炭素は、非ある - その化学記号C.は、その原子は種々の構造を定義する石炭、植物または鉱物、にちなんで命名された金属化学素子。多くの著者がそれを元素の王として認定しています。これは、広範囲の有機および無機化合物を形成し、かなりの数の同素体でも発生するためです。
そして、これが特別な要素としてそれを参照するのに十分でない場合、それはすべての生き物に見られます。すべての生体分子の存在は、CC結合の安定性と強度、および結合する傾向が高いためです。炭素は生命の要素であり、その原子によって彼らの体は構築されます。
木は主に炭水化物で構成されています。炭水化物は、炭素が豊富な多くの化合物の1つです。出典：Pexels。
生体材料を構成する有機化合物は、実際には炭素骨格とヘテロ原子で構成されています。これらは、木の森で肉眼で見ることができます。また、落雷が発生して焙煎した場合。残りの不活性な黒い固体にも炭素があります。でも木炭です。
したがって、この要素には「死んだ」兆候があります。木炭は、酸素の少ない環境での燃焼の産物です。地質学的プロセスの産物である鉱物石炭。両方の固体は同じように見え、それらは黒色であり、燃焼して熱とエネルギーを生成します。収量は異なりますが。
この時点から、炭素は地球の地殻で15番目に豊富な元素です。毎年何百万トンもの石炭が生産されるのも不思議ではありません。これらのミネラルは不純物の程度によって特性が異なり、無煙炭を最高品質のミネラル石炭にしています。
地球の地殻は鉱物炭だけでなく、炭酸塩、特に石灰岩やドロマイトも豊富です。そして、宇宙に関しては、それは4番目に豊富な要素です。つまり、他の惑星にはもっと多くの炭素があります。
炭素の歴史
Retrospect
炭素は地球の地殻と同じくらい古いかもしれません。太古の昔から、古代文明は多くの自然な表現でこの要素に遭遇しました：すす、木炭、木炭、木炭、ダイヤモンド、グラファイト、コールタール、無煙炭など。
これらの固体はすべて、暗い色調（ダイヤモンドを除く）を共有していましたが、残りの物理的特性とその組成は著しく異なっていました。当時、それらが本質的に炭素原子で構成されていると主張することは不可能でした。
したがって、歴史を通じて、石炭は燃焼時および熱供給時の品質に応じて分類されていました。そして、その燃焼によって形成されたガスにより、水塊が加熱され、それが次に蒸気を発生させ、それがタービンを動かして電流を発生させた。
閉鎖された、または密閉された空間で木を燃やすことによって生成された木炭には、疑いのない方法で炭素が存在していました。鉛筆が作られたグラファイトで; 宝石として使用されるダイヤモンド。彼は鋼の硬度を担当しました。
その歴史は、木材、火薬、都市の照明ガス、列車や船、ビール、潤滑剤、および人類の進歩のための他の重要なオブジェクトと密接に関連しています。
認識
科学者はどの時点で炭素の同素体と鉱物を同じ元素に関連付けることができましたか？石炭は鉱物と見なされ、周期表に値する化学元素とは考えられていませんでした。最初のステップは、これらすべての固体が同じガスに変換されたことを示すことでした：二酸化炭素、CO 2。
1772年のアントワーヌラヴォイジエは、大きなレンズを備えた木製フレームを使用して、木炭とダイヤモンドのサンプルに太陽光線を集中させました。彼はどちらも水蒸気を生成せず、CO 2を生成することを発見した。彼はすすについても同じことを行い、同じ結果を得ました。
1779年にカールウィルヘルムシェールは、木炭とグラファイトの化学関係を発見しました。つまり、両方の固体が同じ原子で構成されていました。
1797年にスミスソンテナントとウィリアムハイドウォラストンは、燃焼によりCO 2を生成することにより、ダイヤモンドが実際に炭素で構成されていることを（反応により）方法論的に検証しました。
これらの結果により、すぐにグラファイトとダイヤモンド、炭素によって形成された固体、したがって高純度の光に光が当てられました。石炭や他の炭素質鉱物の不純な固体とは異なり。
プロパティ
固体、鉱物、または炭素質材料に見られる物理的または化学的特性は、多くの変数の影響を受けます。それらには、不純物の組成または程度、炭素原子の混成、構造の多様性、および細孔の形態またはサイズがあります。
炭素の特性を説明する場合、ほとんどのテキストまたは書誌情報源はグラファイトとダイヤモンドに基づいています。
どうして？これらはこの元素の最もよく知られている同素体であり、固体または高純度の物質を表すためです。つまり、実際には炭素原子のみで構成されています（ただし、次のセクションで説明するように、構造は異なります）。
