炭素基
| ↓ 期間 | |||
|---|---|---|---|
| 2 | 炭素(C) 6その他の非金属 | ||
| 3 | シリコン（Si）14半金属 | ||
| 4 | ゲルマニウム（Ge）32 半金属 | ||
| 5 | スズ（Sn）50その他の金属 | ||
| 6 | 鉛（Pb）82その他の金属 | ||
| 7 | フレロビウム(Fl) 114その他の金属 | ||
伝説
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炭素族は、炭素（C）、ケイ素（Si）、ゲルマニウム（Ge）、スズ（Sn）、鉛（Pb）、フレロビウム（Fl）からなる周期表の族で、pブロックに属します。
現代のIUPAC表記法では、第14族と呼ばれています。半導体物理学の分野では、依然としてIV族と広く呼ばれています。この族は、族名にローマ数字のIVが含まれていることから、テトラル（ギリシャ語で4を意味する「tetra 」に由来）とも呼ばれています。また、これらの元素が4つの価電子を持つという事実（下記参照）からも、テトラルと呼ばれています。これらはクリスタロゲン[ 1 ]またはアダマントゲン[ 2 ]とも呼ばれています。
特徴
化学薬品
他のグループと同様に、このファミリーのメンバーは、特に最外殻の 電子配置にパターンを示し、その結果、化学的挙動に次のような傾向が現れます。
| Z | 要素 | 殻あたりの電子数 |
|---|---|---|
| 6 | 炭素 | 2、4 |
| 14 | シリコン | 2、8、4 |
| 32 | ゲルマニウム | 2、8、18、4 |
| 50 | 錫 | 2、8、18、18、4 |
| 82 | 鉛 | 2、8、18、32、18、4 |
| 114 | フレロビウム | 2、8、18、32、32、18、4 （予想） |
この族の各元素は、外殻に電子を4 個持っています。孤立した中性の第 14 族原子は、基底状態でns 2 np 2配置をとります。これらの元素、特に炭素とケイ素は共有結合を起こしやすい傾向があり、通常外殻の電子数は8 個になります。これらの元素の結合は、軌道のs特性と p 特性が消去される混成をしばしば引き起こします。単結合の場合、典型的な配置はsp 3電子対 4 個ですが、グラフェンやグラファイトにおける3 つの sp 2対など、他のケースも存在します。二重結合は炭素 (アルケン、CO 2 ...)に特徴的であり、π 系全般に同じです。電子を失う傾向は、原子番号の増加と同様に、原子のサイズが増加するにつれて増加します。炭素のみが炭化物( C 4− ) イオンの形で陰イオンを形成 しますスズと鉛はどちらも金属ですが、フレロビウムは合成された放射性元素（半減期は非常に短く、わずか1.9秒）で、希ガスのような性質をいくつか持つ可能性がありますが、それでも遷移後金属である可能性が高いです。スズと鉛はどちらも+2イオンを形成できます。スズは化学的には金属ですが、そのα同素体は金属というよりゲルマニウムに似ており、電気伝導性は低いです。
主族（第1、2、13～17族）アルキル誘導体QR n （ nはQの標準結合数（ラムダ規則を参照 ））のうち、第14族誘導体QR 4 は電子的に正確であることが注目に値します。つまり、電子不足（オクテットよりも電子が少なく、Qでルイス酸性になりやすく、通常はオリゴマークラスターまたはルイス塩基との付加物として存在する）でも電子過剰（Qに孤立電子対を持ち、Qでルイス塩基になる傾向がある）でもありません。その結果、第14族アルキルは、他のグループのアルキル誘導体に比べて化学反応性が低くなります。炭素の場合、C–C結合の結合解離エネルギーが高く、中心原子とアルキルリガンドの電気陰性度の差がないため、飽和アルキル誘導体（アルカン）は特に不活性になります。[ 3 ]
炭素は全てのハロゲンと四ハロゲン化物を形成します。また、一酸化炭素、亜酸化炭素、二酸化炭素などの多くの酸化物も形成します。さらに、二硫化物や二セレン化物も形成します。[ 4 ]
