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炭素 - Wikipedia
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炭素たんそ

原子げんし番号ばんごう6の元素げんそ

炭素たんそ（たんそ、英えい: carbon、カーボン、仏ふつ: carbone、独どく: Kohlenstoff）は、原子げんし番号ばんごう6の元素げんそである[11]。元素げんそ記号きごうはC[11]。原子げんし量りょうは12.01。非金属ひきんぞく元素げんそ、第だい14族ぞく元素げんそ、第だい2周期しゅうき元素げんその一ひとつ。

ホウ素ほうそ ← 炭素たんそ → 窒素ちっそ
-
↑
C
↓
Si
外見がいけん
透明とうめい（ダイヤモンド）、黒色こくしょく（グラファイト）
一般いっぱん特性とくせい
名称めいしょう, 記号きごう, 番号ばんごう 炭素たんそ, C, 6
分類ぶんるい 非金属ひきんぞく元素げんそ
族ぞく, 周期しゅうき, ブロック 14, 2, p
原子げんし量りょう 12.0107 
電子でんし配置はいち [He] 2s2 2p2[1]
電子でんし殻から 2, 4（画像がぞう）
物理ぶつり特性とくせい
相そう 固体こたい
密度みつど（室温しつおん付近ふきん） 非ひ結晶けっしょう質しつ[2] 1.8–2.1 g/cm3
密度みつど（室温しつおん付近ふきん） グラファイト：2.260[1] g/cm3
密度みつど（室温しつおん付近ふきん） ダイヤモンド：3.513[1] g/cm3
昇華しょうか点てん 3915 K, 3642 °C, 6588 °F
三重みえ点てん 4600 K (4327 °C), 10800[3][4] kPa
融解ゆうかい熱ねつ 117（グラファイト） kJ/mol
熱容量ねつようりょう (25 °C) 8.517（グラファイト）
6.155（ダイヤモンド） J/(mol·K)
原子げんし特性とくせい
酸化さんか数すう 3, 4[5], 2, 1 [6], 0, −1, −2, −3, −4[7]
電気でんき陰性いんせい度ど 2.55（ポーリングの値ね）
イオン化いおんかエネルギー 第だい1： 1086.5 kJ/mol
第だい2： 2352.6 kJ/mol
第だい3： 4620.5 kJ/mol
共有きょうゆう結合けつごう半径はんけい 77 (sp3), 73 (sp2), 69 (sp) pm
ファンデルワールス半径はんけい 170 pm
その他た
磁性じせい 反はん磁性じせい[9]
熱ねつ伝導でんどう率りつ (300 K) 119-165（グラファイト）
900-2300（ダイヤモンド） W/(m⋅K)
熱ねつ膨張ぼうちょう率りつ (25 °C) 0.8（ダイヤモンド）[10] μみゅーm/(m⋅K)
音おとの伝つたわる速はやさ
（微細びさいロッド） 		(20 °C) 18350（ダイヤモンド） m/s
ヤング率りつ 1050（ダイヤモンド）[10] GPa
剛性ごうせい率りつ 478（ダイヤモンド）[10] GPa
体積たいせき弾性だんせい率りつ 442（ダイヤモンド）[10] GPa
ポアソン比ひ 0.1（ダイヤモンド）[10]
モース硬度こうど 1-2（グラファイト）
10（ダイヤモンド）
CAS登録とうろく番号ばんごう 7440-44-0[8]
主おもな同位どうい体たい
詳細しょうさいは炭素たんその同位どうい体たいを参照さんしょう
同位どうい体たい NA 半減はんげん期き DM DE (MeV) DP

15

12C 98.9 %[1] 中性子ちゅうせいし6個こで安定あんてい
13C 1.1 %[1] 中性子ちゅうせいし7個こで安定あんてい
14C 1.2×10−8 % 5730 y[1] βべーた− 0.156 14N

名称めいしょう

編集へんしゅう

フランス語ふらんすごの「carbone」は、1787年ねんにフランスの化学かがく者しゃギトン・ド・モルボーが「木炭もくたん」を指さすラテン語らてんごcarboから[12]名なづけた。英語えいごのcarbonは、これが転てんじたものである[1]。

ドイツ語ごの「Kohlenstoff」も「炭すみの物質ぶっしつ」を意味いみする[1]。

日本語にほんごの「炭素たんそ」という語かたりは、宇田川うだがわ榕よう菴が著作ちょさく『舎しゃ密みつ開ひらけ宗むね』にて用もちいたのがはじめとされる。

特徴とくちょう

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単体たんたい・化合かごう物ぶつ両方りょうほうにおいてきわめて多様たような形状けいじょうをとることができる。

