炭素族の物理的および化学的歴史-グラフェン、グラフェン、サッカーンなど

炭素は、IVAの第2周期ファミリーの非金属元素です。カルボニウム、ラテン語で「石炭、木炭」。炭素は非常に一般的な元素です。大気、地殻、生物などさまざまな形で広く見られます。炭素は長い間認識され、使用されてきました。一連の炭素化合物-有機は基本的な生命です。炭素は銑鉄、錬鉄、鉄鋼の成分のひとつです。炭素は化学的に自己結合して、生物学的および商業的に重要な分子である多数の化合物を形成する可能性があります。生体内のほとんどの分子には炭素が含まれており、炭素は遊離元素（ダイヤモンド、グラファイトなど）と化合物（主にカルシウム、マグネシウム、その他の炭酸塩の電気陽性元素）の両方として存在します。それは二酸化炭素として存在し、大気の小さいが非常に重要な成分です。地殻の岩石中の炭素の総量は大きく異なると予想されます。

ダイヤモンドは火山細管火の礫岩（火山細管）から来ています。それは「青い地球」または「ダイヤモンドを含む火成岩」と呼ばれる柔らかくて暗いアルカリ岩に埋め込まれています。 1870年、このような火山の細管は南アフリカのジンボリ市で最初に発見されました。 [10]地質時代の変化に伴い、火山シリンダーの風化と腐食による砂利とビーチの侵食にダイヤモンドが見られます。ダイヤモンド結晶化の元のモードは、今日でも活発な研究トピックです。典型的なダイヤモンド火山シリンダー内のダイヤモンドの含有量は非常に低く、その大きさは1/5百万です。ミネラルは、破砕や水簸などの機械的方法で分離し、ダイヤモンドが付着する軟膏でコーティングされたベルトを通過する必要があります。ある程度、これは宝石グレードのダイヤモンドの非常に高い価格を説明しています。地下の状態では、要素がある場所から別の場所に移動することはまれです。したがって、地球上の炭素の量は有効な定数です。自然界の炭素の流れは炭素循環を構成します。たとえば、植物は環境から二酸化炭素を取り込んで、炭素呼吸やカルビン回路（炭素固定のプロセス）などのバイオマスエネルギーを貯蔵します。一部のバイオマスは捕食によって移動し、一部の炭素は二酸化炭素の形で動物によって吐き出されます。炭素循環の構造は、右の概略図よりもはるかに複雑です。たとえば、二酸化炭素の一部は海に溶け、死んだ植物や動物の残骸は石炭、石油、天然ガスを形成し、燃焼によって放出されますが、バクテリアはそれらを使用できません。

同素体

ダイヤモンドカーボン

炭素のいくつかの同素体

炭素のいくつかの同素体

無煙炭（石炭の一種）、グラファイト、ダイヤモンドの形で天然のものであり、歴史的には灰や木炭としてより容易に入手できます。最終的に、これらの異なる材料は同じ要素でできていると考えられます。当然のことながら、ダイヤモンドは特定が最も困難です。フィレンツェの自然主義者ジュゼッペ・ピーベラニと医療従事者のチプリアーノ・タルギオーニは、ダイヤモンドが加熱によって破壊される可能性があることを最初に発見しました。 1694年に彼らは大きな虫眼鏡を使って日光をダイヤモンドに集中させました、そして石は結局消えました。 Pierre-joseph名詞とgodefroylletaneuseは、1771年に実験を繰り返しました。その後、1796年に、英国の化学者スミソンテナントは、燃焼時にCO2のみが生成されることを示し、ダイヤモンドは炭素の一種にすぎないことを証明しました。 （構造は図aに示されています）

