鉛筆の芯とダイヤモンドはどちらも炭素からできてるってホント?同素体とは?

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皆さんは鉛筆を使ったことがありますか?

そんなのは愚問であり、小学生では必須アイテムでしたのでもちろんありますよね。

それでは次の質問です。

皆様はダイヤモンドを持っていますか?

持っている方も多くおられると思いますが、持っていない方もおられると思います。

なぜこんな質問をしたかと言いますと、実はダイヤモンドと鉛筆の芯は同じ『炭素』からできているからです。

1722年にアントワーヌ・ラヴォアジエが、ダイヤモンドの燃焼からは水は発生せず、二酸化炭素しか発生しないことを突き止めました。

つまり、高価なダイヤモンドを燃やすことでダイヤモンドは、炭素からできていると証明したのです。

ではなぜ、美しい輝きを放つ強固なダイヤモンドと、黒くてもろい鉛筆の芯が同じ炭素からできているのでしょうか?

あまりにも違うので、とても不思議ですよね。

炭素は『同素体』と言って、結晶構造や結合の違いによって様々な形や性質を持ちます。

つまり、ダイヤモンドと炭素は同素体であり結合の仕方が異なるのです。

その結合の違いが2つの違いを生んでいるのですが、今回はそんな不思議な炭素について説明していきたいと思います。

1.炭素はなぜいろいろな物質になれるのか?

炭素はいろいろな元素と結びつくことで、二酸化炭素のように気体になったり、石油のような液体のエネルギーになったりします。

私たちの身近な物で考える限りでも炭素を含む物質は砂糖や鉛筆の芯、二酸化炭素など多くあることが分かります。

もちろん、体の中にもたくさんの炭素が存在しているのです。

これには炭素が他の元素と結びつきやすいという特徴が大きく関係しています。

元素は原子核の周りをまわる電子の数で決まっており、素の原子核の周りには6個の電子が回っています。

電子は無秩序に勝手気ままに原子核の周りを回っているのではく、電子軌道といってそれぞれの軌道で電子が回れる数が決まっています。

さらにその中心に原子核があり、順番に2個、8個、18個、32個、50個、72個、というように回れる軌道が順番にあり、それぞれはK・L・M・N・O・P殻と呼ばれています。

では、炭素は6個の電子を持っていると言いました。

つまり、K殻2個が埋まり、L殻が半分の4個埋まっているということになります。

このような状態となります。⇩

実は、炭素の結合性の高さはここが鍵となってくるのです!

他の元素と結合するということは、お互いに電子を出し合うということです。

電子を出されても受け取る余裕がなければ受け取れないし、出す余裕がないと結合はできないということになりますよね。

上の図でもわかるように炭素は、電子を4個出す余裕がある上に、軌道上に4個電子を受け取る余裕があるのです!

つまり、炭素は他の元素をつかむ4つの手を持っているということになります!

炭素はこの4つの手で様々な元素を掴むことで、多種多様な姿へと変わることができるのです。

では、同じ炭素なのに黒いありふれた鉛筆の芯と美しいダイヤモンドの違いはなんなのでしょうか?

2.同素体

先ほどの説明で、炭素は4つの手を持つということがお分かりいただけたかと思います。

他の元素と手を取り合うことはもちろんですが、炭素同士でも色んな形で手を取り合うことができるのです。

つまり、炭素同士でつながることでいろいろな形をとることができるというわけですね。

この炭素同士の手のつなぎ方、つまり結合の違いがダイヤモンドと鉛筆の芯のような性質の違いを生み出しています!

では、2つはどのように違うのでしょうか?

正四面体にたくさん炭素がつながっていくとダイヤモンドになります。

一方で、正六角形の平面構造を取り、段々と重なったものが鉛筆の芯です。

鉛筆の芯がダイヤモンドと比べもろい理由としては、鉛筆の芯は平面が沢山重なったものに対して、ダイヤモンドは立体的でしっかりした結合であることが原因です。

このように炭素は、炭素同士でいろいろな結合をすることができるため、様々な性質を示すことができるのです。

また、炭素の同素体にはカーボンナノチューブといって、もの凄く強い強度と弾力性を持った素材も生み出されていています。

宇宙エレベーターにも期待がかかっているんですよ!鉄よりも硬くしなやか!

また、最近話題のリチウムイオン電池の電極にも炭素は使用されており、炭素は常に研究の対象の中心でまだまだ可能性が秘めていると言えます。

今後とも目が離せない炭素であります。

3.ダイヤモンドはつくれないの?

ダイヤモンドが鉛筆の芯と同じ炭素からできているなら、ダイヤモンドって作れるんじゃないか?

そう考えるのが普通ではないでしょうか。

やはり、昔の人たちも、もちろん同じことを考え人工的にダイヤモンドを作ろうとしました。

何度も失敗を繰り返した結果、現在ではダイヤモンドの合成方法が確立されております。

一体どうやって作るのか?

炭素にもの凄い高温高圧を与えることで、作ることができるのです。

自然でも同じように地中で形成されるので、それを再現しているというわけですね。

そして、作られた人工ダイヤモンドは様々な方面で使われています。

ダイヤモンドは硬度が高いため、人工的に作ったダイヤモンドはカッターや、ドリルなど、このドライバー⇩なんかにもダイヤモンドが使われています。

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さすがに天然のダイヤモンドをこのような物に使用するには、高すぎて使いにくいですよね、、

もちろん人が人工的にダイヤモンドを作れたとしても、天然のダイアモンドは高価なものであることに間違いありません。

しかし、見分けるのはプロでなければ厳しいようです。物の価値って難しいですね!

4.さいごに

炭素は様々な形をとることができす。

それは身の回りに溢れていて、欠かせない存在であるということがお分かりいただけたかと思います。

今後とも、新たな炭素を使った技術が生み出されることが楽しみです。

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