非金属ひきんぞくの炭素たんそには、4つの外そと殻から電子でんしと4つの空席くうせきがある。そのため、価あたい電子でんし数すう4[13]と元素げんその中なかでももっとも多おおい4組くみの共有きょうゆう結合けつごうを持もつことが可能かのうであり、この特徴とくちょうから多様たような分子ぶんしをつくる骨格こっかくとなる[14][15]。炭素たんそがほかの元素げんそと結むすびついて作つくる化合かごう物ぶつの種類しゅるいは約やく5,400万まん種しゅにのぼる[13]。

融点ゆうてんや昇華しょうかを起おこす温度おんどは全ぜん元素げんその中なかでもっとも高たかい。常つね圧あつ下かでは融点ゆうてんを持もたず、三重みえ点てんは10.8±0.2MPa、4,600±300Kであり[3][4]、昇華しょうかは約やく3,900Kで起おこる[16][17]。

炭素たんそ原子げんし同士どうしの共有きょうゆう結合けつごうは非常ひじょうに堅牢けんろうであり[13]、それがつくる単体たんたいにおいて、自然しぜん物ぶつとしてはもっとも硬かたいことで知しられるダイヤモンドからもっとも柔やわらかい部類ぶるいに入はいるグラファイトまで、幅広はばひろい形態けいたいや同素体どうそたいを持もつ。

歴史れきし

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炭素たんその単体たんたいは有機物ゆうきぶつを不完全ふかんぜん燃焼ねんしょうすれば簡単かんたんに取とり出だせるため、有史ゆうし以前いぜんから知しられていた[1][18]。ダイヤモンドの存在そんざいも紀元前きげんぜん2500年ねんごろの古代こだい中国ちゅうごくでは知しられており、古代こだいローマでは今日きょうと同様どうように木きから木炭もくたんを得えていた。古代こだいエジプトでも、粘土ねんどで密封みっぷうしたピラミッドの中なかから空気くうきを抜ぬくために木きを熱ねっする方法ほうほうが用もちいられた[19][20]。そのため、特定とくていの元素げんそ発見はっけん者しゃはいない[1]。

 
カール・ヴィルヘルム・シェーレ

1722年ねん、ルネ・レオミュールは鉄てつが鋼はがねとなるには何なにかしらの物質ぶっしつを吸収きゅうしゅうすることを示しめしたが、現在げんざいではそれは炭素たんそであることが明あきらかとなった[21]。1772年ねんにはアントワーヌ・ラヴォアジエが燃焼ねんしょうによって水みずが生しょうじず、重量じゅうりょうあたり同おなじ比率ひりつの二酸化炭素にさんかたんそを生しょうじることを確たしかめ、ダイヤモンドが炭素たんその単体たんたいであることを証明しょうめいした[22]。1779年ねんにカール・ヴィルヘルム・シェーレは、グラファイトが従来じゅうらい考かんがえられていたように鉛なまりの一いち形態けいたいではないと示しめし[22]、1786年ねんにクロード・ルイ・ベルトレー、ガスパール・モンジュ、C.A.ヴァンデスモンドが炭素たんそであることを明あきらかにした[23]。彼かれらがこれを知しらしめた際さい、この元素げんそにcarboneという名なをつけ、ラヴォアジエが1789年ねんにまとめた元素げんそのテキストに採録さいろくされた[22]。

同素体どうそたいフラーレンが発見はっけんされたのは1985年ねんであり[24]、同おなじくナノ構造こうぞう体たいとしてはバッキーボールやカーボンナノチューブも見みつかった[25]。これらの発見はっけんは1996年ねんノーベル化学かがく賞しょうの授与じゅよ対象たいしょうとなった[26][27]。これらに触発しょくはつされた更さらなる同素体どうそたい探査たんさの結果けっか、「ガラス状じょう炭素たんそ」や、厳密げんみつには無定形むていけいではないが名なづけられた「無定形むていけい炭素たんそ」等とうの発見はっけんへつながった[28]。

生成せいせい

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炭素たんそ原子げんしの生成せいせいにはヘリウムの原子核げんしかくであるアルファ粒子りゅうしの3重じゅう衝突しょうとつが必要ひつようとなる。これには約やく1億おく度どの熱ねつが必要ひつようとなるが、ビッグバンでは宇宙うちゅうがはじめに大おおきく膨張ぼうちょうしてすぐに急速きゅうそくに冷ひえ、炭素たんそは生成せいせいされなかったと考かんがえられている[29]。しかし、その後ご形成けいせいされた恒星こうせい内うちでトリプルアルファ反応はんのうによるヘリウム燃焼ねんしょう過程かていでエネルギーを放出ほうしゅつしながら炭素たんそが生成せいせいされる[30]。こうして作つくられた炭素たんそは、主しゅ系列けいれつ星ぼしの内部ないぶで水素すいそがヘリウムになるCNOサイクルを媒介ばいかいし、星ほしのエネルギー放射ほうしゃに一役ひとやく買かっている[31]。

