高校化学 14族元素

周期表-CSi.png

炭素 C 、ケイ素 Si はともに14族に属する元素である。価電子を4個持つ。

炭素編集

炭素 C は生物を構成する重要な元素である。また、多くの化学製品に含まれている。一般に炭素を含む物質は有機物と呼ばれる。これらについては有機化合物の章で詳しく学ぶ。この節では炭素の単体と一酸化炭素、二酸化炭素を学ぶ。

単体編集

炭素の単体は共有結合の結晶であるが、結合の仕方が異なるいくつかの同素体が存在する。

ダイヤモンド C
 
ダイヤモンド
 
ダイヤモンドの構造

ダイヤモンドは無色の固体である。1つの炭素原子に対して4つの炭素原子が正四面体の頂点の方向に共有結合しており、これが多数結合した構造をしている。共有結合の結晶であることから非常に融点・沸点が高く、地球上においてもっとも硬い物質として知られる。電気は通さないが、熱をよく通す。加工して宝石とされるほか、工業的にも研磨剤などとしてよく用いられている。光の屈折率が大きい。


黒鉛 C
 
黒鉛
 
グラフェン
黒鉛(グラファイト)の一層ぶんをグラフェンという。上図ではグラフェンが4枚、描かれている。

黒鉛は金属光沢をもつ黒色の固体である。炭素原子の4つの非共有電子対のうち3つを共有結合に使って、正六角形がつながった形状の薄い層が何層にも重なった結晶を作り、残りの価電子は自由電子として層と層の間を自由に移動し結合している。自由電子があることから電気をよく通す。また熱もよく通す。層と層との結合は非常に弱いため、黒鉛は柔らかい結晶である。鉛筆の芯に用いられるほか、電気分解用の電極としても用いられる。


フラーレン(C60、C70など)
 
フラーレン

フラーレン(fullerene)は茶褐色の固体である。60個や70個など多数の炭素原子が球状に結合して分子を形成している。右図に示しているのはC60フラーレンのモデルで、炭素原子が60個サッカーボール状に結合して分子を形成している。20世紀後半に発見された物質であり、現在研究が進められている。純粋なフラーレンは電気伝導性が無いが、アルカリ金属を添加したものが超伝導性を示すことが分かっている。有機溶媒に溶ける。


カーボンナノチューブ

電気をよく通す。


無定形炭素

炭素の同素体と別に、黒鉛や炭化水素などが不規則に結合し、結晶状態をはっきりとは示さない状態の炭素の固体がある。これを無定形炭素(amorphous carbon)と呼んでいる。木炭やコークスなどがこれにあたる。このような無定形炭素の一種である活性炭は、多孔質で、さまざまな物質を吸着する性質があるため、消臭剤などに用いられている。

 
活性炭


酸化物編集

炭素が空気中で燃焼すると酸化物を生じる。

一酸化炭素  

炭素や有機化合物が空気中で不完全燃焼すると、一酸化炭素   を生じる。一酸化炭素は常温で無色無臭の気体である。極めて有毒で、吸い込むと血液中のヘモグロビンと結合し、酸素の運搬を妨げる。一酸化炭素は水に溶けない。

実験室での製法は、ギ酸を濃硫酸で脱水して得ることができる。

 

空気中で青白い炎をあげて燃え、二酸化炭素となる。

 

還元性があり、金属酸化物を還元して単体にする性質がある。

 
二酸化炭素(CO2)

炭素や有機化合物が空気中で完全燃焼すると、二酸化炭素   を生じる。実験室では、炭酸カルシウムに塩酸を加えて発生させる。

 

工業的には、石灰石の熱分解で、二酸化炭素が得られる。

二酸化炭素は常温で無色無臭の気体である。毒性はない。酸性酸化物であり、水に一部が溶けて炭酸水素イオン   を生じ、弱酸性を示す。

 

また塩基と反応して塩を作る。

 

二酸化炭素を石灰水(水酸化カルシウム水溶液)に通じると、炭酸カルシウムを生じて白濁する。この反応は二酸化炭素の検出反応として重要である。

 
 
ドライアイス

二酸化炭素の固体は分子結晶の固体であり、ドライアイスとして知られ、冷却剤として広く用いられている。常圧で昇華性があり、液体にならず直接気体となる。

(※ 範囲外?: ) チャート式には、二酸化炭素の圧縮の臨海温度の話がある。31℃以上では、いくら圧縮しても液体にならず、この温度を「臨界温度」という。なお「臨界」という用語は、いろんな分野で別の意味にも使われるので、ドライアイスの専門外の人に言う場合には「圧縮の臨海温度」とか「凝縮の臨海温度」などのように、適切に言葉を補ってもらいたい。


