元素の一覧・その２（６～１０）

2016/03/19 2016/04/15

各項記載内容

元素記号、元素番号

英語名、ラテン語名

元素の分類、族、周期

相、色

融点、沸点

発見者、発見年

概要

1 　炭素
2 窒素
3 酸素
4 こんな記事も

　炭素

概要

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元素記号 / 元素番号	C / 6
英語名 / ラテン語名	carbon / carbonium
元素の分類 / 族 / 周期	非金属 / 第14族 / 第2周期
相 / 色	固体 / 黒、透明（形状により異なる）
融点 / 沸点	- / 3642℃
発見者、発見年	アントワーヌ・ラヴォワジェ（誰を発見者と定義するかは諸説あり）/ 1772年

性質

　価電子数4という元素の中で最大の4組の共有結合をもつことができることからあらゆる有機物、生物の基本的な構成材料となっている。融点や昇華を起こす温度は全ての元素の中で最も高く、常圧下では融点を持たない。炭素原子の共有結合は非常に堅牢で、ダイヤモンドのような最も硬い結合体から、逆に結合の方法によっては黒鉛のように最も柔らかい結合体になることもある。黒鉛は逆に安定性ではダイヤモンドを上回る。このように多様な形態や同素体を持つことができることが炭素の最大の特徴である。

また人間や動物にとっては基本的に無害ではあるものの、呼吸器に微細粒子を吸入すると深刻な肺組織への異常を引き起こす。また動物に対する毒性を発する稀な例としてショウジョウバエには猛毒であることが分かっている。

自然界での分布状況

　宇宙において、水素、ヘリウム、酸素に次いで多いのが炭素である。炭素はビッグバン発生時には形成されなかったと考えられているが、その後形成された恒星によって大量に生成されることになった。地球では化合物として地球全体で幅広く存在する。そのうちの9割は地殻の中に存在しており、その形は石油・石炭・天然ガスなどの化石燃料と炭素粒によるものが3/4以上である。さらに残りの1/4は炭酸塩の岩石、つまり石灰岩や苦灰岩である。海水中にも大量に存在し、さらに生物の構成要素として、または大気中の二酸化炭素として大量に存在している。

生成方法と利用

　炭素は上述の通り、化合物として石油、石炭などで大量に生産消費されていることは常識であるため、ここでは炭素単体（あるいはそれに近いもの）を直接利用した利用方法に限って言及する。

　炭素単体であっても多様な用途で使用されている。最も多く使用されているのは恐らく製鋼用や燃料に使用されるコークスと思われ、その多くが石炭から得られる。また最も一般的な使用例としては黒色鉛筆やインク、墨汁などで使用され、更にカーボンブラックはタイヤの着色やプリンタートナーなどの顔料、電線の被覆材、食品や化粧品の着色料などで大量に使用される。また一般的な円筒型電池では電極材に使用されたり、活性炭は脱臭剤や河川浄化などにも使用されている。また黒鉛からは人工ダイヤモンド生成がされ、人工ダイヤは多くの工業用研磨剤や切削工具、あるいは電極などに使用されている。ハイテク関連では炭素繊維が多数使用されており、軽くて弾性のあるその材質から、船舶、航空機、あるいは宇宙船、そしてスポーツ用具などに通常の金属に代わって多岐に使用されている。また未来の主要素材と考えられているカーボンナノチューブは現在スポーツ用品や自転車などに使用されているが、将来的には高密度の集積回路には欠かせない素材となり、シリコンに取って代わると考えられている。また軌道エレベーターなどの弾性と剛性を併せ持つ構造物の構造材料などにも期待されている。そして、天然ダイヤモンドは現代においても最高の宝石として高額で取引されている。

　炭素は上述の通り石炭や黒鉛として大量に存在する為、基本的にはこれらから採取するのが一般的である。石炭はアメリカ、ロシア、中国、オーストラリア、インドなどで大量に埋蔵されていて、特に中国では旺盛な製鋼需要からコークスの製造が世界一である。黒鉛は中国、インド、ブラジル、北朝鮮で多く産出される。またダイヤモンドはロシア、ボツワナ、オーストラリア、コンゴで多く産出している。

窒素

概要

元素記号 / 元素番号	N / 7
英語名 / ラテン語名	nitrogen / nitrogenium
元素の分類 / 族 / 周期	非金属 / 第15族 / 第2周期
相 / 色	気体 / 無色
融点 / 沸点	-210℃ / -195.79℃
発見者、発見年	不明発見年：18世紀ころ

性質

　揮発しやすく窒素分子として気体で安定し、不活性であり常温においては酸素と結合しない。大気中に大量に存在することから安価に得られるため、科学的な条件設定時の基礎用途に用いられたりするが、生物としては窒素を直接利用することができず基本的に窒素化合物として他の生物から得ることしかできない。また最近では超高温高圧下でポリ窒素を生成することができることが分かり、そのエネルギー量は莫大なもので現状実用化はできないものの所謂プラスチック爆弾の5倍の威力をもつ爆弾を製造することができるとされている。

自然界での分布状況

　宇宙においては窒素は地球の大気程多くは存在していないが、ネオンに次いで6番目に多い存在率を示す。一方で地球上では炭素と共に最も多く存在する元素のひとつである。大気中の約8割は窒素であることは常識であり、ほぼすべての生物の必須構成要素である。しかしながら海中や地殻にはほとんど存在しておらず、窒素が揮散しやすい元素であることを示している。生物においては窒素が酸素、炭素、水素についで4番目に多い構成要素となっている。したがって地球上に存在する窒素は生物活動が大きく影響しているものと考えられる。

生成方法と利用

　主としての利用は窒素化合物であり、その代表例としてはアンモニアが最大の需要があると考えられる。主要用途として植物用の肥料の原料であり、液化して冷却材などにも使用される。さらにアンモニアそれ自身が窒素の供給源としても大量に使用されている。また一酸化二窒素はロケットや自動車の内燃機関のブースト用（ロケットでは硝酸や四酸化二窒素も多用される）や医療用麻酔剤として、硝酸や亜硝酸は爆薬や酸化剤などで大量に使用される。身近なところでは硝酸塩を利用した洗浄剤などが販売されている。

窒素単体で見た場合、近年需要が急増している液体窒素としての冷却材需要や、タイヤや、缶飲料、加工食品の封入剤、アキュムレータや消火器などへの圧力源としての封入剤、ダイビングなどに使用する呼吸ガスなどに使用される。

また窒素はどこにでもあるため、液体空気の分留などによって非常に安価に得ることができる。

酸素

概要

元素記号 / 元素番号	O / 8
英語名 / ラテン語名	oxygen / oxygenum
元素の分類 / 族 / 周期	非金属 / 第16族 / 第2周期
相 / 色	気体 / 無色
融点 / 沸点	-218.4℃ / -182.96℃
発見者、発見年	カール・ヴィルヘルム・シェーレ / 1771年