たのしい演劇

炭素carbon、原子番号6の元素。元素記号はC。原子量12.01。非金属元素、第14族元素、第2周期元素

単体・化合物両方においてきわめて多様な形状をとる。

非金属の炭素には、4つの外殻電子と4つの空席がある。そのため、
価電子数4元素の中でももっとも多い4組の共有結合を持つことが可能、
この特徴から多様な分子をつくる骨格となる。
炭素がほかの元素と結びついて作る化合物の種類は約5,400万種にのぼる。

融点や昇華を起こす温度は全元素の中でもっとも高い。
常圧下で融点を持たず、三重点は10.8±0.2MPa、4,600±300K、昇華は約3,900Kで起こる。

炭素原子同士の共有結合は非常に堅牢、
それがつくる単体において、自然物としてはもっとも硬いダイヤモンドから
もっとも柔らかいグラファイトまで、幅広い形態や同素体を持つ。

炭素の単体は有機物を不完全燃焼すれば簡単に取り出せるため、有史以前から知られていた。
ダイヤモンドの存在も紀元前2500年ごろの古代中国では知られており、
古代ローマでは今日と同様に木から木炭を得ていた。
古代エジプトでも、粘土で密封したピラミッドの中から空気を抜くために木を熱する方法が用いられた。
そのため、特定の元素発見者はいない。

炭素原子の生成にはヘリウムの原子核アルファ粒子の3重衝突が必要。
これには約1億度の熱が必要となるが、
ビッグバンでは宇宙がはじめに大きく膨張してすぐに急速に冷え、炭素は生成されなかった。しかし、
その後形成された恒星内でトリプルアルファ反応(triple-alpha process;
3個のヘリウム4の原子核（アルファ粒子）が結合して炭素12の原子核に変換される核融合反応)
によるヘリウム燃焼過程でエネルギーを放出しながら炭素生成。
こうして作られた炭素は、
主系列星の内部で水素がヘリウムになるCNOサイクル((CNO cycle;
恒星内部で水素がヘリウムに変換される核融合反応過程。
太陽より質量の大きな恒星での主なエネルギー生成過程)
を媒介し、星のエネルギー放射を担う。

宇宙での存在比は水素、ヘリウム、酸素に次いで多い。
炭素は太陽や恒星、彗星のなかにも豊富に存在し、さまざまな惑星の大気にも含まれている。
まれに隕石の中から微細なダイヤモンドが見つかることがあり、
これは太陽系が原始惑星系円盤だったころ、またはそれ以前に超新星爆発時に生成されたものと考える。

地球の　地表　海洋の元素分布では炭素は重量比0.08%（チタンやマンガンを下回る）。
炭素は他の元素との結びつき方で、性質の異なる多彩な化合物を作り出し、地球環境の中に存在。

地殻中元素の存在度15番目に多い炭素の約9割が鉱物、
中でも還元された形、炭素粒・石油・石炭・天然ガス中が4分の3以上。
4分の1が炭酸塩の岩石（石灰岩、苦灰岩 （CaMg(CO3)2）、結晶質石灰岩など）。
海洋など水に溶け込んだ炭酸も多く、炭素量で36兆トン存在。
生物圏に1兆9,000億トン、大気圏の二酸化炭素8,100億トン。

埋蔵石化燃料として石炭が9,000億トン、石油は1,500億トン、天然ガスが1,050億トン、
さらにシェールガスのような採掘しにくい形態で5,400億トンの存在。
メタンハイドレートとして極地に封じられた炭素量はシベリアの永久凍土層だけでも1兆4,000億トン。


[炭素循環]

炭素は地球上で多様な状態を示す。
地殻、海洋、生物圏、大気圏を循環し、年間の移動量は約2,000億トン。

惑星上では、ある元素がほかの元素に転換することは非常に稀。
地球に含まれる全炭素量はほぼ一定。そのため、
炭素を用いる過程はどこかでそれを獲得/放出することが必要。
この経路は、二酸化炭素の形で循環する体系を形成す。
植物は生育地の環境内で、呼吸により二酸化炭素を放出、
光のエネルギーを用いて吸収した二酸化炭素から炭素を固定するカルヴィン回路を働かせ、植物組織を形成。動物は植物を食べて炭素を吸収、呼吸によって一部を排出。
海洋は二酸化炭素を溶かし込み、
枯れた植物や動物の死体は、バクテリアなどが消化し地中で石油や石炭などの形で炭素をとどめる。
それらを化石燃料として利用、燃焼により再び炭素放出。


[炭素化合物]

炭素の特性は他の元素と結びついて化合物を作ること。
これまでに天然発見　人工的化合物の数は7,000万を超えるが、その約8割は炭素化合物。

生物　

炭素-炭素結合で有機物の基本骨格をつくり、すべての生物の構成材料。

人体を構成する元素の約18%が炭素。
蛋白質、脂質、炭水化物に含まれる原子の過半数が炭素。
光合成や呼吸など生命活動全般で重要な役割を担う。
地表での炭素の重量比は0.08%にすぎないため、生命は自然界にあるわずかな炭素に依り成立。

炭素-炭素結合Carbon-carbon bond）2原子の炭素間の共有結合のこと。
もっとも一般的なのは単結合で、2つの炭素原子由来のそれぞれ1つずつの電子で構成される結合。
炭素-炭素単結合はσ結合で、これは炭素原子の混成軌道間で構成される。

Exa, エタンの混成軌道はsp3混成軌道。しかし、
他の混成軌道でも単結合は現れる（exa,：sp2 to sp2）。
炭素-炭素単結合を作るとき、両方の炭素が同じ混成軌道である必要はない。

アルケン二重結合は、sp2混成軌道によって構成され、1つのp軌道は混成に関与しない。
アルキン三重結合はsp混成軌道によって構成され、2つのp軌道が混成に関与しない。
混成に関与しないp軌道はπ結合に使われる。

炭素は他の元素と比べ、それ自身が長い連鎖を形成。
炭素-炭素結合によって結びつけられた分子の種類は莫大。
炭素鎖によってできた分子は生命にとって重要、炭素化合物は有機化合物 organic compound 。

炭素-炭素結合形成反応Carbon-carbon bond forming reactions）
新しい炭素-炭素結合を形成する反応。
これらは、製薬、合成樹脂のような人工化学物質の合成において重要な反応。

原子核に6つの陽子を含む炭素原子は、3種類の同位体(isotope；
同一原子番号を持ち　中性子数（質量数 A - 原子番号 Z）が異なる核種の関係をいう。
放射能を持つ放射性同位体 (radioisotope) とそうではない安定同位体 (stable isotope) の2種類に分類)、
12C（存在比98.93%）、13C（1.07%）、14C（微量）が自然界で存在、
それぞれがさまざまな学問分野で重要。

炭素は4本の共有結合ができ、結合の状態によって数種類の同素体(allotrope: allotropism）;
同一元素の単体のうち、原子の配列(結晶構造)や結合様式の関係が異なる物質同士の関係をいう。
同素体は単体-互いに同じ元素-から構成されるが、化学的・物理的性質が異なる)
を形成。



と　たのしい演劇の日々