分布ぶんぷ

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宇宙うちゅうでの存在そんざい比ひは水素すいそ、ヘリウム、酸素さんそに次ついで多おおい[32]。炭素たんそは太陽たいようや恒星こうせい、彗星すいせいのなかにも豊富ほうふに存在そんざいし、さまざまな惑星わくせいの大気たいきにも含ふくまれている。まれに隕石いんせきの中なかから微細びさいなダイヤモンドが見みつかることがあり、これは太陽系たいようけいが原始げんし惑星わくせい系けい円盤えんばんだったころ、またはそれ以前いぜんに超新星ちょうしんせい爆発ばくはつ時ときに生成せいせいされたものと考かんがえられている[33]。

 
地球ちきゅうにおける二酸化炭素にさんかたんその循環じゅんかん図ず。黒くろ数字すうじはそれぞれの貯蔵ちょぞう量りょうを、2004年ねん推計すいけい量りょう十じゅう億おくトン単位たんい（GtC）で示しめす。紫むらさき数字すうじは年間ねんかんの移動いどう量りょうを表あらわす。なお、炭酸たんさん塩しおや油あぶら母ははに蓄たくわえられた7,000万まんGtC相当そうとうの炭素たんそは含ふくまれない

地球ちきゅう

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元素げんそ分布ぶんぷ

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地球ちきゅう上じょうでみると必かならずしも割合わりあい的てきに非常ひじょうにたくさん存在そんざいしている元素げんそというわけではない[11]。地球ちきゅうの地表ちひょう及および海洋かいようの元素げんそ分布ぶんぷでは炭素たんそは重量じゅうりょう比ひ0.08%にすぎない[11]（これはチタンやマンガンを下回したまわる[34]）。ただ炭素たんそは他たの元素げんそとの結むすびつき方かたで、性質せいしつの異ことなる驚異きょうい的てきなほど多彩たさいな化合かごう物ぶつを作つくり出だし、地球ちきゅう環境かんきょうの中なかに存在そんざいしている[35]（後述こうじゅつ）。

地殻ちかく中ちゅうの元素げんその存在そんざい度どでは15番目ばんめに多おおい炭素たんそ[32]の約やく9割わりが鉱物こうぶつとして存在そんざいし、中なかでも還元かんげんされた形かたち、すなわち炭素たんそ粒つぶ・石油せきゆ・石炭せきたん・天然てんねんガス中なかが4分ぶんの3以上いじょうを占しめる。4分ぶんの1が炭酸たんさん塩しおの岩石がんせき（石灰岩せっかいがん、苦く灰はい岩がん （CaMg(CO3)2）、結晶けっしょう質しつ石灰岩せっかいがんなど）である。海洋かいようなど水みずに溶とけ込こんだ炭酸たんさんも多おおく、その量りょうは炭素たんそ量りょうで36兆ちょうトン存在そんざいする。ついで生物せいぶつ圏けんに1兆ちょう9,000億おくトン、大気圏たいきけんの二酸化炭素にさんかたんそとして8,100億おくトンがある。

埋蔵まいぞう石せき化か燃料ねんりょうとして石炭せきたんが9,000億おくトン、石油せきゆは1,500億おくトン、天然てんねんガスが1,050億おくトンに加くわえ、さらにシェールガスのような採掘さいくつしにくい形態けいたいで別べつに5,400億おくトンの存在そんざいが見込みこまれている[36]。これらとは別べつに、メタンハイドレートとして極地きょくちに封ふうじられ、これの炭素たんそ量りょうはシベリアの永久えいきゅう凍土とうど層そうだけでも1兆ちょう4,000億おくトンと見積みつもられる[37]。

炭素たんそ循環じゅんかん

編集へんしゅう

炭素たんそは地球ちきゅう上じょうで多様たような状態じょうたいを示しめしている。炭素たんそは地殻ちかく、海洋かいよう、生物せいぶつ圏けん、大気圏たいきけんを循環じゅんかんしており、年間ねんかんの移動いどう量りょうは約やく2,000億おくトンと見積みつもられている。

