炭素の原子量。炭素 - 化学的および物理的特性。炭素の原子および分子量

市立教育機関「ニキフォロフスカヤ第1中学校」

炭素とその主な無機化合物

エッセイ

完了者: 9 年生 B の生徒

シドロフ・アレクサンダー

教師: サハロワ L.N.

ドミトリエフカ 2009

導入

第 1 章炭素のすべて

1.1. 自然界の炭素

1.2. 炭素の同素体修飾

1.3. 炭素の化学的性質

1.4. カーボンの応用

第 2 章無機炭素化合物

結論

文学

導入

炭素（緯度カルボネウム）Cは、メンデレーエフの周期系のIV族の化学元素です：原子番号6、原子質量12.011（1）。炭素原子の構造を考えてみましょう。炭素原子の外側のエネルギー準位には 4 つの電子が含まれています。それを図で表現してみましょう。

炭素は古くから知られていますが、この元素の発見者の名前は不明です。

17世紀末。フィレンツェの科学者アヴェラーニとタルジョーニは、いくつかの小さなダイヤモンドを 1 つの大きなダイヤモンドに融合させ、太陽光を使って燃えるガラスで加熱することを試みました。ダイヤモンドは空中で燃えて消えた。 1772 年、フランスの化学者 A. ラヴォアジエは、ダイヤモンドが燃焼すると CO 2 が生成されることを示しました。英国の科学者 S. テナントが黒鉛と石炭の性質を証明したのは 1797 年のことです。同量の石炭とダイヤモンドを燃焼させた後、一酸化炭素 (IV) の体積は同じであることが判明しました。

炭素化合物の多様性は、その原子が互いに結合したり、他の元素の原子とさまざまな方法で結合したりする能力によって説明され、他の元素の中での炭素の特別な位置を決定します。

章私。カーボンのすべて

1.1. 自然界の炭素

炭素は、遊離の状態でも化合物の形でも自然界に存在します。

遊離炭素はダイヤモンド、グラファイト、カービンの形で発生します。

ダイヤモンドは非常に稀少です。既知の最大のダイヤモンドであるカリナンは、1905 年に南アフリカで発見され、重さは 621.2 g、寸法は 10x6.5x5 cm でした。モスクワのダイヤモンド基金には、世界で最も大きく最も美しいダイヤモンドの 1 つである「オルロフ」（37.92 g）が保管されています。。

ダイヤモンドの名前はギリシャ語に由来しています。「アダマス」 - 無敵、破壊不可能。最も重要なダイヤモンド鉱床は、南アフリカ、ブラジル、ヤクートにあります。

黒鉛の大規模な鉱床は、ドイツ、スリランカ、シベリア、アルタイにあります。

主な炭素含有鉱物は、マグネサイト MgCO 3、方解石 (石灰石、石灰岩、大理石、チョーク) CaCO 3、ドロマイト CaMg(CO 3) 2 などです。

石油、ガス、泥炭、石炭、褐炭、シェールなどのすべての化石燃料は炭素ベースで作られています。化石炭の中には、炭素を最大 99% 含むものもあり、組成が炭素に近いものもあります。

炭素は地殻の 0.1% を占めます。

炭素は一酸化炭素 (IV) CO 2 の形で大気中に入ります。水圏には大量の CO 2 が溶解しています。

1.2. 炭素の同素体修飾

元素炭素は、ダイヤモンド、グラファイト、カービンという 3 つの同素体修飾を形成します。

1. ダイヤモンドは無色透明の結晶物質であり、光線を非常に強く屈折させます。ダイヤモンド中の炭素原子はsp 3 混成状態にあります。励起状態では、炭素原子の価電子が対になり、4 つの不対電子が形成されます。化学結合が形成されると、電子雲は同じ細長い形状を獲得し、その軸が四面体の頂点に向かうように空間に配置されます。この雲の頂上が他の炭素原子の雲と重なると、109°28"の角度で共有結合が起こり、ダイヤモンドに特徴的な原子結晶格子が形成されます。

ダイヤモンドの各炭素原子は、四面体の中心から頂点に向かう方向に、他の 4 つの炭素原子に囲まれています。四面体の原子間の距離は 0.154 nm です。すべての接続の強さは同じです。したがって、ダイヤモンド内の原子は非常に密に「詰め込まれ」ています。 20℃では、ダイヤモンドの密度は 3.515 g/cm 3 です。これがその並外れた硬度を説明しています。ダイヤモンドは電気を通しにくい性質があります。

1961 年、ソ連は黒鉛から合成ダイヤモンドの工業生産を開始しました。

ダイヤモンドの工業的合成では、数千MPaの圧力と1500～3000℃の温度が使用されます。このプロセスは、触媒の存在下で行われ、触媒は、例えばNiなどの金属であり得る。形成されるダイヤモンドの大部分は小さな結晶とダイヤモンドダストです。

空気に触れずに 1000°C 以上に加熱すると、ダイヤモンドはグラファイトに変わります。 1750°C では、ダイヤモンドからグラファイトへの変態が急速に起こります。

ダイヤモンド構造

2. 黒鉛は灰黒色の結晶質で金属光沢があり、触るとベタベタし、硬度は紙よりも劣ります。

グラファイト結晶中の炭素原子は sp 2 混成状態にあり、それぞれが隣接する原子と 3 つの共有結合 σ 結合を形成します。結合方向間の角度は 120°です。その結果、正六角形で構成されるグリッドが作成されます。層内の隣接する炭素原子の核間の距離は 0.142 nm です。グラファイトの各炭素原子の外層にある 4 番目の電子は、混成化に関与しない p 軌道を占めています。

炭素原子の非ハイブリッド電子雲は層の平面に対して垂直に配向し、互いに重なり合い、非局在化した σ 結合を形成します。グラファイト結晶内の隣接する層は、互いに 0.335 nm の距離に位置し、主にファンデルワールス力によって互いに弱く結合しています。したがって、グラファイトは機械的強度が低く、容易にフレーク状に割れますが、それ自体は非常に強度があります。グラファイトの炭素原子の層間の結合は、本質的に部分的に金属的です。これは、グラファイトは電気をよく伝導しますが、金属ほどではないという事実を説明しています。

