同素体

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ダイヤモンドとグラファイトの写真とそれぞれの結晶構造。

同素体(どうそたい、allotrope、allotropism)とは、同じ元素から構成されるが、結晶構造（原子配列）・結合様式が異なる単体同士の関係をいう。同素体同士は化学的性質、物理的性質ともに異なる。

特に炭素は同素体の説明に使われる。炭素の主な同素体にはダイヤモンドとグラファイト（黒鉛）がある。ダイヤモンドは炭素原子同士が正四面体格子状に配列した分子構造をとっているが、グラファイトは六方格子同士が層状に重なった構造をとっており、前者は電気を通さないが後者は電気伝導性がある。

同素体は気体、液体、固体状態のそれぞれに変化してもその化学式は変化しない（例：O₂、O₃）。ただし、リンの同素体は液体状態にするとすべてP₄の形に変化する。

[編集] 歴史

同素体の概念は1841年にスウェーデンの化学者であるイェンス・ヤコブ・ベルセリウス男爵によって提唱されたが証明はされなかった^[1]。しかしその後、1860年にアボガドロの仮説によって多原子分子の存在が理解されるようになり、酸素の同素体であるO₂とO₃が広く認められるようになった。20世紀初頭になると、炭素の同素体などは結晶構造の違いによるものであると広く認められるようになった。

1912年、ヴィルヘルム・オストヴァルトは、元素の同素体は化合物で知られている多形の特殊な例であり、 allotrope とallotropyの用語がとり違えられている点に言及した。多くの化学者がこの主張を行ったが、IUPACや多くのテキストは元素のためだけのallotrope とallotropyの使用を支持している。

[編集] おもな同素体

一般的に、可変な配位数と酸化数を持ち、また、連鎖(Catenation)しやすい元素ほど同素体を多く持つ傾向にある。同素体は一般に、ハロゲンと希ガス元素を除く非金属元素と、半金属元素で顕著であるが、金属元素も多くの同素体を持つ。

[編集] 非金属

[編集] 炭素

• ダイヤモンド - 非常に硬い無色の結晶。炭素原子が正四面体格子状に配置した分子構造をとる。電気伝導性が低い。優れた熱導体。
• ロンズデーライト - 六方晶ダイヤモンドとも呼ばれる。
• グラファイト - 黒鉛とも呼ばれる薄片状に剥がれやすいパイ状の黒色固体。中程度の電気伝導性を持つ。炭素原子が平面六方格子状に配置した構造が何層にも重なった構造をとる。
• 不定形炭素
• フラーレン, C₆₀
• カーボンナノチューブ - 炭素が円筒形のナノ構造を構成している。
• カルビン - 炭素同士がsp混成軌道で連鎖した構造をとる。

[編集] リン

• 白リン, P₄ - 結晶性固体
• 赤リン, P_n - 高分子固体
• 紅リン
• 黒リン - 半導体、グラファイトの類似化合物
• 紫リン
• 二リン

[編集] 酸素

• 二酸素, O₂ - 無色透明
• オゾン, O₃ - 青色
• 四酸素, O₄ - 準安定状態
• 八酸素, O₈ - 赤色

[編集] 窒素

• 二窒素, N₂
• 三窒素, N₃
• 四窒素, N₄
• 窒素の固体は、六方最密充填構造と立方晶のいずれかをとる。

[編集] 硫黄

• ゴム状硫黄（アモルファス硫黄）, S_n
• 斜方硫黄, S₈
• 単斜硫黄, S₈
• その他、環状硫黄, S₇, S₁₂など

[編集] セレン

• 赤色セレン, Se₈
• 灰色セレン, Se_n
• 黒色セレン

[編集] ホウ素

• アモルファスボロン - 茶色粉末
• 結晶性ホウ素 - 黒色で硬い（モース硬度：9.3）。室温で弱い電気伝導性を持つ。

[編集] ゲルマニウム

• α-ゲルマニウム
• β-ゲルマニウム - 高圧時

[編集] ケイ素

• アモルファスシリコン - 茶色粉末
• 結晶性ケイ素 - 金属光沢のある暗灰色。結晶性ケイ素の単結晶はチョクラルスキー法で成長させる方法が知られている。

[編集] ヒ素

• 黄色ヒ素, As₄ - ニンニク臭のあるロウ状の同素体。
• 灰色ヒ素 - 重合体。金属光沢がある。半金属性。
• 黒色ヒ素 - 金属光沢を持つ同素体。半金属性。

[編集] アンチモン

• 青白色アンチモン - 安定。半金属性。
• 黄色アンチモン - 非金属性。
• 黒色アンチモン - 非金属性。

[編集] 金属

天然に存在する金属元素のうち、Li, Be, Na, Ca, Sr, Ti, Mn, Fe, Co, Sr, Y, Zr, Sn, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Yb, Hf, Tl, Po, Th, Pa, Uの28種は同素体を持つ。

[編集] チタン

チタンは882°Cで六方最密充填構造から体心立方構造に転移する。

• 灰色チタン（αチタン）
• 白色チタン（βチタン）
• 斜方チタン（γチタン）

[編集] 鉄

• フェライト（α鉄） - 911°C以下の温度領域の相。体心立方格子構造をとる。770℃までは強磁性体であり、770℃を超えると常磁性体に変化する。この温度は鉄のキュリー温度と呼ばれる。
• β鉄 - かつて770°C - 911°Cの温度領域にあるとみなされていた鉄の相。現在ではα鉄に統一されている。
• オーステナイト（γ鉄） - 911°C - 1392°Cの温度領域の相。面心立方格子構造をとる。
• デルタフェライト（δ鉄） - 1392°C - 1536°C（融点）の温度領域の相。体心立方格子構造をとる。

[編集] ランタノイドとアクチノイド

• セリウム、サマリウム、テルビウム、ジスプロシウム、イッテルビウムはそれぞれ3種の同素体を持つ。
• プロメチウム、アメリシウム、バークリウム、カリホルニウムもそれぞれ3種の同素体を持つ^[2]。

Promethium, Americium, Berkelium, Californium have 3 allotropes

• プラセオジム、ネオジム、ガドリニウム、テルビウムはそれぞれ2種の同素体を持つ。

[編集] 脚注

1. ^ Jensen W.B., "The Origin of the Term Allotrope", Journal of Chemical Education, 2006, 83, 838-9
2. ^ http://www.iop.org/EJ/article/0305-4608/15/2/002/jfv15i2pL29.pdf?request-id=AFlRqDDL3BGhbarg2wi7Kg

[編集] 関連項目

• 同位体
• 異性体

[編集] 外部リンク

• http://www.physics.uoguelph.ca/summer/scor/articles/scor40.htm

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