第６節　炭素・ケイ素とその化合物

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第6節　炭素・ケイ素とその化合物

Ａ　炭素

単体の性質

►炭素

　原子の電子式はと示され，陽イオンにも陰イオンにもなりにくく，共有結合

しやすい。炭素原子は共有結合で長い鎖をつくりやすく，これが有機化合物の炭

素骨格である。炭素原子のみ共有結合で立体的に巨大分子を形成したものが炭素

の単体であり，同素体としてダイヤモンド・黒鉛などが知られている。ここでは，

有機化合物には触れず，主に炭素の単体を考える。

(a)　ダイヤモンド　等軸晶系の正八面体構造をもち(111)面のへき開が容易であ

る。硬度10，密度3.51g/cm³で，白色または無色であるが，着色したものも多

い。空気中では710～900℃で燃焼し，燃焼熱は395kJ/molである。酸やアルカ

リに侵されない。

　　天然では，ダイヤモンドは超塩基性火成岩及びその分解物の蛇紋岩質角レキ

岩中に産する。ダイヤモンドは，近年人工的に結晶を量産できるようになった

が，大きいものでも約4mmで，用途は掘さく機，研摩剤である。さらに炭化

水素やアルコールを原料としてダイヤモンドの微粒子をつくることもできる。

(b)　黒鉛　　石墨ともいう。天然に産出するものは，六方晶系で，鱗状，粒状，

塊状となっている。へき開底面は完全で薄片となり，硬度1～2，密度1.9～

2.3g/cm³，ろう状の感触があって曲がりやすい。酸には溶けない。


ダイヤモンドと黒鉛の構造

　　普通変成岩中に産する。すなわち，結晶質石灰岩，片岩，片麻岩，変成岩層

から産出するが，火成岩中に産することもある。朝鮮，インド，オーストラリ

アなどがその産地である。現在では，人工的に多量につくられ，無煙炭，ピッ

チなどがその原料となる。

であるが，これらは黒鉛と同じ六方平面格子が乱雑な配列をした小結晶の集ま

りであることがわかってきた。

　無定形炭素は黒色不透明で粗い感じがし，その表面積を広くしたものは，気

体や液体や塩類をよく吸着する。

(d)　フラーレン　

　原子の配列や結合のしかたの相違のため，同一元素から性質の異なる2種以上の

単体ができる場合，これらを互いに同素体という。教科書に示した炭素，酸素，リ

ン，硫黄の他に，スズ，セレン，テルル，ヒ素などが知られている。

　よく知られているように，炭素の同素体にはダイヤモンドと黒鉛がある。どちら

も無数の炭素原子が連なって作られた共有結合結晶であるが，近年，60個の炭素

原子でできた安定なC₆₀分子が発見された。炭素の新しい同素体が見いだされたの

である。

　C₆₀分子の存在は，豊橋技術科学大学の大沢映二教授が，北海道大学におられた

1970年に最初に予想された。p 電子が3次元的に移動できる分子を考察している

なかで予想されたものである。しかし，C₆₀は1985年に英米の化学者(H.W.Kroto

サセックス大学(英)，R.E.Smalleyライス大学(米) )の共同研究により実際に発見

された。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んだ。

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するが，真空中で炭素原子が集まると共有結合性の分子すなわ

ち炭素クラスターができる。Krotoたちは，炭素蒸気中にごく微量のC₆₀とともに

C₇₀を見いだした。得られたクラスターは微量であったが，その大部分はC₆₀であっ

たという。

　KrotoたちはC₆₀を検出したものの，これを単離することはできなかった。C₆₀

をグラム単位の量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(独)，D.R.Huffmanアリゾナ大学(米)の共同研究に