黒鉛構造

グラファイトの物理的特性は、炭素原子の層に垂直な方向と平行な方向で大きく異なります。

空気に触れずに加熱すると、グラファイトは 3700°C まで変化しません。指定温度では溶けずに昇華します。

人造黒鉛は、最高グレードの石炭から空気を遮断した電気炉で 3000°C で製造されます。

グラファイトは幅広い温度と圧力にわたって熱力学的に安定しているため、カーボンの標準状態として受け入れられています。黒鉛の密度は 2.265 g/cm3 です。

3. カービンは微細な結晶性の黒色粉末です。その結晶構造では、炭素原子は直鎖の単結合と三重結合によって交互に接続されています。

−С≡С−С≡С−С≡С−

この物質は、V.V. によって最初に入手されました。コルシャク、A.M. スラドコフ、V.I. カサチキン、Yu.P. 20世紀の60年代初頭のクドリャフツェフ。

その後、カルビンはさまざまな形で存在し、炭素原子が二重結合で結合したポリアセチレン鎖とポリクムレン鎖の両方を含むことが示されました。

C=C=C=C=C=C=

その後、カービンは自然界、つまり隕石中に発見されました。

カービンは半導体特性を持っており、光にさらされると導電率が大幅に増加します。さまざまな種類の結合が存在し、結晶格子内に炭素原子の鎖を敷設するさまざまな方法により、カルビンの物理的特性は広い範囲内で変化する可能性があります。空気に触れずに 2000°C 以上に加熱すると、カービンは安定しますが、2300°C 付近の温度ではグラファイトへの転移が観察されます。

天然炭素は 2 つの同位体で構成されています

(98.892%) と (1.108%)。さらに、大気中には人工的に生成された放射性同位体の微量の混合物が発見された。

以前は、木炭、すす、コークスは純粋な炭素と組成が似ていて、ダイヤモンドやグラファイトとは性質が異なり、炭素の独立した同素体修飾（「アモルファスカーボン」）であると考えられていました。しかし、これらの物質は、黒鉛と同じように炭素原子が結合した小さな結晶粒子から構成されていることが判明しました。

4. 石炭 – 細かく粉砕した黒鉛。これは、空気のアクセスなしで炭素含有化合物の熱分解中に形成されます。石炭は、原料となる物質や製造方法によって性質が大きく異なります。これらには、その特性に影響を与える不純物が常に含まれています。最も重要な石炭の種類は、コークス、木炭、すすです。

コークスは、空気に触れずに石炭を加熱することによって製造されます。

木炭は空気に触れずに木材を加熱すると形成されます。

すすは非常に細かい黒鉛の結晶粉末です。空気へのアクセスが制限された状態での炭化水素（天然ガス、アセチレン、テレビン油など）の燃焼によって生成されます。

活性炭は、主に炭素からなる多孔質の工業用吸着剤です。吸着とは、固体の表面によるガスや溶解物質の吸収です。活性炭は、固体燃料（泥炭、褐炭および硬炭、無煙炭）、木材およびその加工製品（木炭、おがくず、紙くず）、皮革産業廃棄物、および骨などの動物材料から得られます。高い機械的強度を特徴とする石炭は、ココナッツやその他のナッツの殻や果物の種子から生産されます。石炭の構造はさまざまな大きさの細孔で表されますが、吸着能力と吸着速度は、粒の単位質量または単位体積あたりの細孔の含有量によって決まります。活性炭を製造する場合、まず原料を空気に触れさせずに熱処理し、その結果水分と部分的な樹脂を除去します。この場合、石炭の大きな多孔質構造が形成される。微細孔構造を得るには、ガスまたは蒸気による酸化、または化学試薬による処理のいずれかによって活性化が行われます。

炭素はメンデレーエフの周期表の 6 番目の元素です。その原子量は12です。

炭素はメンデレーエフシステムの第 2 期にあり、このシステムの第 4 グループに属します。

周期数は、炭素の 6 つの電子が 2 つのエネルギー準位に位置していることを示しています。

そして 4 番目のグループ番号は、炭素の外側のエネルギーレベルに 4 つの電子があることを示しています。そのうちの2つはペアになっています s-電子、および他の 2 つは対になっていません R-電子。

炭素原子の外側の電子層の構造は、次のスキームで表すことができます。

これらの図の各セルは個別の電子軌道を意味し、矢印は軌道内に位置する電子を意味します。 1 つのセル内の 2 つの矢印は、同じ軌道に位置するが反対のスピンを持つ 2 つの電子です。

原子が励起されるとき（エネルギーが与えられるとき）、対になっている原子の一方が S-電子が占有されている R-軌道。

励起された炭素原子は 4 つの共有結合の形成に関与することができます。したがって、その化合物の大部分において、炭素は 4 価を示します。

したがって、最も単純な有機化合物である炭化水素メタンは次のような組成を持ちます。 CH4。その構造は構造式または電子式で表すことができます。

電子式は、メタン分子の炭素原子には安定な 8 電子の外殻があり、水素原子には安定な 2 電子の殻があることが示されています。

メタン (および他の同様の化合物) における 4 つの炭素共有結合はすべて等しく、空間内で対称的な方向を向いています。炭素原子はいわば四面体（正四角錐）の中心に位置し、それに結合する4つの原子（メタンの場合は水素原子が4つ）が四面体の頂点にあります。

どの結合ペアの方向間の角度も同じで、109 度 28 分になります。

これは、炭素原子が他の 4 つの原子と共有結合を形成するとき、1 つの原子から s- そして3つ p-結果としての軌道 スプ3-ハイブリッド化により、空間内に対称的に配置された 4 つのハイブリッドが生成されます。 スプ3-軌道は四面体の頂点に向かって伸びています。