二酸化炭素は生物の活動において放出されたり吸収されたりする。生物の呼吸においては、酸素を吸収し糖類と反応させてエネルギーを取り出し、この過程で二酸化炭素が発生する。

 

逆に、植物は二酸化炭素を吸収して光のエネルギーを用いて糖類を合成しており、これを光合成という。

 

さらに、微生物の中にはエネルギーを得るために糖類を発酵させるものがあり、この過程で二酸化炭素が生じる。

 



ケイ素編集

ケイ素 Si は酸素の次に多く地殻中に含まれている元素である。水晶などの鉱物にも含まれている。半導体の主な原料であり、工業的に重要な元素となっている。

単体編集

 
ケイ素

ケイ素 Si は金属光沢をもつ銀灰色の固体である。ケイ素は金属光沢をもつが、しかし金属ではない。

光や紫外線、赤外線などは電磁波であるが、ケイ素は電磁波の反射率が可視光(波長:780nm〜380nm)のあたりだけ、反射率が高いため、人間の目で見た場合に、ケイ素は金属光沢がるように見える。(※ 東京書籍の教科書で、コラムで紹介されている。)


 
ケイ素の単結晶
電子部品の製造などに用いられる。これを薄く切断してシリコンウェハーにする。

ケイ素は天然には単体として存在せず、酸化物を還元することにより製造される。単体は共有結合の結晶であり、ダイヤモンドと同様の構造でケイ素原子が結合する。そのためダイヤモンド同様融点・沸点は高く、固い結晶を作る。導体と不導体の中間程度の電気抵抗を持つ半導体で、太陽電池やコンピュータ部品に用いられる。


シリコンの結晶に、わずかにリンやホウ素を加えたものは、電気をよく通すものになる。これらの材料(シリコンの結晶に、わずかにリンやホウ素を加えたもの)も「半導体」という。(※ 実教出版、数研出版の教科書などで紹介している。) (※ 『物理II』で詳しく習う。『高等学校物理/物理II/電気と磁気』などの単元で扱う。)


  • その他
 
ケイ素の単体の結晶構造

ケイ素の結晶構造は、ダイヤモンドの結晶構造と同じ。(← 高校の範囲。)

(※ 範囲外: ) ケイ素には、グラファイト型の構造は無い。(※ 参考文献: 化学同人『理工系基礎レクチャー 無機化学』、2014年第1版 第9刷 発行、99ページ) この性質から、ケイ素は(炭素とは異なり)多重結合をつくる性質が弱いことが、うかがえる。



二酸化ケイ素編集

 
水晶

二酸化ケイ素(SiO2)は自然界で石英として存在する。透明な石英の結晶は「水晶」と呼ばれ、宝石として用いられる。また、砂状のものはケイ砂と呼ばれ、ガラスの原料となる。

二酸化ケイ素は共有結合の結晶である。ケイ素原子と酸素原子との結合は非常に強く、固く安定な結晶を作る。また、強い結合のためか、融点も高く、塩酸にも溶けない。しかし、フッ化水素酸とは反応して溶ける。

 


また、二酸化ケイ素は酸性酸化物であり、塩基と反応して塩を生じる。たとえば水酸化ナトリウムと反応して、ケイ酸ナトリウム(Na2SiO3)を生じる。

 

これに水を加えて加熱すると、水あめ状の水ガラス(water glass)が得られる。また、水ガラスに塩酸を加えると、ゲル状のケイ酸が得られる。

 

※ 実際は組成が安定せず、できるのがH2SiO3 のみとは限らない

このとき塩化ナトリウムが副生成物としてできるので、塩化ナトリウムを水洗して除き、のこったケイ酸を加熱乾燥するとシリカゲル(silica gel)が得られる。シリカゲルは多孔質で分子を吸着するため、乾燥剤や吸着剤として用いられる。


  • 発展: 水晶振動子 (※ ほぼ範囲外)

電子工業における水晶の応用として、水晶振動子としての利用がある。

水晶に電圧を掛けると、一定の周期で振動することから、時計などの発振器として利用されている。

※ 『科学と人間生活』で水晶振動子が紹介された。