木炭と鉱物炭の性質は、それぞれその起源や組成が異なります。たとえば、無煙炭（高炭素）と比較して、燃料としての亜炭（低炭素）はクロールします。そして、他の同素体はどうですか：ナノチューブ、フラーレン、グラフェン、グラフィンなど。
しかし、化学的に彼らが共通して一点を持っている：彼らは、CO中の酸素の過剰な酸化2：
C + O 2 => CO 2
現在、酸化に必要な速度または温度は、これらの同素体のそれぞれに固有です。
グラファイトvsダイヤモンド
これらの2つの同素体の非常に異なる特性に関して、ここで簡単なコメントも行います。
炭素の2つの結晶同素体のいくつかの特性を比較した表。出典：ガブリエルボリバル
構造と電子構成
ハイブリダイゼーション
ハイブリッド軌道と炭素の可能な構造との関係。出典：ガブリエルボリバル
炭素原子のための電子配置は1Sある2 2S 2 2P 2も2Sとして書かれ、2 2P 2（トップ画像）。この表現は、その基底状態に対応します。他の原子と相互作用することができないような真空状態で分離および浮遊している炭素原子。
その2p軌道の1つには電子が欠けていることがわかります。これは、電子的昇進によって低エネルギー2s軌道から電子を受け入れます。したがって、原子は4つのsp 3ハイブリッド軌道を介して最大4つの共有結合を形成する能力を獲得します。
4つのsp 3軌道はすべてエネルギーが縮退している（同じレベルに整列している）ことに注意してください。純粋なp軌道はよりエネルギー的です。そのため、他のハイブリッド軌道の上（画像の右側）に配置されます。
3つの混成軌道がある場合、1つの未混成のp軌道が残っているためです。したがって、これらは3つのsp 2軌道です。そして、これらのハイブリッド軌道が2つある場合、sp炭素の混成である2つまたは3つの結合を形成するために2つのp軌道が利用可能です。
このような電子的側面は、炭素が同素体の無限に見られる理由を理解するために不可欠です。
酸化数
構造を進める前に、価電子構成2s 2 2p 2が与えられた場合、炭素は+ 4、+ 2、0、-2、および-4の酸化数を持つことができることに言及する価値があります。
どうして？これらの数値は、それぞれの電荷でイオンを形成するようなイオン結合が存在するという仮定に対応しています。つまり、C 4+、C 2+、C 0（ニュートラル）、C 2-およびC 4-です。
炭素が正の酸化数を持つためには、電子を失う必要があります。そしてそうするためには、それは必然的に非常に電気陰性の原子（酸素のような）に結合されなければなりません。
一方、炭素が負の酸化数を持つためには、金属原子またはそれよりも電気陰性度が低い（水素など）に結合して炭素を獲得する必要があります。
最初の酸化数+4は、炭素がその価電子をすべて失ったことを意味します。2sと2pの軌道は空のままです。2p軌道が2つの電子を失うと、炭素の酸化数は+2になります。2つの電子を得る場合、-2になります。価数オクテットを完了することでさらに2つの電子を獲得する場合は、-4です。
例
たとえば、CO 2の場合、炭素の酸化数は+4です（酸素の方が電気陰性度が高いため）。一方、CH 4の場合は-4です（水素は電気陰性度が低いため）。
CH 3 OHの場合、炭素の酸化数は-2（Hの場合は+ 1、Oの場合は-2）です。HCOOHの場合は+2です（合計が0になることを確認してください）。
特に有機分子に関しては、-3や+3などの他の酸化状態も考えられます。例えば、メチル基では、-CH 3。
分子形状
上の画像は、炭素原子の軌道の混成を示しているだけでなく、いくつかの原子（黒い球）が中央の原子にリンクされている場合に結果として生じる分子の形状も示しています。空間に特定の幾何学的環境を持たせるためのこの中心原子は、それを可能にするそれぞれの化学的ハイブリダイゼーションを持っている必要があります。
たとえば、四面体の場合、中央の炭素にはsp 3ハイブリダイゼーションがあります。これは、4つのsp 3ハイブリッド軌道の最も安定した配置だからです。sp 2炭素の場合、それらは二重結合を形成し、三角形の平面環境を持つことができます。したがって、これらの三角形は完全な六角形を定義します。そして、spハイブリダイゼーションの場合、炭素は線形の形状を採用します。
したがって、すべての同素体の構造で観察されるジオメトリは、四面体（sp 3）、六角形または五角形（sp 2）、および線（sp）によって単純に管理されます。
四面体は3D構造を定義し、六角形、五角形、線は3Dまたは2D構造を定義します。後者は、ハニカムの壁に似た平面またはシートです。
sp2炭素で構成される平面に類似した、六角形のハニカムデザインの壁。出典：Pixabay。
