高等学校化学I/非金属元素の単体と化合物/14族元素

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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。

[編集] 炭素

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。

[編集] 単体

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。

黒鉛（C）

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。

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。これを無定形炭素と呼んでいる。木炭や石炭などがこれにあたる。左図の活性炭は多孔質で表面積が大きく、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。

[編集] 酸化物

炭素は空気中で燃焼して酸化物を生じる。

一酸化炭素（CO）

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（CO）を生じる。実験室ではギ酸を濃硫酸で脱水して得ることができる。

HCOOH → H₂O + CO↑

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。空気中で青白い炎をあげて燃え、二酸化炭素となる。

2CO + O₂ → 2CO₂

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。

CuO + CO → Cu + CO₂

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（CO₂）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。

CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂↑

石灰石や大理石などの炭酸カルシウムを豊富に含む物質を用いることも多い。

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（HCO₃^-）を生じ、弱酸性を示す。

CO₂ + H₂O ⇄ HCO₃^- + H⁺

また塩基と反応して塩を作る。

CO₂ + 2NaOH → Na₂CO₃ + H₂O

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。

Ca(OH)₂ + CO₂ → H₂O + CaCO₃↓

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。

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。

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6H₂O + 6CO₂

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。

6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

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。

C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂

[編集] ケイ素

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。

[編集] 単体

ケイ素（Si）は金属光沢をもつ銀灰色の固体である。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。

[編集] 二酸化ケイ素

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。しかし、フッ化水素酸とは反応して溶ける。

SiO₂ + 6HF → H₂SiF₆ + 2H₂O

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。

SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O

これに水を加えて加熱すると、水あめ状の水ガラスが得られる。これに塩酸を加えると、ゲル状のケイ酸が得られる。 このとき塩化ナトリウムが副生成物としてできるので、これを水洗して除き、加熱乾燥するとシリカゲルが得られる。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。