詳細しょうさいは「炭素たんそ循環じゅんかん」を参照さんしょう

惑星わくせい上じょうでは、ある元素げんそがほかの元素げんそに転換てんかんすることは非常ひじょうに稀まれである。したがって、地球ちきゅうに含ふくまれる全ぜん炭素たんそ量りょうはほぼ一定いっていである。そのため、炭素たんそを用もちいる過程かていはどこかでそれを獲得かくとくし、また放出ほうしゅつすることが必要ひつようとなる。このような経路けいろは、二酸化炭素にさんかたんその形かたちで循環じゅんかんする体系たいけいを形成けいせいする。たとえば、植物しょくぶつは生育せいいく地ちの環境かんきょう内ないで、呼吸こきゅうによって二酸化炭素にさんかたんそを放出ほうしゅつする一方いっぽう、光ひかりのエネルギーを用もちいて吸収きゅうしゅうした二酸化炭素にさんかたんそから炭素たんそを固定こていするカルヴィン回路かいろを働はたらかせ、植物しょくぶつ組織そしきを形成けいせいする。動物どうぶつは植物しょくぶつを食たべて炭素たんそを吸収きゅうしゅうし、呼吸こきゅうによって一部いちぶを排出はいしゅつする。このような短期たんき的てきな循環じゅんかんだけでなく、より複雑ふくざつな炭素たんそ循環じゅんかんも機能きのうする。たとえば海洋かいようは二酸化炭素にさんかたんそを溶とかし込こみ、枯かれた植物しょくぶつや動物どうぶつの死体したいは、バクテリアなどが消化しょうかしないと地中ちちゅうで石油せきゆや石炭せきたんなどの形かたちで炭素たんそをとどめることもある。それらが化石かせき燃料ねんりょうとして利用りようされれば、燃焼ねんしょうによって再ふたたび炭素たんそは放出ほうしゅつされる[38]。

 
天然てんねんダイヤモンド結晶けっしょうを含ふくむ鉱石こうせき

炭素たんそ化合かごう物ぶつ

編集へんしゅう

炭素たんその特性とくせいは他たの元素げんそと結むすびついて化合かごう物ぶつを作つくる段階だんかいにある[35]。炭素たんそは他たの元素げんそを束たばにしてもまったく歯はが立たたないほど多様たような化合かごう物ぶつの世界せかいを作つくり出だしている[35]。これまでに天然てんねんに発見はっけんされたものと化学かがく者しゃが人工じんこう的てきに作つくり出だした化合かごう物もの数のかずは7,000万まんを超こえるといわれているが、その約やく8割わりは炭素たんそ化合かごう物ぶつである[35]。

生物せいぶつ

編集へんしゅう

炭素たんそ-炭素たんそ結合けつごうで有機物ゆうきぶつの基本きほん骨格こっかくをつくり、すべての生物せいぶつの構成こうせい材料ざいりょうとなる。人体じんたいを構成こうせいする元素げんその約やく18%が炭素たんそといわれている[35]。これは蛋白質たんぱくしつ、脂質ししつ、炭水化物たんすいかぶつに含ふくまれる原子げんしの過半数かはんすうが炭素たんそであることによる。光合成こうごうせいや呼吸こきゅうなど生命せいめい活動かつどう全般ぜんぱんで重要じゅうような役割やくわりを担になう。地表ちひょうでの炭素たんその重量じゅうりょう比ひは0.08%にすぎないため、生命せいめいは自然しぜん界かいにあるわずかな炭素たんそをかき集あつめてかろうじて成立せいりつしている[35]

鉱物こうぶつ

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石炭せきたんは商業しょうぎょう的てきにも重要じゅうような炭素たんそ供給きょうきゅう元もとであり、無煙炭むえんたんでは炭素たんそ含有がんゆう率りつは92 - 98パーセントにまでなる[39]。これに石油せきゆや天然てんねんガスなどを加くわえた炭素たんそ資源しげんは、そのほとんどを燃料ねんりょうとして利用りようしている[40]。

天然てんねんの黒鉛こくえん（石墨せきぼく[8]、グラファイト）は世界中せかいじゅうに分布ぶんぷするが、産出さんしゅつが多おおい地域ちいきは中国ちゅうごく、インド、ブラジル、北朝鮮きたちょうせんである[41]。天然てんねんのダイヤモンドは歴史れきし的てきに南みなみインド産さんが有名ゆうめいだが[42]、18世紀せいきにブラジルで発見はっけんされ[43]、その後ご南みなみアフリカでも採掘さいくつされ[44]、現在げんざいの主要しゅよう産出さんしゅつ国こくにはロシア、ボツワナ、オーストラリア、コンゴ民主みんしゅ共和きょうわ国こくが名なを連つらねる[45]。近年きんねんではカナダ、ジンバブエ、アンゴラでも鉱山こうざんが開ひらかれ[44]、アメリカ合衆国あめりかがっしゅうこくでも発見はっけんされている[46]。