よる。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た。

そして，12個の5角形と20個の6角形からなるサッカーボール型であることが確

定した。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

む余地が十分ある。そのような化合物の研究はこれからである。

　C₆₀は空気中で安定である。真空中では600°C以上に加熱しても壊れないので，

昇華法で精製することができる。C₆₀が安定で反応性に乏しいのは，芳香族分子で

あることの他に，分子に端がないことがあげられる。また，分子内の炭素原子がす

べて等価で，p 電子密度に偏りがないことも安定性に寄与しているであろう。

1990年以降では，ATTベル研究所が発見した，C₆₀の超伝導性が目を引く。カ

リウムを添加したC₆₀を19.28Kに冷却すると電気抵抗が0になる。C₆₀そのもの

は絶縁体であるが，いろいろなアルカリ金属を添加すると，金属になったり超伝導

体になったりするのである。このように，黒鉛とC₆₀は，ともに不飽和の結合をも

つ同素体であるが，その性質には大きな違いがある。

1996年度のノーベル化学賞は，フラーレンC₆₀の発見に対して，サセックス大

学のクロトー(イギリス)，ライス大学のスモーリーとカール(アメリカ)の三教授に

与えられた。

酸化物

►炭素酸化物

　二酸化炭素CO₂は昇華点－78.5℃の無色気体。三重点は，－56.6℃，5269hpa

である。固体はドライアイスといわれ冷媒に用いられる。水に少し溶け弱酸性を示

す。水100gへの溶解度は，0℃で0.3346g，20℃で0.1688g，40℃で0.0973g

である。濃度が大きくなると窒息する。

　一酸化炭素COは，融点－205.0℃，沸点－191.5℃の無色気体。水100gの溶

解度は，0℃で0.0044gであり，ほとんど溶けない。引火性で，還元剤となる。

有毒で，濃度500ppm以上では危険である。メタノールの合成原料や，金属酸化

物の還元剤として用いられている。ギ酸に濃硫酸を加えて熱するとCOが発生する。

　　　HCOOH→CO＋H₂O

Ｂ　ケイ素

単体の性質

►ケイ素

　天然には単体の状態で産出しないが，化合物として地殻中に酸素に次いで多く存

在している。無定形のものは，けい砂をMgやAlで還元しても得られる，褐色の

粉末状である。結晶は，四塩化ケイ素をNaで還元すると得られる。

　　　SiCl₄＋4Na→Si＋4NaCl

　無定形のケイ素は，融点が1410℃，沸点が2355℃である。結晶形のものの融

点や沸点もほぼ同じで，硬度は7，粉砕されやすく，化学作用は無定形のものに比

べてやや不活性である。半導体の性質を示す。

　フッ素とは室温で激しく化合し，塩素とは430℃，臭素とは500℃，酸素とは

400℃，窒素とは1000℃で化合物をつくる。王水には徐々に酸化されて二酸化ケ

イ素となる。フッ化水素酸と硝酸の混合物とも反応するが，他の酸には侵されない。

アルカリ溶液とは反応して水素を発生する。

　　　Si＋2NaOH＋H₂0→Na₂SiO₃＋2H₂

　高純度の単体(結晶)は半導体素子として，アモルファス単体は太陽電池などに使

われている。

化合物の性質

►二酸化ケイ素

　無水ケイ酸とかシリカといわれ，天然には石英，水晶，玉髄，メノウ，けい砂，鱗

ケイ石，クリストバル石など，結晶状あるいは非結晶状で存在する。純粋な二酸化ケ

イ素は無色透明だが，不純物を含むものは不透明だったり，着色していたりする。融