シリコンはいくつかの水素化物を形成します。そのうちの2つはSiH 4とSi 2 H 6です。シリコンはフッ素（SiF 4）、塩素（SiCl 4）、臭素（SiBr 4）、ヨウ素（SiI 4）と四ハロゲン化物を形成します。また、二酸化物や二硫化物も形成します。[ 5 ]窒化シリコンの化学式はSi 3 N 4です。[ 6 ]
ゲルマニウムは5種類の水素化物を形成する。最初の2種類のゲルマニウム水素化物はGeH 4とGe 2 H 6である。ゲルマニウムはアスタチンを除くすべてのハロゲンとテトラハライドを形成し、臭素とアスタチンを除くすべてのハロゲンとジハライドを形成する。ゲルマニウムはポロニウムを除くすべての天然の単一カルコゲンと結合し、二酸化物、二硫化物、二セレン化物を形成する。窒化ゲルマニウムの化学式はGe 3 N 4である。[ 7 ]
スズはSnH 4とSn 2 H 6という2種類の水素化物を形成します。スズはアスタチンを除く全てのハロゲンと二ハロゲン化物および四ハロゲン化物を形成します。スズはポロニウムを除く天然カルコゲンとモノカルコゲニドを形成し、ポロニウムとテルルを除く天然カルコゲンとジカルコゲニドを形成します。[ 8 ]
鉛はPbH 4という化学式で表される水素化物を形成する。鉛はフッ素や塩素と二ハロゲン化物や四ハロゲン化物を形成し、二臭化物や二ヨウ化物も形成するが、鉛の四臭化物と四ヨウ化物は不安定である。鉛は4つの酸化物、すなわち硫化物、セレン化物、テルル化物を形成する。[ 9 ]
フレロビウムの化合物は知られていない。[ 10 ]
物理的な
炭素族元素の沸点は、重い元素ほど低くなる傾向があります。標準気圧では、炭素族元素の中で最も軽い炭素は3825℃で昇華します。シリコンの沸点は3265℃、ゲルマニウムは2833℃、スズは2602℃、鉛は1749℃です。フレロビウムは-60℃で沸騰すると予測されています。[ 11 ] [ 12 ]炭素族元素の融点も、沸点とほぼ同じ傾向を示しています。シリコンは1414℃、ゲルマニウムは939℃、スズは232℃、鉛は328℃で融解します。[ 13 ]
炭素の結晶構造は六方晶系で、高温高圧下ではダイヤモンド型（下記参照）となる。シリコンとゲルマニウムはダイヤモンド型立方晶系であり、スズも低温（13.2℃以下）ではダイヤモンド型立方晶系となる。室温でのスズは正方晶系である。鉛は面心立方晶系である。[ 13 ]
炭素族元素の密度は原子番号の増加とともに増加する傾向があります。炭素の密度は2.26 g·cm −3 、ケイ素は2.33 g·cm −3、ゲルマニウムは5.32 g·cm −3、スズは7.26 g·cm −3、鉛は11.3 g·cm −3です。[ 13 ]
炭素族元素の原子半径は、原子番号が増加するにつれて大きくなる傾向があります。炭素の原子半径は77ピコメートル、ケイ素は118ピコメートル、ゲルマニウムは123ピコメートル、スズは141ピコメートル、鉛は175ピコメートルです。[ 13 ]
同素体
炭素には複数の同素体があります。最も一般的なのはグラファイトで、これはシート状の炭素が積み重なったものです。炭素のもう一つの形はダイヤモンドですが、これは比較的まれです。非晶質炭素は炭素の3つ目の同素体で、すすの成分です。炭素のもう一つの同素体はフラーレンで、炭素原子が球状に折り畳まれたシート状の形をしています。2003年に発見された炭素の5つ目の同素体はグラフェンと呼ばれ、ハニカム状に配列された炭素原子の層状の形をしています。[ 6 ] [ 14 ] [ 15 ]
シリコンには室温で存在する2つの同素体が知られています。これらの同素体は、非晶質同素体と結晶性同素体として知られています。非晶質同素体は茶色の粉末です。結晶性同素体は灰色で金属光沢を呈します。[ 16 ]