同位どうい体たい

編集へんしゅう
詳細しょうさいは「炭素たんその同位どうい体たい」を参照さんしょう

原子核げんしかくに6つの陽子ようしを含ふくむ炭素たんそ原子げんしには、3種類しゅるいの同位どうい体たい、12C（存在そんざい比ひ98.93パーセント）、13C（1.07パーセント）、14C（微量びりょう）が自然しぜん界かいで存在そんざいし[47]、それぞれがさまざまな学問がくもん分野ぶんやで重要じゅうような位置いちを占しめる。

12Cは1961年ねんにIUPACによって原子げんし量りょうの基準きじゅんとすることが決定けっていされ[48]、アボガドロ定数ていすうなどの基礎きそ的てきな定数ていすうはこれによって算出さんしゅつされた。なお、2019年ねんに改訂かいていされたSIではアボガドロ定数ていすうを6.02214076×1023 毎ごとモル(mol−1)と定義ていぎ値ちとし、12Cは用もちいなくなった。

13Cは核かくスピンを持もつため、核かく磁気じき共鳴きょうめい分光ぶんこう法ほうにおいて重要じゅうような核種かくしゅである。

14Cは、地球ちきゅう上じょうの存在そんざい比ひが100京きょう分ぶんの1[49]、大気たいき中ちゅうでは1兆ちょう分ぶんの1程度ていどでしかなく[50]、泥土でいどや有機物ゆうきぶつの中なかに含ふくまれている[49]。半減はんげん期き約やく5,730年ねんの放射ほうしゃ性せい同位どうい体たいであり[47]、ベータ崩壊ほうかいを起おこして窒素ちっそ原子げんしに変化へんかする[51]。しかし、成層圏せいそうけんにおいて大気たいき中ちゅうの窒素ちっそと宇宙うちゅう線せん（中性子ちゅうせいし）が反応はんのうして常時じょうじ新あらたに生成せいせいされている[51][52]。そのため古ふるい石いしや化石かせきなどの閉とじた系けいでは時間じかんとともに存在そんざい比ひが低ひくくなることが知しられ[52]、考古学こうこがくや標本ひょうほんの分野ぶんやで4万まん年ねんスケール、最大さいだい6万まん年ねんの[50]時代じだい判定はんていを行おこなう放射ほうしゃ性せい炭素たんそ年代ねんだい測定そくてい法ほうに使用しようしたり[51][53][54]、過去かこの宇宙うちゅう線せん強度きょうどが変化へんかした様子ようすを通つうじて太陽たいよう活動かつどう[55]や地球ちきゅう磁場じばの変遷へんせん[50]を分析ぶんせきするために使つかわれる。

ほかにも、生物せいぶつ学がくや医学いがくの分野ぶんやでも14Cをマーカーにした多おおくの分析ぶんせき法ほうが開発かいはつされた。光合成こうごうせいの初期しょき研究けんきゅうには炭素たんそ14(14C)が用もちいられ、その後ごは効果こうか的てきな肥料ひりょうの開発かいはつにも同位どうい体たいが使つかわれる[56]。ただし放射ほうしゃ性せい物質ぶっしつである炭素たんそ14は取とり扱あつかいが難むずかしいため、現在げんざいでは放射能ほうしゃのうを持もたない同位どうい体たい元素げんそである炭素たんそ13(13C)を用もちいた分析ぶんせき法ほうも開発かいはつされている。

その他た、炭素たんそには半減はんげん期きが非常ひじょうに短みじかい15種類しゅるいの同位どうい体たいが知しられている。8C は半減はんげん期き 1.98739 × 10-21秒びょうで陽子ようし放出ほうしゅつやアルファ崩壊ほうかいを起おこす[57]。19Cは風変ふうがわりな中性子ちゅうせいしハローの状態じょうたいで存在そんざいする[58]。

単体たんたいの性質せいしつ

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同素体どうそたい

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炭素たんその状態じょうたい図ず。0.001GPaはおよそ10気圧きあつに相当そうとうする

炭素たんそは4本ほんの共有きょうゆう結合けつごうができ、結合けつごうの状態じょうたいによって数種類すうしゅるいの同素体どうそたいを形成けいせいする[59]。炭素たんそ同士どうしがsp2混成こんせい軌道きどうを形成けいせいし、正六角形せいろっかっけいの平面へいめん構造こうぞうを取とった膜まくが重かさなったものがグラファイトになる[51]。2009年ねん、グラファイトの基本きほん構造こうぞうである薄うすいグラフェンは非常ひじょうに高たかい硬度こうどを持もつことが判明はんめいした[60]。しかし、グラファイトから薄うすいグラフェンを経済けいざい的てきに剥はぎ取とる技術ぎじゅつは確立かくりつされておらず、事業じぎょう性せいの確立かくりつは今後こんごの開発かいはつを待まつ必要ひつようがある[61]。また、炭素たんそがsp3混成こんせい軌道きどうを形成けいせいして正せい四よん面体めんていの立体りったい結晶けっしょう構造こうぞうを取とった巨きょ大分おおいた子ことなったものがダイヤモンドとなる[51]。同おなじ炭素たんその同素体どうそたいであるが、前者ぜんしゃは電気でんき伝導でんどう性せいが高たかく軟やわらかい、後者こうしゃは絶縁ぜつえん体たいで硬かたいなど、まったく異ことなる性質せいしつを示しめす。ダイヤモンドが炭素たんその同素体どうそたいであることを示しめしたのはラヴォアジエである。実験じっけん内容ないようは、密閉みっぺい容器ようきに納おさめたダイヤモンドを虫眼鏡むしめがねにより燃焼ねんしょうさせると二酸化炭素にさんかたんそだけが生成せいせいされるというものである。