カーボンの性質の特徴。

外部エネルギー準位の電子の数は、元素の化学的性質を決定する主な要因です。

周期表の左側には、外側の電子準位が低く満たされている元素があります。最初のグループの元素は外側準位に 1 つの電子を持ち、2 番目のグループの元素は 2 つの電子を持ちます。

これら 2 つのグループの要素は次のとおりです。金属。それらは容易に酸化されます。外側の電子を失い、プラスイオンになります。

逆に、周期表の右側には、 非金属（酸化剤）。金属と比較して、陽子数が多い原子核を持っています。このような巨大な原子核は、その電子雲からより強力な引力をもたらします。

このような元素は電子を失うのが非常に困難ですが、他の原子から追加の電子が付着することを嫌いません。酸化すると同時にマイナスイオンになります。

周期表の族番号が増加するにつれて、元素の金属的性質は弱まり、他の元素を酸化する能力が増加します。

炭素は 4 番目のグループに属します。電子を放出しやすい金属と電子を容易に獲得する非金属のちょうど中間にあります。

このため 炭素には電子を供与したり電子を獲得したりする顕著な傾向はありません.

カーボンチェーン。

有機化合物の種類を決定する炭素の例外的な特性は、その原子が互いに強力な共有結合で結合し、ほぼ無制限の長さの炭素回路を形成する能力です。

炭素に加えて、同じ原子の鎖がIV族の類似体であるシリコンによって形成されます。ただし、そのような鎖には 6 個以下の Si 原子が含まれます。硫黄原子の長鎖は知られていますが、それを含む化合物は壊れやすいです。

相互接続に使用されない炭素原子の価数は、他の原子または基の追加に使用されます (炭化水素の場合 - 水素の追加)。

つまり、炭化水素エタン（ C2H6) およびプロパン ( C3H8) には、それぞれ 2 個と 3 個の炭素原子の鎖が含まれています。それらの構造は、次の構造式および電子式で表されます。

鎖中に数百以上の炭素原子を含む化合物が知られています。

炭素結合は四面体配向であるため、鎖に含まれる原子は直線上に配置されず、ジグザグ状に配置されます。さらに、結合軸の周りで原子が回転する可能性があるため、空間内の鎖はさまざまな形状 (立体構造) をとる可能性があります。

この鎖の構造により、末端または他の隣接しない炭素原子が互いに近づくことが可能になります。これらの原子間の結合が形成された結果、炭素鎖が閉じて環 (サイクル) を形成することがあります。次に例を示します。

したがって、有機化合物の多様性は、分子内の炭素原子の数が同じであれば、炭素原子が開いた鎖状になった化合物や、分子内に環を含む物質が存在する可能性があるという事実によって決まります。

シンプルかつ複数の接続。

1 対の一般化された電子によって形成される炭素原子間の共有結合は、単純結合と呼ばれます。

炭素原子間の結合は、1 つではなく、2 つまたは 3 つの共通の電子対によって行われることがあります。次に、複数の二重結合または三重結合を持つ鎖が得られます。これらの接続は次のように表すことができます。

多重結合を含む最も単純な化合物は炭化水素です エチレン（二重結合あり）と アセチレン(三重結合あり):

複数の結合を持つ炭化水素は不飽和または不飽和と呼ばれます。エチレンとアセチレンは、2 つの同族系列、エチレン炭化水素とアセチレン炭化水素の最初の代表です。

この本では、緑の葉と鉄についての話、プラスチックと結晶についての話など、「炭素」という言葉が非常に頻繁に登場します。炭素 - 「石炭を生み出す」 - は、最も驚くべき化学元素の 1 つです。地球上のすべての生き物の一部であるため、その歴史は地球上の生命の出現と発展の歴史です。

カーボンってどんな感じですか？

いくつか実験をしてみましょう。砂糖を入れて空気を入れずに加熱しましょう。最初は溶けて茶色になり、次に黒くなり石炭になり、水を放出します。この石炭をの存在下で加熱すると、残留物なく燃えてになります。したがって、砂糖は石炭と水で構成されており（ちなみに、砂糖は炭水化物と呼ばれます）、二酸化炭素は炭素と酸素の化合物であるため、「砂糖」石炭は明らかに純粋な炭素です。これは、カーボンが黒色の柔らかい粉末であることを意味します。

鉛筆のおかげでよく知られている、灰色の柔らかい黒鉛石を見てみましょう。酸素中で加熱すると、石炭よりも少し遅いものの、残留物を残さずに燃焼し、燃焼した装置内には二酸化炭素が残ります。これは、グラファイトも純粋な炭素であることを意味しますか? もちろん、それだけではありません。

透明に輝く宝石であり、すべての鉱物の中で最も硬いダイヤモンドを同じ装置内で酸素中で加熱すると、ダイヤモンドも燃焼して二酸化炭素に変わります。酸素にアクセスせずにダイヤモンドを加熱すると、ダイヤモンドはグラファイトに変わり、非常に高い圧力と温度でグラファイトからダイヤモンドを得ることができます。

したがって、石炭、黒鉛、ダイヤモンドは、同じ元素である炭素の異なる存在形態です。

さらに驚くべきことは、炭素が膨大な数の異なる化合物に「関与」する能力である（本書で「炭素」という言葉が頻繁に登場するのはそのためである）。

周期表の 104 個の元素は、研究された 40,000 を超える化合物を形成します。そして、100 万以上の化合物がすでに知られており、その基礎は炭素です。

この多様性の理由は、炭素原子が強い結合によって互いに結合したり、他の原子と結合したりして、鎖、環、その他の形状の複雑な結合を形成できるためです。表中の炭素以外の元素はこれを行うことができません。

炭素原子から構築できる形状は無限にあり、したがって可能な化合物も無限にあります。これらは、分子内で 4 つの原子が 1 つの炭素原子に結合している照明ガスのメタンなど、非常に単純な物質である場合もありますが、分子の構造がまだ確立されていないほど複雑です。そのような物質としては、