スズには2つの同素体、α-スズ（灰色スズとも呼ばれる）とβ-スズがあります。スズは通常、銀色の金属であるβ-スズとして存在します。しかし、常圧下では、β-スズは13.2℃（55.8℉）以下の温度で灰色の粉末であるα-スズに変化します。そのため、低温下ではスズ製品はスズペストまたはスズ腐食と呼ばれる現象により、灰色の粉末に崩れることがあります。[ 6 ] [ 17 ]
核
炭素族元素のうち少なくとも2つ（スズと鉛）は魔法核を持っており、これらの元素は魔法核を持たない元素よりも一般的で安定していることを意味します。[ 17 ]
同位体
炭素には15種類の同位体が知られています。そのうち3種類は天然に存在します。最も一般的なのは安定炭素12で、次いで安定炭素13です。[ 13 ]炭素14は半減期が5,730年の天然放射性同位体です。[ 18 ]
シリコンの同位体は23種類発見されており、そのうち5種類は天然に存在します。最も一般的なのは安定シリコン28で、次いで安定シリコン29、安定シリコン30となります。シリコン32は放射性同位体であり、アクチニドの放射性崩壊や上層大気中の核破砕によって天然に存在します。シリコン34もアクチニドの放射性崩壊によって天然に存在します。[ 18 ]
ゲルマニウムには32種類の同位体が発見されています。そのうち5種類は天然に存在します。最も一般的なのは安定ゲルマニウム74で、次いで安定ゲルマニウム72、安定ゲルマニウム70、安定ゲルマニウム73と続きます。ゲルマニウム76は原始的な放射性同位体です。[ 18 ]
スズの同位体は40種類発見されており、そのうち14種類は自然界に存在します。最も一般的なのはスズ120で、次いでスズ118、スズ116、スズ119、スズ117、スズ124、スズ122、スズ112、スズ114と続きます。これらはすべて安定しています。スズには、ウランの放射性崩壊によって生じる4つの放射性同位体も存在します。これらの同位体は、スズ121、スズ123、スズ125、スズ126です。[ 18 ]
鉛の同位体は38種類発見されており、そのうち9種類は天然に存在します。最も一般的な同位体は鉛208で、次いで鉛206、鉛207、鉛204が続きます。これらはすべて安定しています。鉛の同位体はウランとトリウムの放射性崩壊によって5種類生成されます。これらの同位体は鉛209、鉛210、鉛211、鉛212、鉛214です。[ 18 ]
フレロビウムには6つの同位体（フレロビウム-284、フレロビウム-285、フレロビウム-286、フレロビウム-287、フレロビウム-288、フレロビウム-289）が発見されており、いずれも人為的に合成されたものです。フレロビウムの最も安定した同位体はフレロビウム-289で、半減期は2.6秒です。[ 18 ]
発生
炭素は、たとえ小さな恒星であっても、ほとんどの恒星の核融合の結果として蓄積されます。 [ 17 ]炭素は地殻中に480ppmの濃度で存在し、海水中には28ppmの濃度で存在します。炭素は大気中では一酸化炭素、二酸化炭素、メタンの形で存在します。炭素は炭酸塩鉱物の主要成分であり、海水中に多く含まれる炭酸水素塩に含まれています。炭素は典型的な人間の体の22.8%を構成しています。[ 18 ]
地球の地殻には28%の濃度でシリコンが存在し、地球で2番目に豊富な元素です。海水中のシリコン濃度は、海面では30ppb（10億分の1）から、深海では2000ppb（10億分の1）まで変化します。地球の大気中には微量のシリコンダストが存在します。地球上で最も一般的な鉱物はケイ酸塩鉱物です。人体では、シリコンは平均14.3ppm（100万分の1）を占めています。[ 18 ]恒星核融合反応によってシリコンを生成するのは、最も大きな恒星だけです。[ 17 ]
ゲルマニウムは地球の地殻に2ppmの割合で存在し、地球上で52番目に豊富な元素です。土壌では平均1ppmの割合でゲルマニウムが存在します。海水では0.5pptの割合でゲルマニウムが存在します。有機ゲルマニウム化合物も海水中に存在します。人体中のゲルマニウム濃度は71.4ppbです。また、非常に遠く離れたいくつかの恒星にもゲルマニウムが存在することが発見されています。[ 18 ]