木炭もくたんやススなどは結晶けっしょう構造こうぞうを持もたないアモルファス状態じょうたいであり「無定形むていけい炭素たんそ」と呼よばれる。この種類しゅるいには、工業こうぎょう的てきに重要じゅうような炭素たんそ繊維せんいや活性炭かっせいたん、コークスなども含ふくまれる[62]。

以上いじょう3種しゅは古ふるくから知しられていたが、20世紀せいき後半こうはん以降いこう、球状きゅうじょうのグラフェンであるフラーレン[25][63]や多た分野ぶんやでの開発かいはつが進すすんでいるカーボンナノチューブ[64]、カーボンナノバッド[65]、カーボンナノファイバー（英語えいご版ばん）[66][67]などや、ロンズデーライト[68]やガラス状じょう炭素たんそ[28]、カーボンナノフォーム[69]、カルビン[70]などの複雑ふくざつな構造こうぞうを持もつ炭素たんその同素体どうそたいが多数たすう発見はっけんされている。

 
炭素たんその同素体どうそたい（説明せつめいは右記うき参照さんしょう）
a. ダイヤモンド
立方りっぽう晶あきら系けいの結晶けっしょう。産出さんしゅつ量りょうは少すくないが産業さんぎょう的てきに利用りよう可能かのうな程度ていどには豊富ほうふ。宝石ほうせきとして、また工業こうぎょう用ようのカッターなどに利用りよう。現在げんざいでは合成ごうせいダイヤモンドの開発かいはつ技術ぎじゅつも確立かくりつされ、実用じつよう化かされている。
b. グラファイト（黒鉛こくえん、石墨せきぼく）
六方ろっぽう晶あきら系けいの結晶けっしょうであり、炭素たんその結晶けっしょうとしてはもっとも一般いっぱん的てき。板いた状じょうのグラフェンが多数たすう重かさなった構造こうぞうで、平面へいめん同士どうしの結むすびつきは弱よわく剥はがれやすい[13]。日常にちじょう的てきなものとしては鉛筆えんぴつの芯しんなどに用もちいられる[13]。
c. ロンズデーライト（六ろく方ぽう晶あきらダイヤモンド）
六方ろっぽう晶あきら系けいの結晶けっしょう。隕石いんせき中ちゅうにきわめて稀まれに見みられる。今いまのところ非常ひじょうに小ちいさな結晶けっしょうしか発見はっけんされていない。純粋じゅんすいなものはダイヤモンドに近ちかい硬度こうどをもつと推測すいそくされる[68]。
d, e, f. フラーレン
炭素たんそ原子げんしからなるクラスターの総称そうしょう。天然てんねんにはきわめて稀まれに存在そんざいするとみられる。図ずdはいわゆるサッカーボール型がたのC60で「バックミンスターフラーレン」と呼よばれる[25]。図ずeはC540で、図ずf はC70である。
g. 無定形むていけい炭素たんそ
（a）と（b）の2種しゅの構造こうぞうが混在こんざいした状態じょうたい（非ひ晶あきら質しつ）。木炭もくたんや活性炭かっせいたんなどの一般いっぱん的てきな炭すみは、これに不純物ふじゅんぶつが含ふくまれたものである。
h. カーボンナノチューブ
グラフェンが円筒えんとう状じょうに巻まかれた構造こうぞうのもの[63][64]。同おなじ重量じゅうりょうの鋼鉄こうてつと比較ひかくすると、80倍ばいの強度きょうどを持もちながら60度どほどの屈曲くっきょくにも耐たえる弾力だんりょく性せいを持もつ[13]。1層そうのものから多層たそう構造こうぞうを持もつものがある。これに近ちかいものとして、筒つつの一方いっぽうが閉とじた角かく状じょうのものをカーボンナノホーンと呼よぶ。
 