元素の周期表の炭素は、IVA 族の第 2 周期に位置します。炭素原子の電子配置 ls 2 2s 2 2p 2 。それが励起されると、外側の 4 つの原子軌道に 4 つの不対電子が存在する電子状態が容易に達成されます。

これは、化合物中の炭素が通常 4 価である理由を説明します。炭素原子内の価電子の数と価電子軌道の数が等しいこと、また原子核の電荷と原子の半径の固有の比により、炭素原子は電子の付着と放出を同様に容易に行うことができます。、パートナーのプロパティに応じて異なります (セクション 9.3.1)。その結果、炭素は -4 から +4 までのさまざまな酸化状態と、種類に応じた原子軌道の混成のしやすさによって特徴付けられます。 SP3、SP2そして スプ1化学結合の形成中 (セクション 2.1.3):

これらすべてが炭素に、炭素同士だけでなく、他の有機元素の原子とも単結合、二重結合、三重結合を形成する機会を与えます。この場合に形成される分子は、直鎖状、分岐状、または環状構造を持つことができます。

炭素原子の関与によって形成される共通電子（MO）の移動性により、それらはより電気陰性度の高い元素の原子に向かって移動し（誘導効果）、この結合だけでなく分子の極性にもつながります。全体。ただし、炭素は平均電気陰性度値 (0E0 = 2.5) により、他の有機元素の原子と弱い極性結合を形成します (表 12.1)。分子内に共役結合系が存在する場合 (セクション 2.1.3)、これらの系における電子密度と結合長が等化されると、可動電子 (MO) と孤立電子対の非局在化が発生します。

化合物の反応性の観点からは、結合の分極率が重要な役割を果たします (セクション 2.1.3)。結合の分極率が大きいほど、その反応性は高くなります。炭素含有結合の分極率がその性質に依存することは、次のシリーズに反映されています。

炭素含有結合の特性について考慮されたすべてのデータは、化合物中の炭素が、一方では相互に、また他の有機体とかなり強力な共有結合を形成し、他方では、これらの結合の共通電子対がかなり不安定。その結果、これらの結合の反応性の増加と安定化の両方が起こる可能性があります。炭素含有化合物のこれらの特徴により、炭素が最大の有機物質となります。

炭素化合物の酸塩基特性。一酸化炭素 (4) は酸性酸化物であり、それに対応する水酸化物 (炭酸 H2CO3) は弱酸です。一酸化炭素(4) 分子は無極性であるため、水にはほとんど溶けません (298 K で 0.03 mol/l)。この場合、まず溶液中で水和物 CO2 H2O が形成され、CO2 は水分子の結合体の空洞に位置し、その後この水和物はゆっくりと可逆的に H2CO3 に変化します。水に溶けている一酸化炭素(4)のほとんどは水和物の形です。

体内の赤血球では、酵素カルボアンヒドラーゼの作用下で、二酸化炭素水和物、H2O と H2CO3 の間の平衡が非常に迅速に確立されます。これにより、赤血球内の水和物の形での CO2 の存在を無視することができますが、炭酸脱水酵素が存在しない血漿内では無視できません。結果として生じる H2CO3 は、生理学的条件下では解離して炭化水素アニオンになり、よりアルカリ性の環境では解離して炭酸アニオンになります。

炭酸は溶液中にのみ存在します。それは、炭化水素塩 (NaHCO3、Ca(HCO3)2) と炭酸塩 (Na2CO3、CaCO3) という 2 つの一連の塩を形成します。炭化水素は炭酸塩よりも水に溶けやすい。水溶液では、炭酸塩、特に炭酸塩は陰イオンで容易に加水分解し、アルカリ性環境を作り出します。

重曹 NaHC03 などの物質。チョーク CaCO3、白マグネシア 4MgCO3 * Mg(OH)2 * H2O は、加水分解されてアルカリ環境を形成し、胃液の酸性度の上昇を抑える制酸剤 (酸中和剤) として使用されます。

炭酸と重炭酸イオン (H2CO3、HCO3(-)) の組み合わせは重炭酸緩衝系 (セクション 8.5) を形成します。これは血漿の優れた緩衝系であり、pH = 7.40 ± 0.05 の一定の血液 pH を保証します。

天然水には炭酸水素カルシウムと炭酸マグネシウムが存在するため、一時的に硬さが生じます。このような水を沸騰させると、硬度がなくなります。これは、HCO3(-) アニオンの加水分解、炭酸の熱分解、および不溶性化合物 CaCO3 および Mg(OH)2 の形でのカルシウムおよびマグネシウムカチオンの沈殿によって発生します。

Mg(OH)2 の形成は、マグネシウムカチオンの完全な加水分解によって引き起こされます。この加水分解は、MgCO3 と比較して Mg(OH)2 の溶解度が低いため、これらの条件下で発生します。

医学および生物学の実践では、炭酸に加えて、他の炭素含有酸も扱わなければなりません。これは主に、青酸 HCN と同様に、多種多様な有機酸です。酸の性質の観点から見ると、これらの酸の強さは次のように異なります。

これらの違いは、分子内の原子の相互影響、解離結合の性質、およびアニオンの安定性、つまり電荷を非局在化する能力によるものです。

シアン化水素酸、またはシアン化水素、HCN - 無色の揮発性の高い液体 (T キップ = 26 °C) ビターアーモンドの香りがあり、任意の比率で水と混和します。水溶液中では非常に弱い酸として振る舞い、その塩はシアン化物と呼ばれます。アルカリ金属およびアルカリ土類金属のシアン化物は水に溶けますが、陰イオンで加水分解するため、その水溶液は青酸のような匂い (ビターアーモンドの匂い) があり、pH > 12 になります。

空気中に含まれる CO2 に長時間さらされると、シアン化物が分解して青酸を放出します。

この反応の結果、シアン化カリウム（シアン化カリウム）とその溶液は長期保存中に毒性を失います。シアン化物陰イオンは、活性な配位子であり、錯形成イオンとして Fe 3+ および Cu2(+) を含む酵素と安定した錯体化合物を容易に形成するため、最も強力な無機毒の 1 つです (セクション 10.4).