ダイヤモンドは最も固体の炭素構造であり、炭素原子が結晶構造の形で配置されています。各炭素原子は他の4つの炭素原子と密接に結合し、空間ネットワーク構造を形成し、最終的に高硬度で低活性の固体を形成します。高沸点、3500℃以上の融点、融点はいくつかの星の表面温度に等しいダイヤモンド。ダイヤモンド分子では、各炭素原子は他の4つの炭素原子に囲まれています。これらの炭素原子は強い結合力で結合して巨大な分子を形成しているため、ダイヤモンドは非常に硬いです。ダイヤモンドは絶縁体です。使用は装飾品を作ることであり、待つためのビット素材です。

グラファイトは、濃い灰色の金属光沢と不透明な微細なスケールです。グラファイトは、原子結晶と分子結晶の両方の特性を持つ混晶に属します。柔らかく、脂っこく、導電性に優れています。高い融点と沸点。グラファイト分子の各炭素原子は、強い力で他の3つの炭素原子とのみ結合し、ラメラ構造を形成します。ラメラ結合力が小さいため、潤滑剤としてグラファイトを使用できます。鉛筆、電極、路面電車ケーブルなどの製造に使用されます（構造は図bに示されています）

Soccereneは、1985年に米国のテキサスロス大学の科学者によって発見されました。 C60の分子には60個のC原子があり、32個の面、20個の正六角形、および12個の正五角形を形成しています。フラーレンの炭素原子は球形のドームで結合しています。 （図e、fに示す構造）は、融点と沸点が低く、硬度と絶縁性が低い分子結晶です。

ロンズデーライト（ダイヤモンドと同じ結合タイプですが、原子は六角形に配置されています。六角形ダイヤモンドとも呼ばれます）（構造を図cに示します）

[グラファイトが隕石と衝突して生成され、原子が六角形に配置されたチャオ石]

シュワルツァイト（七角形の存在により六角形の層がねじれて「負の曲率」のサドルになる架空の構造）炭素繊維（フィラメント状炭素）

Carbonaerogels（Carbonaerogels）

カーボンナノフォーム（クモの巣、フラクタル構造、カーボンエアロゲルの密度1％、強磁性）[9]

グラフェンは二次元の結晶です。グラフェンの最大の特徴は、電子が光速の1/300の速度で移動することです。これは、通常の導体の電子よりもはるかに高速です。これにより、グラフェン、より正確には「電荷キャリア」内の電子が相対論的ニュートリノと非常によく似たものになります。一般的なグラファイトは、平面状の炭素原子の層をハニカム状に規則正しく配置して積み重ねることによって形成されます。グラファイトの層間力が弱く、剥がれやすくグラファイトシートになります。グラファイトのシートを1原子の厚さの単層に剥がすと、それはグラフェンになります。

アモルファスカーボン（アモルファス、実際には異形ではありませんが、グラファイト）（図gを参照）

化学編集

エレメンタル

要素のプロパティデータ

要素のプロパティデータ

酸素で燃える

強烈な発熱、まばゆいばかりの白色光、無色の無味の水酸化カルシウム溶液（透明な石灰水）の濁ったガスを生成します

化学反応式：

C + O2 ==点火== CO2（化学反応）

空中で燃やす

発熱性の連続的な赤熱により、無色無臭の水酸化カルシウム溶液（清澄化石灰水）の濁ったガスCO2が生成されます。一酸化炭素は、燃焼が不十分な場合、つまり酸素量が不十分な場合に生成されます。

酸素が十分な場合の化学式：

C + O2 ==点火== CO2（化学反応）

酸素が不足しているときの化学反応式：

2C + O2 ==点火== 2CO（化学反応）

還元剤として

還元剤として、炭素は水素や一酸化炭素と同様の化学的性質を持っていますが（ただし生成物は異なります）、金属酸化物から還元することができます。

炭素還元酸化銅：

C + 2CuO ==高温== 2Cu + CO2（置換反応）

炭素還元酸化鉄：

3C + 2Fe2O3 ==高温== 4Fe + 3CO2反応（置換反応）

二酸化炭素の削減：

C + CO2 ==高温== 2CO（化学反応）

しかし、炭素は過マンガン酸カリウムで密閉された空間で加熱され、酸素を分解し、炭素は急速に酸化して爆発します。

強酸化性酸との反応：

C + 2H2SO4（濃縮）==加熱== CO2 + 2SO2 + 2H2O

C + 4HNO3（濃縮）==加熱== CO2 4NO2 + 2H2O

の安定性

炭素は「常温」で安定しており、反応しにくいです。したがって、有名な古代の絵画は現代でも保存することができ、アーカイブの作成にはカーボンインクを使用する必要があります[9]。