解したものを冷やすと石英ガラスとなる。

　二酸化ケイ素は，SiO₄の正四面体が結晶構造の単位となり，Oを共有して空間に広

がった巨大な分子である。その四面体の配列のしかたによって，石英，鱗ケイ石，ク

リストバル石などとなり，配列が不規則であると石英ガラスになる。

　二酸化ケイ素は水に溶けにくく，アルカリや炭酸塩で融解すると，巨大な分子が小

さい分子やイオンとなって溶けやすくなる。

　　　SiO₂＋Na₂CO₃→Na₂SiO₃＋CO₂

　また，フッ化水素HFと反応し水溶性の気体である四フッ化ケイ素SiF₄となる。フ

ッ化水素酸(フッ化水素水溶液)を用いるとヘキサフルオロケイ酸H₂SiF₆となる。

　　　SiO₂＋4HF→SiF₄＋2H₂O，SiO₂＋6HF→H₂SiF₆＋2H₂O

►水ガラス

　ケイ砂をNaOHまたはNa₂CO₃と高温で融解すると，ケイ酸ナトリウムとなる。

この濃溶液は無色透明であるが粘稠で，乾燥するとガラス状になるため水ガラスと

いう。人造石，ガラス，陶磁器の接着剤，耐火塗料などに用いられている。

►シリカゲル

　吸着力の強いケイ酸のゲルで，成分はSiO₂・nH₂Oで示される。多孔質で，吸着力

は含まれている水の量による。高温にして脱水したものほど吸着力が大きい。普通，

水ガラスの塩基性を酸で中和してゲル化し，それを脱水してつくる。乾燥剤・吸

着剤などに広く用いられている。

►炭化ケイ素

　炭化ケイ素SiCはダイヤモンドの置換型構造(SiとCとが隣り合っている)をと

る。すなわち，ダイヤモンドの炭素が1つおきにケイ素と入れ替っている構造であ

る。電気炉内で，過剰のコークスとけい砂との混合物を2000℃に強熱してつくる。

カーボランダムともいわれ，2700℃で分解する。硬度が大きいので，研磨剤や砥石

に，また，高温(1000℃程度)でも不活性なので耐火物，反応容器としての用途もある。

►ケイ酸塩化合物

　ケイ酸塩は，岩石の主成分として広く分布している。その構造はSiO₄の正四面体

の結合のしかたで，次のように大別される。

(1)　一次元的鎖状構造のもの　SiO₄の基本構造がO原子1個を共有して，繰り返

　し1列に結合し，鎖状の細長いイオン[SiO₃²^－]_nとなったもの。また，鎖2本が

　結合した形のものもある。これらのイオン間に種々の陽イオンが配列する。アスベ

ストが繊維状になるのは，このような構造をとるためである。

(2)　二次元的平面構造のもの　[SiO₄]構造が，平面状に結合したイオン[Si₂0₅²^－]_n

　になり，これがさらに種々の陽イオンをはさんで層状に結合したケイ酸塩で，雲

　母やカッ石など劈開性をもった鉱物などがこれにあたる。粘土もこの構造をも

　ち，水に濡れると粘土がすべりやすくなるのはこのためである。

(3)　三次元的網目状構造のもの　[SiO₄]構造が，すべて共有結合で，三次元の網目

　状の巨大分子をつくるとき，その組成式はSiO₂となり，きわめて融点の高い結

　晶となる。SiO₂の組成をもつ二酸化ケイ素は，天然には水晶または石英として

　産出する。

　　水晶または石英を1600℃以上に熱して融解し，これを冷やすと，一定の融点を

もたない石英ガラスとなる。石英ガラスを熱すると，歪みをもった切れやすい部分

からしだいに切れていき，だんだんと軟らかさを増す。

　　一般に用いられるガラスは，SiO₂にNa₂Oが加わった構造であり，SiO₂の三次元

的網目構造が部分的に切断されているため，石英ガラスよりもはるかに低い温度で

軟化する。

►ケイ酸塩工業(窯素)