酸化還元特性。化合物中の炭素は -4 から +4 までの任意の酸化状態を示すことができるため、反応中、遊離炭素は電子を供与したり電子を獲得したりすることができ、第 2 試薬の特性に応じて、それぞれ還元剤または酸化剤として機能します。

強力な酸化剤が有機物質と相互作用すると、これらの化合物の炭素原子の不完全または完全な酸化が発生する可能性があります。

酸素の欠乏または不在による嫌気性酸化条件下では、有機化合物の炭素原子は、化合物中の酸素原子の含有量および外部条件に応じて、CO 2 、CO、C、さらには CH 4 などに変化することがあります。有機物は H2O、NH3、H2S に変わります。

体内では、オキシダーゼ酵素の存在下での有機化合物の酸素による完全な酸化（好気性酸化）は、次の方程式で表されます。

与えられた酸化反応方程式から、有機化合物では炭素原子のみが酸化状態を変化させ、他の有機物質の原子は酸化状態を保持することが明らかです。

水素化反応中、つまり多重結合への水素 (還元剤) の追加中、それを形成する炭素原子はその酸化状態を還元します (酸化剤として機能します)。

新しい炭素間結合の出現を伴う有機置換反応（たとえば、ウルツ反応）も、炭素原子が酸化剤として機能し、金属原子が還元剤として機能する酸化還元反応です。

同様のことが有機金属化合物の形成反応でも観察されます。

同時に、新しい炭素間結合の出現を伴うアルキル化反応では、基質と試薬の炭素原子がそれぞれ酸化剤と還元剤の役割を果たします。

多重炭素間結合を介して基質に極性試薬を添加する反応の結果、炭素原子の 1 つは酸化状態を低下させて酸化剤の特性を示し、もう 1 つは酸化度を高めて酸化剤として作用します。還元剤：

このような場合、基質の炭素原子の分子内酸化還元反応が起こります。 不均化、酸化還元特性を示さない試薬の影響下にある場合。

有機化合物の炭素原子による分子内不均化の代表的な反応としては、アミノ酸やケト酸の脱炭酸反応、有機化合物の転位反応や異性化反応などが挙げられます。これらについては、セクションで説明します。 9.3. 与えられた有機反応の例と、セクション 1 の反応を示します。 9.3 は、有機化合物の炭素原子が酸化剤にも還元剤にもなり得ることを説得力をもって示しています。

化合物中の炭素原子- 酸化剤。反応の結果、電気陰性度の低い元素 (水素、金属) の原子との結合の数が増加する場合、これらの結合の共通電子を自分自身に引き寄せることにより、問題の炭素原子の酸化が低下するためです。州。

化合物中の炭素原子- 反応の結果、電気陰性度の高い元素の原子との結合の数が増加する場合、還元剤。(C、O、N、S)、 これらの結合の共有電子を押しのけることによって、問題の炭素原子の酸化状態が増加するためです。

したがって、炭素原子の酸化還元二重性により、有機化学における多くの反応は酸化還元です。ただし、無機化学における同様の反応とは異なり、有機化合物における酸化剤と還元剤の間の電子の再分配は、酸化剤として機能する原子への化学結合の共通電子対の置換を伴うことしかありません。この場合、この接続は維持できますが、分極が強い場合には接続が切断される可能性があります。

炭素化合物の錯化特性。化合物の炭素原子には孤立電子対がないため、それが関与する複数の結合を含む炭素化合物のみが配位子として機能します。錯体形成プロセスで特に活性となるのは、一酸化炭素 (2) の極性三重結合の電子と青酸アニオンです。

一酸化炭素分子 (2) では、炭素原子と酸素原子は、交換機構に従って 2 つの 2p 原子軌道が相互に重なり合うため、1 対 1 の結合を形成します。 3番目の結合、つまり別の結合は、ドナー-アクセプター機構に従って形成されます。アクセプターは炭素原子の自由 2p 原子軌道であり、ドナーは 2p 軌道から孤立電子対を提供する酸素原子です。

増加した結合比により、この分子は酸塩基 (CO は塩を形成しない酸化物) および酸化還元特性 (CO は還元剤である) に関して通常の条件下で高い安定性と不活性性を備えています。 た > 1000K）。同時に、d 金属の原子およびカチオン、主に鉄との錯体形成反応において活性な配位子となり、揮発性の有毒液体である鉄ペンタカルボニルを形成します。

d 金属カチオンと複雑な化合物を形成する能力が、一酸化炭素 (H) が生体システムに対して有毒である理由です (セクション 1)。 10.4) Fe 2+ カチオンを含むヘモグロビンおよびオキシヘモグロビンとの可逆反応の発生により、カルボキシヘモグロビンが形成されます。

これらの平衡はカルボキシヘモグロビン ННbСО の形成にシフトし、その安定性はオキシヘモグロビン ННbО2 の 210 倍です。これにより、血液中のカルボキシヘモグロビンが蓄積され、その結果、酸素を運ぶ能力が低下します。

青酸アニオン CN- には分極しやすい電子も含まれているため、酵素の一部である生命金属などの d 金属と効果的に錯体を形成します。したがって、シアン化物は非常に有毒な化合物です (セクション 10.4)。

自然界の炭素循環。自然界の炭素循環は主に炭素の酸化と還元の反応に基づいています(図12.3)。

植物は大気および水圏から (1) 一酸化炭素 (4) を同化します。植物塊の一部は人間と動物によって消費されます (2)。動物の呼吸とその遺体の腐敗 (3)、植物の呼吸、枯れた植物の腐敗、木材の燃焼 (4) は、CO2 を大気と水圏に戻します。泥炭、化石炭、石油、ガスの形成を伴う植物 (5) や動物の遺体 (6) の鉱化のプロセスは、炭素の天然資源への移行につながります。酸塩基反応 (7) は同じ方向に進行し、CO2 とさまざまな岩石の間で起こり、炭酸塩 (中性、酸性、塩基性) が形成されます。

