化学原子・元素有機化合物無機物質理科

炭素とはどんな元素?二酸化炭素は有機物?その特徴や化合物を科学館職員が分かりやすくわかりやすく解説

よぉ、桜木建二だ。今回は生物に最も重要な元素、炭素について学ぶぞ。

炭素Cは化学を学ぶ上でとても重要な元素だ。炭素は単体でもダイヤモンドやグラファイト(黒鉛)、カーボンナノチューブと様々な物質がある。一方炭素の化合物には一酸化炭素や二酸化炭素、そして様々な有機化合物があるんだ。植物を構成するセルロースにも炭素は含まれているし、動物の体を作るたタンパク質にも炭素が含まれている。炭素がこんなにも色々な化合物になることができるポイントは、炭素の価電子が4つということだ。

それでは炭素の性質やその単体・化合物について学ぶ。担当は元素周期表マニアの科学館職員、たかはしふみかだ。

解説/桜木建二

「ドラゴン桜」主人公の桜木建二。物語内では落ちこぼれ高校・龍山高校を進学校に立て直した手腕を持つ。学生から社会人まで幅広く、学びのナビゲート役を務める。

ライター/たかはし ふみか

元素や原子、化学という言葉が好きな科学館職員。幼稚園児から小中学生、保護者と幅広い世代に科学を楽しんでほしいと実験の本を読み漁っている。基礎知識を求めて化学辞書を読むことも。学生時代はテスト対策としてノートの書き写しや用語の確認を行っていた。

元素から見る炭素

image by PIXTA / 58041817

鉛筆の芯、ダイヤモンド、二酸化炭素など炭素を含む物質はたくさんあります。まずは炭素がどんな元素か見てみましょう。

炭素C

炭素C

image by Study-Z編集部

原子番号:6

原子量:12.01

炭素はフランス語でcarboneと言います。この語源はラテン語のcarbo、木炭のことです。炭素には同素体があります。同素体とは

同じ元素の原子からできているが、単分子を構成する原子数の異なる単体、あるいは同一の化学組成でありながら、原子の配列、結合様式の異なる単体を互いに同素体であるという。(コトバンク)

のことです。炭素の同素体は黒鉛(グラファイト)、ダイヤモンド、フラーレンがあります。これらの特徴については後程解説しますね。

ちなみに高校化学に出てくる同素体は硫黄S(斜方硫黄、単斜硫黄、ゴム状硫黄)、炭素C(黒鉛、ダイヤモンド、フラーレンC60)、酸素O(酸素、オゾン)、 リンP(黄リン、赤リン)の4つ。SCOPと覚えましょう。

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同素体と気を付けたいのが同位体だ。同素体は同じ元素の単体で性質が違うもの、同位体は同じ種類の元素で中性子の数が異なる原子のことだ。

炭素はこんな元素

それでは炭素の特徴を見ていきましょう。

腕が4つ!結合の幅が広がる炭素

腕が4つ!結合の幅が広がる炭素

image by Study-Z編集部

化学で結合の説明をするとき、結合に関係する最外殻にある価電子のことを腕、手という表現します。

例えば原子番号1番の水素は価電子を1つ持ち、最外殻には2つまでしか電子が入りません。そのため、2つの水素原子がひとつずつ電子を出し合って水素分子を作るのです。ふたりの人が手を出し合って握手している様子をイメージしてください。お互いに1本の手を出し合って共有している状態で、同じように水素もお互い手(価電子)を共有して分子を作ります。

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炭素の最外殻(L殻)には電子が4つ入っています。炭素の最外殻には後4つの電子入ることができるのです。この価電子から炭素は3種類の結合を作ることができます。これが単結合、二重結合、そして三重結合です。

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炭素原子に4つの電子が入るなら四重結合もできるのでは?と思うかもしれません。三重構造の図を見たらイメージできますが、4つ目の電子は反対方向にあります。このため四重結合は作ることができない、とされていました。しかし近年研究が進み、2020年に常温下でのC2の合成に日本の研究チームが成功したのです。これにより、四重結合ができるのではと考えられるようになりました。これは最近のトピックであり、四重結合はまだ一般的はありません。そのため、四重結合の扱いについては教科書や授業に沿って覚えてくださいね。

また、炭素は環状の物質も作ります。環状構造は環式化合物とうのです。環状構造のうち、6個の炭素原子でできた環状骨格を含むものを芳香族化合物、それ以外のものを脂環式化合物と言います。

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