スズは地殻中に2ppm存在し、地殻で49番目に豊富な元素です。土壌中には平均1ppmのスズが存在します。海水中には4pptの濃度でスズが存在します。人体には428ppbのスズが存在します。酸化スズ(IV)は土壌中に0.1～300ppmの濃度で存在します。[ 18 ]スズは火成岩中にも1ppmの濃度で存在します。[ 19 ]
鉛は地殻の14ppmを占め、地球上で36番目に豊富な元素です。土壌中の鉛の平均濃度は23ppmですが、古い鉛鉱山の近くでは濃度が20000ppm（2%）に達することがあります。海水中の鉛の濃度は2pptです。人体重量の鉛は1.7ppmです。人間の活動は、他のどの金属よりも多くの鉛を環境に排出しています。[ 18 ]
フレロビウムは自然界には全く存在しないため、粒子加速器内では一度に数個の原子のみが存在する。[ 18 ]
歴史
古代の発見と利用
炭素、錫、鉛は、硫黄、鉄、銅、水銀、銀、金とともに古代世界でよく知られた元素の一部です。[ 20 ]
水晶の形をしたシリカ（珪酸）としてのシリコンは、ビーズや小さな花瓶に使用していた先王朝時代のエジプト人、初期の中国人、そしておそらく他の多くの古代人にとって馴染み深いものでした。シリカを含むガラスの製造は、エジプト人（少なくとも紀元前1500年頃）とフェニキア人の両方によって行われていました。天然に存在する多くの化合物、つまりケイ酸塩鉱物は、最古の人々によって住居建設用の様々なモルタルに使用されていました。
錫の起源は歴史の中で忘れ去られているようです。銅と錫の合金である青銅は、純粋な金属が単離される以前から先史時代の人々によって使用されていたようです。青銅は、初期のメソポタミア、インダス川流域、エジプト、クレタ島、イスラエル、ペルーで一般的でした。初期の地中海の人々が使用した錫の多くは、ブリテン諸島のシリー諸島とコーンウォールから来たと考えられており、 [ 21 ]錫の採掘は紀元前300年から200年頃に遡ります。スペインによる征服以前、南米と中央アメリカのインカとアステカの地域では錫鉱山が操業していました。
鉛は初期の聖書の記述に頻繁に登場します。バビロニア人はこの金属を碑文を刻むための版として用いました。ローマ人は粘土板、水道管、硬貨、さらには調理器具にも使用しました。実際、最後の使用の結果、アウグストゥス帝の時代には鉛中毒が認識されていました。白鉛として知られる化合物は、少なくとも紀元前200年には装飾用顔料として製造されていたようです。
現代の発見
純粋な非晶質シリコン元素は、1824 年にスウェーデンの化学者イェンス・ヤコブ・ベルセリウスによって初めて得られました。不純なシリコンは 1811 年にはすでに得られていました。結晶質シリコン元素は、1854 年に電気分解の生成物として得られるまで準備されませんでした。
ゲルマニウムは、1869年にロシアの化学者ドミトリ・メンデレーエフが周期表を初めて考案した際に存在を予言した3つの元素の1つです。しかし、この元素は実際に発見されるまでにはしばらく時間がかかりました。1885年9月、ある鉱夫が銀鉱山で鉱物のサンプルを発見し、鉱山長に提出しました。鉱山長はそれが新鉱物であると判断し、クレメンス・A・ウィンクラーに送りました。ウィンクラーは、サンプルが銀75%、硫黄18%、そして未発見の元素7%で構成されていることに気づきました。数か月後、ウィンクラーはその元素を単離し、32番元素であると特定しました。[ 18 ]
フレロビウム（当時は「元素番号114」と呼ばれていた）を発見する最初の試みは1969年、合同原子核研究所で行われたが、失敗に終わった。1977年、合同原子核研究所の研究者たちはプルトニウム244原子にカルシウム48を衝突させたが、再び失敗に終わった。この核反応は1998年に再び試みられ、今回は成功した。[ 18 ]
語源
- 炭素はラテン語の「炭」を意味する「 carbo 」に由来します。
- シリコンはラテン語のsilex (またはsilicis ) に由来し、「火打ち石」を意味します。