シャープペンシルの芯しん。グラファイトから製造せいぞうされる
 
炭素たんそ繊維せんい。アモルファス炭素たんその使用しよう例れい

生産せいさんと用途ようと

編集へんしゅう

炭素たんその単体たんたいは形状けいじょうによってさまざまな分野ぶんやで使用しようされている。アモルファス炭素たんそとしてはカーボンブラックや活性炭かっせいたんが大量たいりょうに生産せいさんされており、黒色こくしょく顔料がんりょう（インク、コピートナー、墨汁ぼくじゅうなど）やゴム製品せいひんへの混こん錬ね剤ざい、石油せきゆの脱硫だつりゅうなどの吸着きゅうちゃく剤ざいをはじめ、きわめて幅広はばひろい用途ようとに用もちいられている。カーボンブラックの平成へいせい22年ねん（2010年ねん）度ど日本にっぽん国内こくない生産せいさん量りょうは72万まん3,159トンである[71]。

天然てんねんのほか、コークスの成形せいけい焼しょう結ゆいなどでも製造せいぞうされる[72]黒鉛こくえんは、電池でんちなどの電極でんきょく剤ざいや鉛筆えんぴつの芯しん、るつぼ、塗料とりょうなどに使つかわれる[8]ほか、黒鉛こくえんを成形せいけいした黒鉛こくえんブロックは黒鉛こくえん減速げんそく沸騰ふっとう軽水けいすい圧力あつりょく管かん型がた原子げんし炉ろ「RBMK-1000」やコールダーホール型がたをはじめとした黒鉛こくえん炉ろという原子げんし炉ろの炉心ろしんを構成こうせいしており、中性子ちゅうせいしの速度そくどを下さげる減速げんそく材ざいとして機能きのうしている[73][74]。

黒鉛こくえんから人工じんこうダイヤモンドを作つくる技術ぎじゅつは1880年ねんごろから取とり組くまれ、昭和しょうわ28年ねん（1953年ねん）ごろには3000℃、13万まん気圧きあつ下かで実現じつげんし、年間ねんかん1億おくカラット以上いじょうが生産せいさんされている[51]。ダイヤモンドは宝飾ほうしょく用ようのほかカッターや研磨けんま材ざいまた電極でんきょくとしても利用りようされている[75]。さらには次世代じせだい型がた半導体はんどうたいとしても研究けんきゅうされている[76]。

アクリロニトリルを無む酸素さんそ状態じょうたいで熱ねつ分解ぶんかいし製造せいぞうする炭素たんそ繊維せんいは、軽かるくて強度きょうどや弾力だんりょくに優すぐれることから、船舶せんぱくおよび航空機こうくうき・宇宙船うちゅうせんからスポーツ用具ようぐまで幅広はばひろい用途ようとにおいて金属きんぞくを代替だいたいする素材そざいとして使用しようされている[62]。活性炭かっせいたんはヤシの殻からを蒸むし焼やきにする方法ほうほうに加くわえ、廃はいタイヤから製造せいぞうする方法ほうほうも開発かいはつされた。前者ぜんしゃは冷蔵庫れいぞうこなどの脱臭だっしゅう剤ざいでよく使つかわれ、後者こうしゃは吸着きゅうちゃく力りょくを利用りようした河川かせん浄化じょうかなど土木どぼく分野ぶんやでの利用りようが検討けんとうされている[62]。

石炭せきたんから作つくられるコークスは構成こうせい要素ようそのほとんどが炭素たんそであり、燃料ねんりょうや製鉄せいてつに使用しようされている。平成へいせい18年ねん（2006年ねん）度ど世界せかい生産せいさん量りょうは4億おく7,800万まんトンであり、その半分はんぶん以上いじょうを中国ちゅうごくが占しめた[77]。油あぶらを燃もやして得えられるタイヤ着色ちゃくしょくなどに使つかわれる一般いっぱん的てきなカーボンブラック[78]は水素すいそを0.3 - 0.8パーセント程度ていど含ふくむが、アセチレンを熱ねつ分解ぶんかいまたは爆発ばくはつさせて製造せいぞうするアセチレンブラックは水素すいそ含有がんゆう率りつ0.04パーセントと低ひくく鎖くさり状じょう構造こうぞうを作つくりやすい。そのため、導電性どうでんせいが要求ようきゅうされる素材そざいに用もちいられる[8]。

化合かごう物ぶつ

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ポリエチレン。炭素たんそは長ちょう鎖くさり状じょうに結合けつごうし、高分子こうぶんしを作つくることができる