サイクルのこの無機部分は、大気および水圏での CO2 の損失につながります。逆に、石炭、石油、ガス (8)、薪 (4) の燃焼と処理における人間の活動は、一酸化炭素 (4) を環境に豊富に与えます。長い間、光合成のおかげで大気中の二酸化炭素濃度は一定に保たれるという確信がありました。しかし、現時点では、人間の活動による大気中の CO2 含有量の増加は、自然の減少によって補われていません。大気中への CO2 の総放出量は、毎年 4 ～ 5% ずつ急激に増加しています。計算によると、2000 年には大気中の CO2 含有量は 0.03% (1990 年) から約 0.04% に達すると予想されています。

炭素含有化合物の性質と特性を考慮した後、炭素の主導的役割が改めて強調されるべきである

米。 12.3.炭素循環自然

Organogen No. 1: まず、炭素原子が有機化合物の分子の骨格を形成します。第二に、すべての有機体の原子の中で酸化還元二重性によって最も特徴づけられるのは炭素であるため、炭素原子は酸化還元プロセスにおいて重要な役割を果たします。有機化合物の特性の詳細については、モジュール IV「生物有機化学の基礎」を参照してください。

IVA 族の p 要素の一般的な特徴と生物学的役割。炭素の電子的類似体は、IVA 族の元素です: シリコン Si、ゲルマニウム Ge、錫 Sn、鉛 Pb (表 1.2 を参照)。これらの元素の原子の半径は原子番号の増加とともに自然に増加し、イオン化エネルギーと電気陰性度は自然に減少します (セクション 1.3)。したがって、このグループの最初の 2 つの元素、炭素とシリコンは典型的な非金属であり、ゲルマニウム、スズ、鉛は電子の損失が最も特徴的なため金属です。 Ge - Sn - Pb シリーズでは、金属特性が向上します。

酸化還元特性の観点から見ると、元素 C、Si、Ge、Sn、Pb は、通常の状態では空気および水に対して非常に安定です (金属 Sn および Pb - 表面に酸化膜が形成されるため) ）。同時に、鉛化合物 (4) は強力な酸化剤です。

鉛の Pb 2+ カチオンは IVA 族の他の p 元素のカチオンと比較して強力な錯化剤であるため、錯化特性は鉛の最も特徴的なものです。鉛カチオンはバイオリガンドと強力な錯体を形成します。

IVA 族の元素は、体内の含有量と生物学的役割の両方において大きく異なります。炭素は体の寿命において基本的な役割を果たしており、その含有量は約 20% です。体内の他のIVA族元素の含有量は10 -6 ～10 -3%以内です。同時に、シリコンとゲルマニウムが間違いなく体の生命にとって重要な役割を果たしているとすれば、スズ、特に鉛は有毒です。したがって、IVA族元素の原子量が増加するにつれて、それらの化合物の毒性も増加します。

石炭や二酸化ケイ素 SiO2 の粒子からなる粉塵が肺に体系的に曝露されると、じん肺という病気を引き起こします。石炭粉塵の場合、これは炭疽病であり、鉱山労働者の職業病です。 SiO2を含む粉塵を吸入すると珪肺症が発生します。じん肺の発症メカニズムはまだ確立されていません。ケイ酸塩砂粒子と体液との長時間の接触により、ポリケイ酸SiO2yH2Oがゲル状の状態で形成され、これが細胞内に沈着すると細胞死を引き起こすと考えられている。

鉛の有毒な影響は非常に長い間人類に知られていました。食器や水道管の製造に鉛が使用されたことで、大規模な中毒が発生しました。現在、鉛化合物の大気中への放出量は年間 400,000 トンを超えており、鉛は引き続き主要な環境汚染物質の 1 つです。鉛は主に難溶性リン酸塩 Pb3(PO4)2 の形で骨格に蓄積し、骨が脱灰すると、身体に定期的に有毒な影響を及ぼします。したがって、鉛は蓄積性毒物として分類されます。リード化合物の毒性は、主にその錯体形成特性とバイオリガンド、特にスルフヒドリル基 (-SH) を含むものに対する高い親和性に関連しています。

鉛イオンとタンパク質、リン脂質およびヌクレオチドとの複合化合物の形成は、それらの変性を引き起こします。多くの場合、鉛イオンは EM 2+ 金属酵素を阻害し、生命金属陽イオンを金属酵素から追い出します。

鉛とその化合物は、主に神経系、血管、血液に作用する毒です。同時に、リード化合物はタンパク質合成、細胞およびその遺伝装置のエネルギーバランスに影響を与えます。

医療では、酢酸鉛 Pb(CH3COO)2ZH2O (鉛ローション) および酸化鉛(2) PbO (鉛石膏) の外用消毒剤が収斂剤として使用されます。これらの化合物の鉛イオンは、微生物の細胞および組織の細胞質内のタンパク質（アルブミン）と反応し、ゲル状のアルブミン酸塩を形成します。ゲルの形成により微生物が死滅し、さらに微生物が組織細胞に浸透することが困難になり、局所的な炎症反応が軽減されます。

有機および無機の多種多様な化合物を形成できる最も驚くべき元素の 1 つは炭素です。これは非常に珍しい特性を持つ元素であるため、メンデレーエフはまだ明らかにされていない機能について語り、その素晴らしい将来を予測しました。

その後、これは事実上確認されました。それは私たちの惑星の主要な生物起源要素であり、絶対にすべての生き物の一部であることが知られるようになりました。さらに、あらゆる点で根本的に異なる形態で存在することができますが、同時に炭素原子のみで構成されます。

一般に、この構造には多くの特徴があるため、この記事の中でそれらを理解していきます。

炭素: 元素系における式と位置

周期表では、炭素元素は主要なサブグループである IV 族 (14 年の新しいモデルによる) に位置します。原子番号は 6、原子量は 12.011 です。記号Cが付いた元素の指定は、ラテン語での名前 - カルボネウムを示します。炭素にはいくつかの異なる形態が存在します。したがって、その式は変化し、特定の変更によって異なります。