- ゲルマニウムは、ゲルマニウムが発見された国であるドイツを表すラテン語名「Germania」に由来しています。
- Stannum は、ケルトのstaenに由来する、またはそれに関連する、「錫」を意味するラテン語のstannumに由来します。
- 英語におけるスズの一般名はtinで、古英語から直接受け継がれています。おそらくstannumやstaenと語源が共通していると考えられます。
- Plumbum は、鉛を意味するラテン語のplumbumに由来します。
- 英語でplumbumの一般名はleadであり、古英語から直接受け継がれました。[ 18 ]
- フレロビウムは、ゲオルギー・フリョロフと彼の研究所にちなんで命名されました。
アプリケーション
炭素は非晶質の形で最も一般的に使用されています。この形態の炭素は、製鋼、カーボンブラック、タイヤの充填材、人工呼吸器、活性炭などに使用されています。また、鉛筆の芯など、グラファイトの形でも使用されています。炭素の別の形態であるダイヤモンドは、宝飾品によく使用されています。[ 18 ]炭素繊維は、非常に強度が高く弾力性も備えているため、衛星の支柱など、様々な用途に使用されています。[ 22 ]
二酸化ケイ素は、歯磨き粉、建築用充填材など、幅広い用途に利用されており、シリカはガラスの主成分でもあります。純粋なシリコンの50%は金属合金の製造に、45%はシリコーンの製造に使用されています。シリコンは1950年代から半導体にも広く使用されています。 [ 17 ] [ 22 ]
ゲルマニウムは1950年代まで半導体に使用されていましたが、その後シリコンに置き換えられました。[ 17 ]放射線検出器にもゲルマニウムが含まれています。二酸化ゲルマニウムは光ファイバーや広角カメラレンズに使用されています。少量のゲルマニウムを銀に混ぜると、銀の変色を防ぐことができます。この合金はアルゲンティウムスターリングシルバーとして知られています。[ 18 ]
はんだは錫の最も重要な用途であり、生産される錫の50%がこの用途に使用されています。生産される錫の20%はブリキ板に使用され、20%は化学産業で使用されています。錫はピューターを含む多くの合金の成分です。酸化スズ(IV)は数千年にわたってセラミックスに広く使用されてきました。スズ酸コバルトはセルリアンブルーの顔料として使用される錫化合物です。[ 18 ]
生産される鉛の80%は鉛蓄電池に使用されます。鉛は他に、重し、顔料、放射性物質からの遮蔽材などにも使用されています。鉛は歴史的に四エチル鉛の形でガソリンに使用されていましたが、毒性への懸念からこの用途は中止されました。[ 23 ]
生産
炭素の同素体であるダイヤモンドは、主にロシア、ボツワナ、コンゴ、カナダ、南アフリカ、インドで生産されています。合成ダイヤモンドの80%はロシアで生産されています。中国は世界のグラファイトの70%を生産しています。その他のグラファイト採掘国は、ブラジル、カナダ、メキシコです。[ 18 ]
シリコンはシリカを炭素と一緒に加熱することで生成されます。[ 22 ]
ゲルマニウム鉱石にはゲルマナイトなどいくつかありますが、希少性が高いため採掘されていません。代わりに、亜鉛などの金属鉱石からゲルマニウムが抽出されます。ロシアと中国では、石炭鉱床からもゲルマニウムが分離されています。ゲルマニウムを含む鉱石は、まず塩素処理されて四塩化ゲルマニウムとなり、これを水素ガスと混合します。その後、ゲルマニウムはゾーン精錬によってさらに精製されます。年間約140トンのゲルマニウムが生産されています。[ 18 ]
鉱山からは毎年30万トンの錫が産出されます。中国、インドネシア、ペルー、ボリビア、ブラジルが錫の主な生産国です。錫は、錫鉱物である錫石（SnO 2）をコークスで加熱することによって生産されます。[ 18 ]
