 今日は１４族典型元素の炭素について，勉強しましょう。炭素の価電子は何個でしたか？４個でしたね。この価電子がすべて不対電子であるため，炭素原子は４個の他の原子と共有結合ができるのです。炭素は石炭や木炭の成分として古くからよく知られた元素であり，特定の発見者はいないようです。英語名ｃａｒｂｏｎは，フランスのトモルボーがラテン語の木炭ｃａｒｂｏにちなんだｃａｒｂｏｎｅを１７８７年に提唱したことに由来するそうです。ドイツ語ではＫｏｈｌｅｎｓｔｏｆｆ（炭の物質）とよび，日本語の炭素と同じです。   今日の学習内容は，次の通りです。 （１）炭素族元素 （２）炭素の単体 （３）炭素の化合物 （４）ケイ素の単体 （５）ケイ素の化合物 最初は，炭素族元素です。  |
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| Ｃ６０分子の存在は，豊橋技術大学の大沢映二教授が１９７０年に最初に予想しました。π電子が３次元的に移動できる分子を考案している中で予想したものです。しかし，Ｃ６０は１９８５年に英米の化学者H.W.クロート（サセックス大学），R.E.スモーリー（ライス大学）の共同研究により実際に発見されました。二人はクラスターについて研究し，一連の物質をフラーレンとよびました。 クラスターとは，原子が数個〜数百個集まった集合体のことで，結晶や個々の原子・分子とは異なった性質を示します。真空中で黒鉛に強力なレーザーを照射すると炭素原子となって蒸発しますが，真空中で炭素原子が集まると共有結合の分子すなわち炭素クラスターができます。クロートたちは，炭素蒸気中にごく微量のＣ６０とともにＣ７０を見出し，サッカーボール・ラグビーボール型の分子を想定しました。得られたクラスターは微量でしたが，その大部分はＣ６０であったといいます。 クロートたちはＣ６０を検出したものの，これを単離することはできませんでした。Ｃ６０をグラム単位で取り出すことに成功したのは１９９０年で，W.Krätschmer（マックスプランク核物理学研究所），D.R.Huffman（アリゾナ大学）の共同研究によります。彼らは，ヘリウムガス中で黒鉛に電流を通じてススをつくり，その中のベンゼンに溶ける成分をカラムクロマト法で分離して取り出しました。 Ｃ６０の正確な分子構造は，５Ｋに冷却した結晶の中性子回折により求められました。そして，１２個の五角形と２０個の六角形からなるサッカーボール型であることが確定しました。Ｃ６０分子の直径は約０．７ｎｍで，分子内に金属イオンや小さい分子を取り込む余地が十分にあります。 １９９６年のノーベル科学賞は，フラーレンＣ６０の発見に対して，サセックス大学のクロート（英），ライス大学のスモーリーと カール（米）の三教授に与えられました。 Ｃ６０フラーレンは，ベンゼンに溶けて赤色の溶液になります。比較のために，少量の活性炭をベンゼンに加えてみましょう。溶けません。   |
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炭素の酸化物には，一酸化炭素や二酸化炭素があります。一酸化炭素の毒性が強いことは有名ですから，たぶん知っていたでしょう。一酸化窒素は血液中のヘモグロビンと強く結合する性質があります。酸素より１０００倍も強いといわれています。結合力ですね。一酸化窒素がヘモグロビンに結びついてしまえば，酸素を体内に運ぶことができなくなります。  二酸化炭素は赤外線を吸収しやすいので，大気中の二酸化炭素は熱を保持する性質があるといわれています。    |
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| 有機化合物は，無機の後で勉強します。中学校でも有機物は出てきましたね。そのときは。炭素を含む物質と紹介されています。しかし，有機化合物の定義は意外と難しいのです。 もともと有機化合物は生物によって生成されるものと考えていました。ところが，１８２８年にドイツのウェーラーは，シアン酸アンモニウムが加熱によって尿素に変わることを発見したのです。たぶん，この発見は偶然だったと思います。なぜなら，ウェーラー自身の驚きは大変なものだったのです。彼の恩師であるベルセーリウスに対する報告でもわかります。