炭素たんそは多様たような化合かごう物ぶつを作つくることができるため、これまで報告ほうこくされているものは1,000万まん種しゅをはるかに超こえる[14]。二酸化炭素にさんかたんそや一酸化いっさんか炭素たんそ、炭酸たんさん、炭化物たんかぶつ等ひとしを除のぞき、炭素たんその化合かごう物ぶつは有機ゆうき化合かごう物ぶつ（有機物ゆうきぶつ）と呼よばれ、生命せいめい活動かつどうで生産せいさんされるほか、有機ゆうき化学かがくによって人工じんこう的てきにも多おおくの物質ぶっしつが生うみ出だされている。

無機むき化合かごう物ぶつとして一般いっぱん的てきな二酸化炭素にさんかたんそ（CO2）は大気たいき中ちゅうにわずかに含ふくまれ、光合成こうごうせいや呼吸こきゅうなど生命せいめい活動かつどうと密接みっせつな関かかわりを持もつ。また、炭酸たんさん塩しおとして方解石ほうかいせき（石灰岩せっかいがん）などの鉱物こうぶつ中ちゅうにも分布ぶんぷしている。

金属きんぞくとのあいだでは炭素たんそはアセチリド（C22−）や侵入しんにゅう型がた固溶体こようたいの形かたちで化合かごう物ぶつを作つくる。銑鉄せんてつと鋼はがねの関係かんけいで見みられるように、金属きんぞく中ちゅうの炭素たんそ量りょうは硬度こうどなどの特性とくせいに大おおきな影響えいきょうを与あたえる。また、炭化たんかケイ素けいそ（SiC）などいくつかの炭素たんそ化合かごう物ぶつは格子こうし状じょうの結晶けっしょう構造こうぞうを持もち、ダイヤモンドと似にた性質せいしつを持もつ。

炭素たんそのオキソ酸さん

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炭素たんそのオキソ酸さんは慣用かんよう名めいをもつ。次つぎにそれらを挙あげる。

オキソ酸さんの名称めいしょう 化学かがく式しき 構造こうぞう式しき オキソ酸さん塩しおの名称めいしょう 備考びこう
炭酸たんさん
（carbonic acid）		   炭酸たんさん塩しお
（ - carbonate ）		 遊離ゆうり酸さんは非常ひじょうに不安定ふあんてい。塩しおは安定あんてい。
過か炭酸たんさん（ペルオキソ一いち炭酸たんさん）
（peroxomono carbonic acid）		     過か炭酸たんさん塩しお
（ - peroxomono cabonite ）		 遊離ゆうり酸さんは単たん離はなれできない。塩しおは安定あんてい。

※オキソ酸さん塩しお名称めいしょうの'-'にはカチオン種たねの名称めいしょうが入はいる。

安全あんぜんと注意ちゅうい

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純粋じゅんすいな炭素たんそは人体じんたいに及およぼす毒性どくせいが非常ひじょうに低ひくく、グラファイトや木炭もくたんは安全あんぜんに摂取せっしゅすることもできる。ただし不溶性ふようせいで化学かがく反応はんのうも起おこしにくく、消化しょうか液えきの酸さんにも変化へんかしない。そのため、一度いちど組織そしき内ないに入はいり込こんだ炭素たんそは長ながく残留ざんりゅうする傾向けいこうにある。カーボンブラックはこの性質せいしつから入墨いれずみに使つかわれた初期しょきの素材そざいのひとつと想像そうぞうされる。アイスマンの入墨いれずみは死後しご5200年間ねんかん消きえずに残のこっていた[79]。

一方いっぽうで、石炭せきたん粉こやスス、カーボンブラック類るいを肺はいへ大量たいりょうに吸入きゅうにゅうすることは危険きけんであり、肺はい組織そしきへの刺激しげきから炭田たんでん労働ろうどう者しゃに肺はい鬱血うっけつ病びょうから塵肺じんぱいを引ひき起おこすこともある。同様どうように、研磨けんま工程こうていで生しょうじるダイヤモンド粉こを吸入きゅうにゅうまたは摂取せっしゅしてしまうことも危険きけんである。ディーゼルエンジンの排出はいしゅつガスに含ふくまれる微細びさい炭ずみ素粒子そりゅうしも、肺はいに蓄積ちくせきし悪影響あくえいきょうを与あたえる可能かのう性せいがある[80]。また、眼めに入はいると粘膜ねんまくを刺激しげきするため、取とり扱あつかいの際さいには保護ほごメガネ着用ちゃくようが望のぞまれる[8]。

炭素たんその低てい毒性どくせいは地球ちきゅう生物せいぶつのほとんどに当あてはまるが若干じゃっかんの例外れいがいもあり、たとえばショウジョウバエには炭素たんその微細びさい粒子りゅうしは致命ちめい的てきな毒性どくせいを発揮はっきする[81]。

脚注きゃくちゅう

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[脚注きゃくちゅうの使つかい方かた]
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