炭素Cの単体・化合物の性質・製法

はじめに

【プロ講師解説】このページでは『炭素Cの単体・化合物の性質・製法』について解説しています。

炭素の同素体

• 炭素の同素体で有名なのは、ダイヤモンド・黒鉛・フラーレンの3つである。
• これらの構造、特徴などを次にまとめる。

• ダイヤモンドでは、各炭素C原子のもつ4個の価電子が全て共有結合に使われており、正四面体形の立体網目状構造になっている。
• ダイヤモンドにおけるC原子間の結合は非常に強固であり、したがって、非常に硬く、融点が高い（約3550℃）。
• ダイヤモンドは結晶内に自由電子をもたないため、電気を通さない。
• 黒鉛では、C原子のもつ3個の価電子が共有結合に使われており、正六角形が連なった平面構造を形成している。この平面構造が分子間力によって積み重なり、層状構造をつくっている。
• 黒鉛の層状構造は外力を加えると簡単にズレるため、ダイヤモンドと比較して柔らかい。
• 黒鉛のC原子では、結合に使われていない1個の価電子が余っている。したがって、この価電子が平面を自由に動き回ることができるため、黒鉛は電気をよく通す。
• C₆₀、C₇₀など、球状の炭素分子をフラーレンという。フラーレンはナノテクノロジーなどに用いられる。
• これらの他に、炭素の同素体として、黒鉛の平面構造が丸く筒状になったカーボンナノチューブ、黒鉛の層のうち一層だけを取り出したシート状のグラフェンなどがある。

参考：同素体・同位体（違い・例・硫黄・炭素・酸素・リンなど）

一酸化炭素CO

• 一酸化炭素COの特徴は次の通りである。

❶ 無色無臭で有毒

• 一酸化炭素COは、無色無臭で有毒な気体である。
• 通常、有毒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、これはCOの大きな特徴である。

参考：気体の性質（色・臭い・毒性・水溶液の液性など）

❷ 水に溶けにくく中性

• 一酸化炭素COは水に溶けにくい中性気体である。

参考：気体の性質（色・臭い・毒性・水溶液の液性など）

❸ 可燃性がある

• 一酸化炭素COは可燃性をもち、空気中で火をつけると燃焼し、二酸化炭素CO₂になる。

❹ 還元性がある

• 一酸化炭素COは還元性をもつ。

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

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

参考：酸化・還元の定義〜水素・酸素・電子の３パターン〜

❺ 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の実験室的製法では、ギ酸HCOOHに濃硫酸H₂SO₄を加えて加熱する。

\[ \mathrm{HCOOH → CO + H_{2}O} \]

• シュウ酸(COOH)₂ に濃硫酸H₂SO₄を加えて加熱しても生成するが、この場合同時に発生するCO₂を取り除く必要がある。

\[ \mathrm{(COOH)_{2} →CO+CO_{2}+H_{2}O} \]

参考：気体の製法（反応式・原理・注意事項など）

❻ 工業的製法：炭素に水蒸気を反応させる

• 一酸化炭素COの工業的製法では、炭素Cに水蒸気H₂Oを反応させる。

\[ \mathrm{C + H_{2}O → CO + H_{2}} \]

二酸化炭素CO₂

• 二酸化炭素CO₂の特徴は次の通りである。

❶ 無色無臭の気体

• 二酸化炭素CO₂は無色無臭の気体である。
• 一酸化炭素COと異なり、毒性はない。

参考：気体の性質（色・臭い・毒性・水溶液の液性など）

❷ 固体は冷却材として用いられる

• 二酸化炭素CO₂の固体はドライアイスとよばれる。
• ドライアイスは分子結晶であり、約79℃で昇華する。
• 昇華する際、周囲から多量の熱を奪うため、ドライアイスは冷却材として用いられる。

参考：【分離法】昇華法（ヨウ素を使った実験の原理・操作など）

❸ 水に溶け、弱酸性を示す

• 二酸化炭素CO₂は、水に少し溶けて、弱酸性を示す。

\[ \mathrm{CO_{2} + H_{2}O ⇄ H_{2}CO_{3}⇄H^{+}+HCO_{3}^{-}} \]

参考：気体の性質（色・臭い・毒性・水溶液の液性など）

❹ 石灰水を白濁させる

• 石灰水（水酸化カルシウムCa(OH)₂水溶液：詳しくはアルカリ土類金属（2族）の単体・化合物の性質や製法を参照）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。

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

• ここでさらにCO₂を吹き込むと、次のような反応が起こる。

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

• 炭酸水素カルシウムCa(HCO₃)₂は水に溶けやすい（溶解度がCaCO₃の約100倍）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。

\[ \mathrm{CaCO_{3} + CO_{2} + H_{2}O \textcolor{#dc143c}{ ← } Ca(HCO_{3})_{2}} \]

• この反応はCO₂の検出反応として用いられる。

参考：気体の検出反応まとめ

❺ 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の実験室的製法では、石灰石や大理石（炭酸カルシウムCaCO₃）に塩酸HClを加える。

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

• この反応は、弱酸遊離反応の一種である。

参考：【弱酸・弱塩基遊離反応】原理や公式、反応式の作り方など

❻ 工業的製法：炭酸カルシウムを加熱する

• 二酸化炭素CO₂の工業的製法では、炭酸カルシウムCaCO₃を加熱する。

\[ \mathrm{CaCO_{3} → CaO + CO_{2}} \]

• この反応は、熱分解反応の一種である。

参考：【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