炭素Cの単体・化合物の性質・製法

はじめに

多くの高校生・受験生が「暗記不十分」な状態で放置している無機化学。このページでは、炭素の単体とその化合物・イオンについて、性質や各種反応、製法などを1から丁寧に解説していく。ぜひこの機会に知識を定着させ、ライバルと差をつけよう!


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炭素の単体

黒鉛 ダイヤモンド フラーレン
化学式 C(化学式) C(組成式) C60,C70(,C80
黒色 無色透明
構造
 
C原子により形成された6角形の層が分子間力で結合

 
C原子が四面体の頂点方向に共有結合

 
C原子がサッカーボール型に結合
性質 やわらかい
もろい
電気をよく通す
金属光沢あり
極めて硬い
電気を通さない
ナノテクノロジーに利用

炭素の酸化物(一酸化炭素)

①無色無臭なのにも関わらず有毒
②水に溶けにくく、中性
③還元性がある
④実験室的製法:ギ酸に濃硫酸を加えて加熱する
⑤工業的製法:炭素に水蒸気を反応させる
Point!

①無色無臭なのにも関わらず有毒

一酸化炭素COは、無色無臭で有害な気体。通常、有害な気体は異臭がしたり色がついていたりすることが多いので、かなり特徴的と言える。

気体の色や匂いについて詳しくは気体の性質(色・臭い・毒性・水溶液の液性など)を確認しよう。

②水に溶けにくく、中性

一酸化炭素は水に溶けにくい中性気体である。

気体の水溶液の液性についてまとめた気体の性質(色・臭い・毒性・水溶液の液性など)は必ず確認しておこう。

③還元性がある

一酸化炭素は還元性をもつ。

\[
Fe_{2}O_{3} + 3CO → 2Fe + 3CO_{2}
\]

この反応は一酸化炭素によるFe2O3の還元である。COが酸素を受け取ってCO2に、酸化鉄Fe2O3は酸素がとれて(=還元されて)単体のFeになっているね。

④実験室的製法:ギ酸に濃硫酸を加えて加熱する

一酸化炭素COを実験室で作るときには、ギ酸HCOOHに濃硫酸H2SO4を加えて加熱する。

\[
HCOOH → CO + H_{2}O
\]

⑤工業的製法:炭素に水蒸気を反応させる

一酸化炭素COを工業的に作るときには、炭素Cに水蒸気H2Oを反応させる。

\[
C + H_{2}O → CO + H_{2}
\]

炭素の酸化物(二酸化炭素)

①無色無臭の気体
②水に溶け、弱酸性を示す
③石灰水を白濁させる
④実験室的製法:炭酸カルシウムに塩酸を加える
⑤工業的製法:炭酸カルシウムを加熱する
Point!

①無色無臭の気体

二酸化炭素は無色無臭の気体であり、一酸化炭素と異なり毒性はない。

気体の色や匂い、毒性について詳しくは気体の性質(色・臭い・毒性・水溶液の液性など)を確認しよう。

②水に溶け、弱酸性を示す

水に(少しだけ)溶けて、弱酸性を示す。

\[
CO_{2} + H_{2}O → H_{2}CO_{3}
\]

気体の水溶液の液性についてまとめた気体の性質(色・臭い・毒性・水溶液の液性など)は必ず確認しておこう。

③石灰水を白濁させる

石灰水に二酸化炭素CO2を通じると炭酸カルシウムCaCO3の沈殿が生成して白濁する。

\[
Ca(OH)_{2}+CO_{2}→CaCO_{3}↓+H_{2}O
\]

ここでさらにCO2を吹き込むと…

\[
CaCO_{3} + CO_{2} + H_{2}O → Ca(HCO_{3})_{2}
\]

炭酸水素カルシウムCa(HCO3)2は水に溶けやすいため、沈殿が溶解する。(=白濁が消える

また、白濁が消えた後、水溶液を加熱すると上記の逆反応が進み、CaCO3の沈殿が生成し、再度白濁する。

\[
Ca(HCO_{3})_{2}→CaCO_{3} + CO_{2} + H_{2}O
\]

これらはCO2の検出反応として用いられている。入試頻出の気体の検出反応については気体の検出反応まとめで紹介しているので必ず見ておくようにしよう。

④実験室的製法:炭酸カルシウムに塩酸を加える

二酸化炭素CO2を実験室で作る時には、炭酸カルシウムCaCO3に塩酸HClを加える。

\[
CaCO_{3} + 2HCl → CO_{2} + CaCl_{2} + H_{2}O
\]

この反応は、弱酸遊離反応の一種。弱酸遊離反応に関して詳しいことは【原理】弱酸・弱塩基遊離反応の仕組みや公式、反応式の作り方を解説!を参照しよう。

⑤工業的製法:炭酸カルシウムを加熱する

二酸化炭素を工業的に作る時には、炭酸カルシウムCaCO3を加熱する。

\[
CaCO_{3} → CaO + CO_{2}
\]

この反応は熱分解反応の一種。熱分解反応について詳しいことは【熱分解反応】入試頻出3パターンの反応式の作り方などを解説を参照しよう。

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