　主要構成物が無機質，非金属からなり，加熱過程を経てつくられるとき，これを

窯業という。また，主要原料として岩石や土壌類を用い，これらはほとんどSiO₂

やAl₂O₃を伴うケイ酸塩やアルミノケイ酸塩からなっているので，窯業をケイ酸塩

工業ともいう。窯業製品は，不燃性，耐熱性，耐候性，耐化学薬品性，電気絶縁性

などに優れ，これらの性質を生かしてさまざまな方面で使用されている。窯業はそ

の起源を1万年前の土器までさかのぼれる古い工業であるが，最近では人工原料を

使用した新しいセラミックス類が製造されている。

(1)　陶磁器　　陶土という良質の粘土を水で練って形をつくり，陰干しの後，窯

の中で焼いて素焼きをつくり，これに上薬を塗って，もう一度焼いてつくる。陶

器の素地は多孔質・吸水性であり，叩くと濁った音を出す。磁器の素地はち密で

吸水性がなく，水を通さない。叩くと澄んだ音を出す。上薬(釉薬)は，石英・長

石・陶土・CaCO₃などを水に混ぜ，かゆ状にしたもので，　陶器や磁器の素焼き

にこれを塗って1200℃くらいで焼くと，上薬は融けてガラス状となり，美しい

表面をつくるとともに水を通さなくする。

　　なお，土器は，不純物を含む有色の粘土を比較的低温で焼成してつくったもの

　である。素地は多孔質で吸水性が大きい。屋根瓦，土管，植木鉢などで土器が使

われている。陶器は比較的焼成温度が高く，磁器は一般に高温で焼成する。

(2)　耐火物　　一般に1500℃以上の耐火度をもつ物質を耐火物という。主に溶鉱
炉などの耐火れんがに使用されている。用途により酸性，中性，塩基性の耐火物
に分けられ，酸性ではSiO₂，中性ではAl₂O₃，塩基性ではMgOやCaOを主成分と

するものが用いられている。

(3)　ガラス　　けい砂，石灰岩，炭酸ナトリウムなどの粉末の混合物を高温で融解
し，一定の形にして冷やしたもので，主成分はCaとNaのケイ酸塩である。代表

的なガラスの組成と用途を下表に示す。ガラスは水にいくらか溶ける。温度の高

いときや塩基性の水溶液には長い年月の間にかなり侵される。
　窓ガラスには鉄が含まれているので，青緑色に着色している。色ガラスは金属

のイオンやコロイドを着色剤として用いたものである。Co²^＋で青色，Ni²^＋で褐
色，Cr³^＋で緑色，Mn³^＋で赤紫になる。またコロイドでは，CdSが黄色，Auが金

赤，紫，青など，Agが黄色，Cuが銅赤となる。

代表的なガラスの組成と用途
ガラスの種類	組　　　　成〔％〕						用　途
ガラスの種類	SiO₂	CaO	Na₂O	PbO	K₂O	B₂O₃	用　途
ソーダガラス	67～75	5～15	10～20	―	―	―	一般ガラス器具用
鉛ガラス	50～70	―	2～15	5～35	4～10	―	光学用
ホウケイ酸ガラス	65～75	―	6～14	―	1～6	5～12	理化器具用

(4)　ほうろう　　ほうろうとは，金属表面にほうろう薬(ガラス層)を焼き付け
たもので，金属の機械的強さとガラスの性質を兼ね備えたものである。家庭では
台所の調理台や浴槽などで，そのほか耐熱部品などに用いられている。七宝焼な
どもほうろうに含まれる。

　　ほうろう薬は，ケイ石，長石，炭酸ナトリウム，硝酸ナトリウム，ホウ砂
などを主成分とし，鉄ほうろうでは800～900℃，アルミニウムほうろうでは
520～550℃で焼成する。

(5)　セメント　　石灰岩3～4と粘土1の比の混合物を細砕して混ぜ，回転炉で高
温に熱し，出てくる小さい塊(クリンカー)に少量のCaSO₄を加えて細粉にしたもの

である。水を加えてよく練り，放置すると結晶化して硬い固体となる。
このセメントは，ポルトランドセメントといわれ，最も広く用いられている。そ
のほか，硬化の速さや強度など，その目的に応じていろいろなセメントがつくら
れている。

セメントは水と反応すると，不溶性水和物ができるため硬化すると考えられて
いる。このような反応を起こすセメントの主な成分は， Ca₂SiO₄やCa₃SiO₅であ

る。