そして、この六角形の壁（五角形または混合）を折りたたむと、チューブ（ナノチューブ）またはボール（フラーレン）、または別の図が得られます。これらの数字間の相互作用により、さまざまな形態が生じます。
アモルファスまたは結晶性の固体
炭素の可能な構造の形状、混成、または形態は別として、その固体は、アモルファスまたは結晶の2つのタイプにグローバルに分類できます。そして、これらの2つの分類の間に、それらの同素体が分布しています。
アモルファスカーボンは、四面体、六角形、または線の任意の混合を示し、構造パターンを確立できないものです。これは、石炭、木炭、活性炭、コークス、すすなどの場合です。
結晶性炭素は、提案された形状のいずれかで構成される構造パターンで構成されていますが、たとえば、ダイヤモンド（四面体の3次元ネットワーク）とグラファイト（積み上げられた六角形シート）。
入手
カーボンはグラファイトまたはダイヤモンドのように純粋なものにすることができます。これらは世界中のさまざまな国に散在するそれぞれの鉱物堆積物に含まれています。そのため、一部の国ではこれらの鉱物の1つを他の国よりも多く輸出しています。つまり、炭素を得るには「地球を掘らなければならない」ということです。
同じことが鉱物石炭とその種類にも当てはまります。しかし、これは木炭には当てはまりません。なぜなら、炭素が豊富な物体は、火の下または電光のどちらかで、最初に「消滅」しなければならないからです。もちろん、酸素がない場合、そうでなければCO 2が放出されます。
森全体が木炭のような炭素源です。その木だけでなく、その動物相についてもです。
一般に、炭素を含むサンプルは、不純物の一部をガスとして放出するために熱分解（酸素がない状態で燃焼）を行う必要があります。したがって、炭素が豊富な固体（アモルファスまたは結晶）が残留物として残ります。
用途
繰り返しになりますが、特性や構造と同様に、用途や用途は炭素の同素体や鉱物形態と一致しています。ただし、いくつかのよく知られた点に加えて、言及できる特定の一般性があります。そのようなものは：
-炭素は、純粋な金属を得るためのミネラル還元剤として長い間使用されてきました。たとえば、鉄、シリコン、リンなどです。
-それは生命の基礎であり、有機化学と生化学はこの反射の研究です。
-それはまた、最初の機械がギアを始動することを可能にした化石燃料でもありました。同じ方法で、古い照明システム用の炭素ガスがそこから得られました。石炭は光、熱、エネルギーの代名詞でした。
-鉄をさまざまな比率で添加剤として混合すると、鋼の発明と改良が可能になります。
-その黒はアート、特にグラファイトとそのラインで書かれたすべての文章で起こりました。
リスクと予防策
炭素とその固形物は健康上のリスクをもたらしません。木炭の袋を気にした人は誰ですか？それらはいくつかの市場の通路内の大群で売られており、近くに火がない限り、彼らの黒いブロックは燃えません。
一方、コークスは、硫黄含有量が高い場合にリスクをもたらす可能性があります。燃焼すると硫黄ガスを放出し、有毒であるだけでなく、酸性雨の原因にもなります。また、少量のCO 2で窒息することはありませんが、温室効果ガスとして環境に大きな影響を与えます。
この観点から、炭素はその燃焼によって地球の気候を変化させるため、「長期的な」危険です。
そして、より物理的な意味では、固体または炭素質の材料は、粉砕された場合、気流によって容易に輸送されます。その結果、それらは肺に直接導入され、回復不能な損傷を与える可能性があります。
残りのために、いくつかの食物が調理されるとき「炭」を消費することは非常に一般的です。
参考文献
- モリソン、RTおよびボイド、R、N。（1987）。有機化学。第5版。社説Addison-Wesley Interamericana。
- キャリーF.（2008）。有機化学。（第6版）。Mc Graw Hill。
- Graham Solomons TW、Craig B. Fryhle。（2011）。有機化学。アミン。（第10版。）。Wiley Plus。
- アンドリュー。（2019）。炭素、その同素体と構造。回収元：everyscience.com
- Advameg、Inc.（2019）。石炭。化学の説明。回収元：chemistryexplained.com
- ヘルメンスティン、アンマリー、Ph.D。（2018年7月11日）。10炭素の事実（原子番号6またはC）。から回復：thoughtco.com
- タウニャ・イーシュ。（2019）。カーボンとは？-子供のための事実と歴史のレッスン。調査。回収元：study.com
- フェル。（sf）。カーボンの歴史。から回復：tf.uni-kiel.de