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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)

名称

フランス語の「carbone」は、1787年にフランスの化学者ギトン・ド・モルボーが「木炭」を指すラテン語carboから^[12]名づけた。英語のcarbonは、これが転じたものである^[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

単体・化合物両方においてきわめて多様な形状をとることができる。

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、価電子数4^[13]と元素の中でももっとも多い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^[14]^[15]。炭素がほかの元素と結びついて作る化合物の種類は約5,400万種にのぼる^[13]。

融点や昇華を起こす温度は全元素の中でもっとも高い。常圧下では融点を持たず、三重点は10.8±0.2M Pa、4,600±300Kであり^[3]^[4]、昇華は約3,900Kで起こる^[16]^[17]。

炭素原子同士の共有結合は非常に堅牢であり^[13]、それがつくる単体において、自然物としてはもっとも硬いことで知られるダイヤモンドからもっと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]^[18]。ダイヤモンドの存在も紀元前2500年ごろ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^[19]^[20]。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^[21]。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^[22]。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^[22]、1786年にクロード・ルイ・ベルトレー、ガスパール・モンジュ、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^[23]。彼らがこれを知らしめた際、この元素にcarboneという名をつけ、ラヴォアジエが1789年にまとめた元素のテキストに採録された^[22]。

同素体フラーレンが発見されたのは1985年であり^[24]、同じくナノ構造体としてはバッキーボールやカーボンナノチューブも見つかった^[25]。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^[26]^[27]。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」や、厳密には無定形ではないが名づけられた「無定形炭素」等の発見へつながった^[28]。

生成

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^[29]。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^[30]。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^[31]。

脚注

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