ただし、もちろん、反応式を記述するための特別な表記法があります。一般に、純粋な形の物質について話すときは、指数付けなしで炭素 C の分子式が受け入れられます。

元素発見の歴史

この元素自体は古くから知られていました。結局のところ、自然界で最も重要な鉱物の 1 つは石炭です。したがって、古代ギリシャ人、ローマ人、その他の国々にとってそれは秘密ではありませんでした。

この種類に加えて、ダイヤモンドやグラファイトも使用されました。長い間、後者については混乱を招く状況が多くありました。次のような化合物は、組成を分析せずにグラファイトと間違われることがよくあったためです。

銀の鉛;
炭化鉄;
硫化モリブデン。

それらはすべて黒く塗装されていたため、グラファイトと考えられていました。後にこの誤解は解明され、この形の炭素そのものになりました。

1725 年以来、ダイヤモンドは商業的に非常に重要なものとなり、1970 年にはダイヤモンドを人工的に製造する技術が習得されました。 1779 年以来、カールシェーレの研究により、炭素が示す化学的性質が研究されてきました。これは、この元素の分野における多くの重要な発見の始まりとなり、そのすべてのユニークな特徴を解明する基礎となりました。

自然界における炭素同位体と分布

問題の元素は最も重要な生物起源の元素の 1 つであるという事実にもかかわらず、地殻の質量に占めるその総含有量は 0.15% です。これは、自然の自然なサイクルである絶え間ない循環にさらされているために起こります。

一般に、炭素を含む鉱物化合物をいくつか挙げることができます。これらは次のような自然品種です。

ドロマイトと石灰岩。
無煙炭;
オイルシェール;
天然ガス;
石炭;
油;
褐炭;
泥炭;
アスファルト。

さらに、炭素化合物の単なる貯蔵庫である生物のことも忘れてはなりません。結局のところ、それはタンパク質、脂肪、炭水化物、核酸、そして最も重要な構造分子を形成します。一般に、乾燥体重70kgのうち、15kgが純粋な元素で占められています。そしてそれは、動物、植物、その他の生物はもちろんのこと、すべての人にとっても同様です。

水、つまり水圏全体と大気を考えると、CO 2 という式で表される炭素と酸素の混合物が存在します。二酸化物または二酸化炭素は、空気を構成する主なガスの 1 つです。この形態では、炭素の質量分率は 0.046% になります。世界の海洋にはさらに多くの二酸化炭素が溶解しています。

元素としての炭素の原子量は 12.011 です。この値は、自然界に存在するすべての同位体種類の原子量の算術平均として、その存在量 (パーセンテージとして) を考慮して計算されることが知られています。これは問題の物質で起こります。炭素が発生する主な同位体は 3 つあります。これ：

12 C - その質量分率は圧倒的に 98.93% です。
13C - 1.07%;
14 C - 放射性、半減期 5700 年、安定したベータ線放出体。

サンプルの地質年代学的年代を決定する実際には、放射性同位体 14 C が広く使用されており、その長い崩壊期間による指標となります。

元素の同素体修飾

炭素は、単体ではさまざまな形で存在する元素です。つまり、今日知られている中で最も多くの同素体修飾を形成することができます。

1. 結晶の変化 - 規則的な原子型の格子を持つ強力な構造の形で存在します。このグループには次のような品種が含まれます。

ダイヤモンド。
フラーレン。
グラファイト;
カービン銃。
ロンズデール人。
そしてチューブ。

それらはすべて異なる格子を持ち、そのノードには炭素原子があります。したがって、物理的および化学的両方において、完全にユニークで異なる特性が得られます。

2. アモルファス形態 - いくつかの天然化合物の一部である炭素原子によって形成されます。つまり、これらは純粋な品種ではなく、少量の他の要素が混合されています。このグループには次のものが含まれます。

活性炭;
石と木。
すす;
カーボンナノフォーム;
無煙炭;
ガラス状炭素;
物質の技術的な多様性。

それらは、特性を説明し、示す結晶格子の構造的特徴によっても統合されています。

3. クラスター状の炭素化合物。これは、原子が内側が空洞で水または他の元素の核で満たされた特殊な構造に閉じ込められている構造です。例:

カーボンナノコーン。
アストラレンズ。
ジカーボン。

アモルファスカーボンの物性

炭素の同素体修飾は多種多様であるため、炭素の一般的な物理的特性を特定することは困難です。具体的な形式について話すほうが簡単です。例えば、アモルファスカーボンは次のような特徴を持っています。

すべての形状は、微結晶品種のグラファイトに基づいています。
熱容量が高い。
良好な導電性。
炭素密度は約2g/cm3です。
1600℃以上に加熱すると、グラファイト形態への転移が起こる。

すすや石の種類は技術的な目的で広く使用されています。それらは純粋な形での炭素修飾の現れではありませんが、非常に大量に含まれています。

結晶性炭素

炭素は、原子が直列に接続されたさまざまなタイプの規則的な結晶を形成する物質であるため、いくつかのオプションがあります。その結果、以下のような変形例が得られる。

- 4 つの四面体が接続された立方体。その結果、各原子のすべての共有化学結合は可能な限り飽和され、強力になります。これは、炭素密度 3300 kg/m3 という物理的特性を説明します。高い硬度、低い熱容量、導電性の欠如 - これらはすべて結晶格子の構造の結果です。技術的に生産されたダイヤモンドがあります。それらは、高温と特定の圧力の影響下でグラファイトが次の変態に移行する間に形成されます。一般に、それは強度と同じくらい高く、約3500℃です。
黒鉛。原子は前の物質の構造と同様に配置されていますが、飽和している結合は 3 つだけで、4 つ目の結合は長くなり強度も弱くなり、六角形の格子リングの「層」を接続します。その結果、グラファイトは触ると柔らかく、脂っこい黒い物質であることがわかりました。良好な導電率を有し、融点が 3525 ℃と高く、昇華可能です。液体 (温度 3700 ℃) をバイパスして、固体から気体状態に昇華します。カーボンの密度は 2.26 g/cm3 で、ダイヤモンドの密度よりもはるかに低いです。これはそれらの異なる特性を説明します。結晶格子の層状構造により、グラファイトは鉛筆の芯の製造に使用できます。紙の上に通すと鱗が剥がれ、紙に黒い跡が残ります。
フラーレン。それらは前世紀の80年代になって初めて発見されました。炭素同士が結合し、中央に空洞のある特殊な凸状の閉じた構造となった修飾です。また、結晶の形状は多面体であり、規則的に組織されている。原子の数は偶数です。フラーレン C 60 の最も有名な形態。研究中に同様の物質のサンプルが発見されました。

