特定の要素が存在できるさまざまな形式があります。ダイヤモンドとグラファイトはどちらも同じもので、純粋な炭素であることをご存知ですか?それでも、彼らはとても異なっています。ダイヤモンドが最も硬いように、グラファイトは最も柔らかいものの 1 つです。しかし、両方が同じ要素でできている場合、それらはどのように、そしてなぜ異なるのでしょうか?
これが、このレッスンで学習する内容です。
このレッスンを終了すると、次のことができるようになります。
同素体とも呼ばれる同素体とは、いくつかの化学元素が 2 つ以上の異なる形態で存在する性質を指します。これらの異なる形態は、元素の同素体として知られています。同素体は、元素のさまざまな構造修飾です。これは、元素の原子が異なる方法で結合しているという事実によるものです。
たとえば、炭素の同素体には、ダイヤモンド、グラファイト、グラフェン、フラーレンなどがあります。
すべての元素は同素体を持っていますか?答えはノーです。一部の元素だけが同素体を持っています。
同素体という用語は元素のみに使用され、化合物には使用されません。同素体とは、同じ状態の要素の異なる形態 (つまり、異なる固体、液体、または気体の形態) のみを指します。これらの異なる状態自体は、同素体の例とは見なされません。
同素体は、相の違いにもかかわらず、一部の元素で異なる分子式を持っています。たとえば、酸素では、2 つの同素体: 二酸素
同素体は、モノトロピックまたはエナンチオトロピックであり得る。
同素性は、純粋な化学元素のさまざまな形態のみを指します。化合物が異なる結晶形を示す現象は多形と呼ばれます。
同素体は、周期表の 13 から 16 族の特定の元素でのみ発生します。
グループ 13
2 番目に硬い元素であるホウ素 (B) は、第 13 族で唯一の同素体元素です。元素結合ネットワークを形成する能力は、炭素 (C) に次いで 2 番目です。
ホウ素の同素体
グループ 14
グループ 14 では、通常の状態では炭素とスズのみが同素体として存在します。
炭素の同素体
炭素の同素体には次のものがあります。
ダイヤモンドとグラファイトは、最もよく知られている炭素の同素体です。ダイヤモンドとグラファイトの特性は大きく異なり、ダイヤモンドは透明で非常に硬く、グラファイトは黒くて柔らかい (紙に書けるほど柔らかい)。
グラファイトは、熱力学的に最も安定した形態の炭素です。グラファイトは、潤滑剤として広く使用されている、暗いワックス状の固体です。また、電気の非常に優れた伝導体でもあり、アーク灯の電極の材料として使用できます。グラファイトは、これまでに発見された固体炭素の中で最も安定した形態です。鉛筆の「芯」にも含まれます。
ダイヤモンドは融点が最も高く、天然に存在する固体の中で最も硬いです。硬度が高く、光の拡散性が高いため、ジュエリーに適しています。工業用もあります。その硬度により、優れた研磨剤になります。
錫の同素体
スズには 2 つの主要な同素体があります。
グループ 15
第 15 族には、リンとヒ素の 2 つの同素体元素があります。
リンの同素体
リン形態の主な同素体は次のとおりです。
白リンと赤リンだけが工業的に重要です。
ヒ素の同素体
ヒ素には多くの同素体が存在します。最も一般的な 2 つの同素体は、黄色とメタリック グレーです。
グループ 16
第 16 族の同素体元素は、酸素、硫黄、セレンの 3 つだけです。
酸素の同素体
一般に分子酸素または二酸素と呼ばれる分子式 O2 を持つ 2 つの酸素原子で構成される二原子分子。これは、元素状酸素の最も一般的な形態です。室温では無色の気体で、地球の大気の約 21% を構成しています。それはジラジカルとして存在し、不対電子を持つ唯一の同素体です。
分子式O3の3つの酸素原子からなる三原子分子は、オゾンと呼ばれます。オゾンは熱力学的に不安定で反応性が高い。 1840 年に Christian Friedrich Schonbein によって発見され、常温常圧では淡い青色の気体として存在します。
酸素、二酸素、およびオゾンの両方の同素体は、酸素原子のみで構成されていますが、酸素原子の配置が異なります。
オゾンは、紫外線の変異原性および有害な影響に対する生物圏の保護シールドとして機能します。
四酸素は、酸素の別の同素体です。オキソゾンとも呼ばれます。 O2 を 20 GPa.
硫黄の同素体
現在、約 30 のよく特徴付けられた硫黄同素体が知られています。
α-硫黄は、硫黄原子 (S8) の 8 員環から黄色の菱形の結晶を形成します。菱形硫黄とも呼ばれ、「硫黄の花」、「ロール硫黄」、「硫黄のミルク」に見られる主な形態です。
β-硫黄は、単斜晶系結晶形の黄色の固体で、α-硫黄よりも密度が低くなります。単斜晶系硫黄とも呼ばれます。 95.3 °C 以上でのみ安定し、それ以下ではα-硫黄に変換されるため、異常です。
γ-硫黄は、硫黄原子 (S8) の 8 員環から黄色の単斜晶の針状結晶を形成します。その姿から「真珠硫黄」「真珠母硫黄」と呼ばれることもあります。 3 つの中で最も密度の高いフォームです。
セレンの同素体
セレン (Se) は、灰色 (三方晶) セレン、菱面体セレン、3 つの深赤色単斜晶 (α -、β -、および γ - セレン)、非晶質赤色セレン、黒色ガラス状セレンなど、いくつかの同素体でも存在します。最も熱力学的に安定で最も密度の高い形は灰色 (三方晶) セレンで、セレン原子の無限らせん鎖が含まれています。他のすべての形態は、加熱すると灰色のセレンに戻ります。その密度に合わせて、灰色のセレンは金属と見なされ、電気を伝導する唯一の形態のセレンです。らせん構造がわずかに歪むと、立方体の金属格子が生成されます。
同じ元素の同素体は、異なる物理的および化学的挙動を示すことがあります。同素体の形態の変化は、温度、圧力、光など、他の構造に影響を与えるのと同じ力によって促進されます。たとえば、オゾンの化学的挙動は、酸素分子の化学的挙動とは異なります。オゾンは、二酸素よりも強力な酸化剤です。
