WF (1952). Radiocarbon dating. Chicago University Press and references therein
^ Westgren, A. (1960年). “The Nobel Prize in Chemistry 1960” (英語). Nobel Foundation. 2011年3月27日閲覧。
^ 増田公明. “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”. 名古屋大学太陽地球観測研究所. 2011年3月27日閲覧。^{[リンク切れ]}
^ 植村福七「ラジオ・アイソトープの産業利用とその影響－主として工業利用－」『香川大学経済論叢』第31巻第3号、香川大学経済研究所、1958年9月、1-44頁、ISSN 0389-3030、NAID 120007011245。
^ “Use query for carbon-8”. 2007年12月21日閲覧。
^ “Beaming Into the Dark Corners of the Nuclear Kitchen” (英語). 2011年3月27日閲覧。
^ “World of Carbon – Interactive Nano-visulisation in Science &Engineering Edukation (IN-VSEE)” (英語). 2011年3月27日閲覧。
^ C. Lee; Wei, X; Kysar, JW; Hone, J (2008). “Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene”. Science 321 (5887): 385. doi:10.1126/science.1157996. PMID 18635798. 非専門家向けの内容要旨.
^ Sanderson, Bill (2008年8月25日). “Toughest Stuff Known to Man : Discovery Opens Door to Space Elevator” (英語). nypost.com. 2011年3月27日閲覧。
^ ^a ^b ^c 桜井 1997, p. 52.
^ ^a ^b Ebbesen, TW, ed (1997). Carbon nanotubes—preparation and properties. Boca Raton, Florida: CRC Press. ISBN 0849396026
^ ^a ^b MS Dresselhaus, G Dresselhaus, Ph Avouris, ed (2001). “Carbon nanotubes: synthesis, structures, properties and applications”. Topics in Applied Physics (Berlin: Springer) 80. ISBN 3540410864.
^ Nasibulin, Albert G.; Pikhitsa, PV; Jiang, H; Brown, DP; Krasheninnikov, AV; Anisimov, AS; Queipo, P; Moisala, A et al. (2007). “A novel hybrid carbon material”. Nature Nanotechnology 2 (3): 156–161. doi:10.1038/nnano.2007.37. PMID 18654245.
^ Nasibulin, A; Anisimov, Anton S.; Pikhitsa, Peter V.; Jiang, Hua; Brown, David P.; Choi, Mansoo; Kauppinen, Esko I. (2007). “Investigations of NanoBud formation”. Chemical Physics Letters 446: 109–114. doi:10.1016/j.cplett.2007.08.050.
^ Vieira, R (2004). “Synthesis and characterisation of carbon nanofibers with macroscopic shaping formed by catalytic decomposition of C₂H₆/H₂ over nickel catalyst”. Applied Catalysis A 274: 1–8. doi:10.1016/j.apcata.2004.04.008.
^ ^a ^b Clifford, Frondel; Marvin, Ursula B. (1967). “Lonsdaleite, a new hexagonal polymorph of diamond”. Nature 214: 587–589. doi:10.1038/214587a0.
^ Rode, A.V.; Hyde, S.T.; Gamaly, E.G.; Elliman, R.G.; McKenzie, D.R.; Bulcock, S. (1999). “Structural analysis of a carbon foam formed by high pulse-rate laser ablation”. Applied Physics A-Materials Science & Processing 69: S755–S758. doi:10.1007/s003390051522.
^ 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
^ (日本語) 2010年生産量3年ぶりプラスにカーボンブラック. 化学工業日報. (2011-02-15) 2011年3月27日閲覧。.
^ 化学工業日報 1996, p. 1592, 【黒鉛・人造黒鉛】.
^ “【黒鉛】原子力用語集カ行”. 経済産業省資源エネルギー庁. 2011年3月27日閲覧。
^ “各国原子炉開発の動向”. 内閣府原子力委員会. 2011年3月27日閲覧。
^ 桜井 1997, pp. 50–51.
^ 大串秀世. “「夢」ではなくなったダイヤモンド半導体”. 独立行政法人科学技術振興機構. 2011年3月27日閲覧。
^ “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]”. 総務省. 2011年3月27日閲覧。^{[リンク切れ]}
^ 化学工業日報 1996, pp. 1067–1069, 【カーボンブラック】.
^ Dorfer, Leopold; Moser, M; Spindler, K; Bahr, F; Egarter-Vigl, E; Dohr, G (1998). “5200-year old acupuncture in Central Europe?”. Science 282 (5387): 242–243. doi:10.1126/science.282.5387.239f. PMID 9841386.
^ Donaldson, K; Stone, V; Clouter, A; Renwick, L; MacNee, W (2001). “Ultrafine particles”. Occupational and Environmental Medicine 58 (3): 211–216. doi:10.1136/oem.58.3.211. PMC 1740105. PMID 11171936.
^ “Carbon Nanoparticles Toxic To Adult Fruit Flies But Benign To Young” (英語). ScienceDaily (2009年8月17日). 2011年3月27日閲覧。