次にケイ素について勉強しましょう。ケイ素は，地殻では酸素についで多く存在し，いろいろな酸化物やケイ酸塩が石英，長石，水晶，雲母などの鉱物のかたちで産出されます。 ケイ素の元素名ｓｉｌｉｃｏｎはラテン語のケイ砂ｓｉｌｅｘ（硬い石，火打ち石）に由来するようです。単体のケイ素は天然にはありにません。単体は，１８２３年スウェーデンのベルセーリウスがフッ化ケイ素を金属カリウムで還元することにより単離しました。純粋な結晶は，フランスのドービルが１８５４年につくったといわれています。現在最も純度の高いケイ素は，テンナインとかイレブンナインとかいわれています。テンナインとは，９９．９９９９９９９９％のことですね。このテンナインのケイ素１ｇにケイ素分子が約２×１０２２個含まれています。するとケイ素１ｇ中の不純物の数は，もしケイ素と同じ質量とすれば２×１０１２個ということになります。といっても，ピンときませんね。 ケイ素といえば半導体ですね。ところで半導体って何なのでしょうか？銅のように電流をよく通すものを導体といい，プラスチックのように通しにくいものを絶縁体といいますね。この中間にあるものが半導体で，ケイ素以外にはゲルマニウムも半導体です。半導体の結晶中では，共有結合の一部が切れて自由電子が結晶中に飛び出し，電子が飛び出した後にはホール（正孔）といってあたかも正の電荷をもつかのようにふるまいます。このような半導体にごく微量の不純物を加えると，自由電子やホールの数を制御して電気伝導性を大きく変えることができるのです。   |
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| 二酸化ケイ素ＳｉＯ２は酸性酸化物であり，水酸化ナトリウムなどの塩基と反応して，ケイ酸イオンが立体的にならんだ骨格構造をもつケイ酸ナトリウムＮａ２ＳｉＯ３となります。 ケイ酸ナトリウムを水中で加熱するとナトリウムが水酸化物イオンと置換した水ガラスができます。 水ガラスを乾燥するとケイ酸ｍＳｉＯ２・ｎＨ２Ｏになり，これをほぼ完全に脱水したものが乾燥剤のシリカゲルです。シリカゲルは表面積が大きいので，表面には水分子だけでなく，気体や色素などを強く吸着することができます。 |
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それでは実験をみてもらいましょう。 粉末のケイ素０．２５ｇに６ｍｏｌ/ｌ のＮａＯＨaq５ｍｌ を加え加熱すると，やがて激しく反応します。このとき水素が発生します。次に３ｍｏｌ/ｌ のＨＣｌ５ｍｌ と水１０ｍｌ 加えてろ過します。このろ液に少しずつ３ｍｏｌ/ｌ のＨＣｌを４ｍｌ 加えると，ゲル化します。また，水でうすめた水ガラスにフェノールフタレイン溶液を加え，３ｍｏｌ/ｌ のＨＣｌを加えていってもゲル化します。このゲルは，どうしてもさわりたい衝動に駆られます。 陶磁器，ガラス，ほうろう，セメントなどは，私たちの生活に関係の深いものです。そのような製品は，ケイ砂塩工業または窯業でつくられます。    炭素の化合物は，非常に種類が多いのが特徴です。そして，その大部分は有機化合物です。有機化合物については，種類が多いので，構造や官能基で分類します。 人類は，大昔石器を使っていました。次に，金属を使いました，さらにプラスチックを使いました。そして，再び石器に戻ろうとしています。それが，セラミックスです。セラミックス製品は，あなたのまわりにもきっとあるでしょう。 それでは，今日の学習内容の確認です。 １．炭素の同素体を３種類上げなさい。 ２．ギ酸を濃硫酸と加熱すると，何が発生しますか？ ３．炭酸塩に希塩酸を加えると，何が発生しますか？ ４．二酸化炭素を石灰水に通じると，白濁する。この反応を，化学反応式で示しなさい。また，二酸化炭素を通じ続けると，白濁が消えます。この反応を，化学反応式で示しなさい。 ５．１８２８年ドイツのウェーラーは，シアン酸アンモニウムから何を合成しましたか？ ６．石英や水晶，ケイ砂の主成分は何ですか。 ７．二酸化ケイ素が何に溶けるとヘキサフルオロケイ酸Ｈ２ＳｉＦ６になりますか？ ８．水ガラスに塩酸を加えると，半透明ゼリー状のものが生じます。これを何といいますか？ ９．８を加熱して脱水すると乾燥剤や吸着剤として利用されるものができます。これは何ですか？ |
答
１．ダイヤモンド，黒鉛，フラーレン
２．酸化炭素
３．二酸化炭素
４．Ca(ＯＨ)２＋ＣＯ２→ＣａＣＯ３＋Ｈ２Ｏ
ＣａＣＯ３＋Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２→Ｃａ(ＨＣＯ３)２
５．尿素
６．二酸化ケイ素
７．フッ化水素酸
８．ケイ酸
９．シリカゲル
