炭素，ケイ素とその化合物

７　炭素，ケイ素とその化合物ｈ

【炭素とケイ素】

　炭素とケイ素はともに価電子（最外殻電子の数）が〔　4　〕の非金属元素で，イオンにはならず，主として〔　共有結合　〕の化合物をつくる。炭素の単体にはいくつかの〔　同素体　〕がある。ダイヤモンド，グラファイト（黒鉛），無定形炭素，フラーレンなどがある。下にダイヤモンドと黒鉛の模式図を示す。

ダイヤモンドは4つの価電子全てを用いて他の炭素原子4個と共有結合している。そのため，〔　正四面体　〕構造がいくつも重なり合った結晶となり非常に硬くなる。一方，黒鉛は3個の価電子を用いて他の炭素原子3個と共有結合している。そのため，平面で炭素6個が〔　正六角形　〕構造を形成して，

その平面構造がいくつも重なり合った結晶となる。平面構造どうしは互いに〔　分子間力　〕（共有結合に比べると弱い結合）によって結合しているため，タイヤモンドよりも柔らかい結晶となる。また，黒鉛は炭素原子が価電子を1個余らせている。この余った価電子が金属結合の　　〔　自由電子　〕のようなはたらきをするため，〔　伝導性　〕が生じる。

ケイ素Siはケイ素原子がダイヤモンドと同様の構造をした結晶である。しかし，ダイヤモンドの共有結合よりも結合力が弱く，光や熱によって結合の一部が切れ，そこで生じた不対電子が，自由電子のようにはたらくので，条件によって電導性を生じる。このため，ケイ素は〔　半導体　〕として用いられる。

【二酸化炭素と一酸化炭素】

③　濃硫酸には化合物からH₂Oを取る性質（脱水作用）がある。〔　HCOOH　→　CO　＋ H₂O　〕

　　　　　　　　　硫酸は脱水するだけで，自身は変化しない（触媒としてはたらいている）ので，反応式には入れない。

④　〔　CaCO₃　＋　2HCl　→　CaCl₂　＋　CO₂　＋　H₂O　〕

　　　　　　　　　　　　（無機化学の反応式　パターン9　弱酸の塩と強酸 ⇒ 弱酸と強酸の塩）CO₂＋H₂Oは炭酸H₂CO₃に相当する。

【二酸化ケイ素とケイ酸塩】

二酸化ケイ素SiO₂は石英（ガラス）,ケイ砂,水晶の主成分で，下図のような構造をしている。同族の炭素Cの場合は，CO₂分子となり，分子結晶（CO₂分子が多数分子間力により結合した結晶）となるが，SiO₂は図のようにSi原子が正四面体の中心にあり，その頂点にO原子が結合する。これはSiO₂の単位の繰り返しで，三次元の(SiO2)nの構造_①をした共有結合の結晶（すべての原子が共有結合で結合した結晶）となる。

　　化学的には安定で，NaOH，Na2CO3などを加えて加熱すると反応し_②，また〔　フッ化水素　〕の水溶液には溶ける_③が他の試薬とはほとんど反応しない。

　　ケイ酸ナトリウムNa₂SiO₃に水を加えて熱すると，無色透明で粘性の大きな液体が得られる。これを〔　水ガラス　〕という。水ガラスに酸を加えると，弱酸であるケイ酸H₂SiO₃が白色のゲル状の沈殿として遊離する。

ケイ酸H₂SiO₃は，実際にはSiO₂とH₂Oが種々の割合で結合したものと考えられ，一般にはSiO₂･nH₂Oの組成で表される。ケイ酸は水には溶けず，加熱して乾燥すると，多孔質でSiO₂･nH₂Oのnが0に近い物質になる。これを〔　シリカゲル　〕といい，水蒸気や他の気体を吸着するので，〔　乾燥剤　〕や〔　吸着剤　〕として用いられる。

①

②　〔　SiO₂　＋　2NaOH　→　Na₂SiO₃　＋　H₂O　〕

　　　〔　SiO₂　＋　Na₂CO₃　→　Na₂SiO₃　＋　CO₂　〕　

③　〔　SiO₂　＋　6HF　→　H₂SiF₆　＋　2H₂O　〕H₂SiF₆ヘキサフルオロケイ酸

②，③より，NaOHやNa₂CO₃の水溶液はガラス瓶にゴム栓で保存。ガラス栓では瓶とくっついてしまう。フッ化水素の水溶液はプラスチック容器で保存する。