最も多く採掘される鉛鉱石は方鉛鉱（硫化鉛）です。毎年400万トンの鉛が新たに採掘されており、そのほとんどは中国、オーストラリア、アメリカ合衆国、ペルーで採掘されています。鉱石はコークスと石灰石と混合され、焙焼されて純粋な鉛が生産されます。鉛の大部分は鉛電池からリサイクルされています。人類がこれまでに採掘した鉛の総量は3億5000万トンに上ります。[ 18 ]
生物学的役割
炭素は、既知のすべての生命にとって重要な要素です。DNA 、ステロイド、タンパク質など、あらゆる有機化合物に含まれています。[ 6 ]炭素が生命にとって重要な理由は、主に他の元素と多数の結合を形成する能力にあります。[ 17 ]典型的な70キログラムの人間の体内には、16キログラムの炭素が含まれています。[ 18 ]
ケイ素を基盤とした生命の実現可能性は広く議論されている。しかし、ケイ素は炭素に比べて複雑な環や鎖を形成する能力が低い。[ 6 ]二酸化ケイ素の形態のケイ素は、珪藻類や海綿動物の細胞壁や骨格の形成に利用される。ケイ素は鶏やネズミの骨の成長に不可欠であり、人間にとっても不可欠である可能性がある。人間は平均して1日に20～1200ミリグラムのケイ素を摂取しており、そのほとんどは穀物由来である。典型的な70キログラムの人間の体内には1グラムのケイ素が含まれている。[ 18 ]
ゲルマニウムの生物学的役割は不明ですが、代謝を促進することは知られています。1980年、浅井一彦はゲルマニウムが健康に有益であると報告しましたが、その主張は証明されていません。一部の植物は、土壌から酸化ゲルマニウムの形でゲルマニウムを吸収します。穀物や野菜などのこれらの植物には、約0.05 ppmのゲルマニウムが含まれています。人間のゲルマニウムの推定摂取量は1日1 mgです。典型的な70 kgの人間の体内には5 mgのゲルマニウムが含まれています。[ 18 ]
スズはラットの正常な成長に必須であることが示されているが、2013年現在、人間の食事にスズが必要であることを示す証拠はない。植物はスズを必要としない。しかし、植物は根にスズを蓄積する。小麦とトウモロコシにはそれぞれ7ppmと3ppmのスズが含まれている。しかし、植物がスズ製錬所の近くにある場合、植物中のスズ濃度は2000ppmに達する可能性がある。平均して、人間は1日に0.3ミリグラムのスズを摂取する。典型的な70キログラムの人間の体内には30ミリグラムのスズが含まれている。[ 18 ]
鉛の生物学的役割は知られておらず、実際には非常に毒性が強いのですが、一部の微生物は鉛汚染環境でも生存することができます。キュウリなどの植物には、最大数十ppmの鉛が含まれています。典型的な70kgの人間の体内には、120mgの鉛が含まれています。[ 18 ]
フレロビウムには生物学的役割はなく、粒子加速器内でのみ発見され、生成されます。
毒性
元素炭素自体は一般的に毒性はありませんが、一酸化炭素やシアン化水素など、その化合物の多くは毒性があります。しかし、炭素粉塵はアスベストと同様に肺に留まるため、危険な場合があります。[ 18 ]
ケイ素鉱物は一般的に毒性はありません。しかし、火山から噴出する二酸化ケイ素の粉塵は、肺に入ると健康に悪影響を及ぼす可能性があります。[ 17 ]
ゲルマニウムは乳酸脱水素酵素やアルコール脱水素酵素などの酵素に阻害作用を示す。有機ゲルマニウム化合物は無機ゲルマニウム化合物よりも毒性が強い。動物における経口毒性は低い。重度のゲルマニウム中毒は呼吸麻痺による死に至る可能性がある。[ 24 ]
一部のスズ化合物は摂取すると有毒ですが、ほとんどの無機スズ化合物は無毒であると考えられています。トリメチルスズやトリエチルスズなどの有機スズ化合物は非常に毒性が強く、細胞内の代謝プロセスを阻害する可能性があります。[ 18 ]
鉛およびその化合物（酢酸鉛など）は非常に有毒です。鉛中毒は頭痛、胃痛、便秘、痛風を引き起こす可能性があります。[ 18 ]
フレロビウムは放射能が強すぎるため、それ自体が有毒であるにもかかわらず、有毒かどうかを検査することができません。
参考文献
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