化合物

炭素化合物のうち、無機物質に属するのは次の化合物のみです：炭素酸化物、炭化物、炭素の硫黄化合物、二硫化炭素（CS2）、炭酸塩、重炭酸塩、シアン、および一連の疑似ハロゲンとそれらの準ハロゲン化物、疑似-シアン[（CN）2]、シアン[（OCN）2]、シアン[（SCN）2]などのハロゲン化合物、およびその他の炭素含有化合物はすべて有機化合物です。

炭素原子によって形成される結合は比較的安定しているため、有機化合物中の炭素の数と配置、および置換基の種類と位置は非常にランダムであり、有機化合物の数が非常に多いという現象につながります。そして現代人によって発見された化合物のほとんどは有機化合物です。有機物は本質的に無機物とはかなり異なります。それらは一般に可燃性であり、水に溶けにくい。反応機構は複雑で、独立した分岐、つまり有機化学を形成しています。 [11]

メソッドを編集する

ダイヤモンド

2005年の世界のダイヤモンド生産

2005年の世界のダイヤモンド生産

ダイヤモンドのサプライチェーンは、限られた数の資格のある取引グループによって管理されており、世界の非常に小さな地域に非常に集中しています。非常に少数の預金だけが実際の価値を持っています。鉱石の粉砕中は、プロセス中にダイヤモンドが破損しないように注意する必要があります。その後、ダイヤモンドは密度に応じて順序付けられます。ダイヤモンドがX線で等級分けされる現在まで、最終的な選別プロセスは手作業で行われていました。 X線操作が一般的になる前は、分離は軟膏でコーティングされたベルト上で行われ、ダイヤモンドは他の鉱物よりもよく結合されていました。 [14]

黒鉛

商業的に価値のある黒鉛鉱床は世界中で見られますが、最も重要な経済的源泉は中国、インド、ブラジル、北朝鮮です。イギリスのデビッドコトックのボローデールでは、19世紀以前に、グラファイトの堆積物が最初に十分なサイズと純度を達成しました。 21世紀以降、母岩と軽量黒鉛の表面を粉砕することにより、小さな黒鉛堆積物が得られました。

アプリケーションドメインの編集

炭素はすべての既知の生命システムに不可欠であり、それなしでは生命は存在できません。

食品と木材以外の炭素の主な経済的用途は、炭化水素（特に石油と天然ガス）の形です。原油は、石油化学産業によって製油所で、ガソリンや灯油などの他の商品を生産するための分別プロセスを通じて生産されます。

セルロースは、綿、麻、亜麻、その他の植物から得られる天然の炭素含有ポリマーです。植物におけるセルロースの主な役割は、植物の構造を維持することです。動物由来の商業的に価値のあるポリマーには、炭素である羊毛、カシミア、絹などのポリマーが含まれ、多くの場合、ポリマーの主鎖に規則的に配置されている窒素および酸素原子が含まれます。

炭素とその化合物は多様です。炭素は鉄、最も一般的には炭素鋼と合金を形成することもできます。グラファイトは、潤滑剤や顔料としても使用できます。ガラス製造の成形材料としても使用できます。グラファイトは、電極、電気めっき、電鋳、電気モーター、ブラシに使用されます。コークスは、グリル、製図材料、製鉄に使用できます。宝石グレードのダイヤモンドは宝石として使用され、工業用ダイヤモンドは穴あけ、切断、研磨、および石や金属を処理するためのツールとして使用されます。

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