隕石。
底質。
フォルグリット。
シュンガイト。
宇宙空間では、それらはガスの形で封じ込められていました。

あらゆる種類の結晶性炭素は、技術において多くの有用な特性を備えているため、実用上非常に重要です。

化学的活性

分子状炭素はその構造が安定しているため、化学反応性が低くなります。原子に追加のエネルギーを与え、外側準位の電子を強制的に蒸発させることによってのみ、強制的に反応させることができます。この時点で価数は 4 になります。したがって、化合物中では + 2、+ 4、- 4 の酸化状態になります。

金属と非金属の両方の単体物質とのほとんどすべての反応は、高温の影響下で発生します。問題の元素は酸化剤または還元剤のいずれかになります。ただし、後者の特性が特に顕著であり、これが冶金産業やその他の産業での使用に基づいています。

一般に、化学相互作用を開始できるかどうかは、次の 3 つの要因によって決まります。

カーボン分散。
同素体修飾。
反応温度。

したがって、場合によっては、次の物質との相互作用が発生します。

非金属（水素、酸素）。
金属（アルミニウム、鉄、カルシウムなど）。
金属酸化物およびその塩。

酸やアルカリとは反応せず、ハロゲンとはほとんど反応しません。炭素の最も重要な特性は、炭素同士で長い鎖を形成できることです。それらは循環して閉じて枝を形成することがあります。このようにして有機化合物の生成が起こり、その数は今日では何百万にものぼります。これらの化合物の基礎は 2 つの元素、炭素と水素です。組成には、酸素、窒素、硫黄、ハロゲン、リン、金属などの他の原子も含まれる場合があります。

基本的な接続とその特徴

炭素を含む化合物にはさまざまなものがあります。それらの中で最も有名な式は CO 2 - 二酸化炭素です。ただし、この酸化物に加えて、CO - 一酸化物または一酸化炭素、および亜酸化物 C 3 O 2 も存在します。

この元素を含む塩の中で最も一般的なのは炭酸カルシウムと炭酸マグネシウムです。したがって、炭酸カルシウムは自然界では次の形で存在するため、その名前にはいくつかの同義語があります。

チョーク;
大理石;
石灰岩。
ドロマイト

アルカリ土類金属炭酸塩の重要性は、それらが地下水だけでなく鍾乳石や石筍の形成に積極的に関与しているという事実からも明らかです。

炭酸も炭素を形成する化合物です。化学式は H 2 CO 3 です。しかし、通常の状態では非常に不安定で、溶液中ではすぐに二酸化炭素と水に分解します。したがって、その塩のみが知られており、それ自体は溶液として知られていません。

直接合成は非常に高温でのみ起こり、生成物の収率も低いため、ハロゲン化炭素は主に間接的に得られます。最も一般的なものの 1 つは CCL 4 (四塩化炭素) です。吸入すると中毒を引き起こす可能性のある有毒な化合物。メタン中でのラジカル光化学置換反応によって得られます。

金属炭化物は、酸化状態 4 を示す炭素化合物です。ホウ素やシリコンとの組み合わせが存在する可能性もあります。一部の金属 (アルミニウム、タングステン、チタン、ニオブ、タンタル、ハフニウム) の炭化物の主な特性は、高強度と優れた導電性です。炭化ホウ素 B 4 C は、ダイヤモンドに次いで最も硬い物質の 1 つです (モースによれば 9.5)。これらの化合物は、化学産業だけでなく技術分野でも炭化水素源として使用されています（炭化カルシウムと水はアセチレンと水酸化カルシウムの形成につながります）。

多くの合金は炭素を使用して作られているため、品質と技術的特性が大幅に向上します (鋼は鉄と炭素の合金です)。

多くの有機炭素化合物は特に注目に値します。有機炭素化合物は、同じ原子と結合してさまざまな構造の長い鎖を形成できる基本的な元素です。これらには次のものが含まれます。

アルカン;
アルケン;
アリーナ;
タンパク質;
炭水化物;
核酸;
アルコール;
カルボン酸や他の多くのクラスの物質。

カーボンの応用

人間の生活における炭素化合物とその同素体修飾の重要性は非常に大きいです。これが実際に当てはまることを明確にするために、最もグローバルな業界をいくつか挙げることができます。

この元素は、人間がエネルギーを得るあらゆる種類の有機燃料を形成します。
冶金産業では、化合物から金属を得るために炭素を強力な還元剤として使用します。ここでは炭酸塩も広く使用されています。
建設業や化学産業では、新しい物質を合成したり、必要な製品を生産したりするために、大量の炭素化合物が消費されます。

このような経済セクターには、次のように名前を付けることもできます。

原子力産業。
ジュエリー作り。
技術機器（潤滑剤、耐熱るつぼ、鉛筆など）。
岩石の地質年代の決定 - 放射性指標14 C;
カーボンは優れた吸着剤であるため、フィルターの製造に使用できます。

自然の中のサイクル

自然界に存在する炭素の質量は、世界中で毎秒周期的に発生する一定のサイクルに含まれています。したがって、大気中の炭素源である CO 2 は植物に吸収され、すべての生物が呼吸中に放出します。一度大気中に入ると再び吸収されるというサイクルが続きます。この場合、有機物の死により炭素が放出され、地中に蓄積され、そこから炭素は再び生物に吸収され、ガスの形で大気中に放出されます。