第18章典型元素の金属・半金属・非金属

Structures of the Nonmetals非金属の構造

The structures of the nonmetals differ dramatically from those of metals. Metals crystallize in closely packed arrays that do not contain molecules or covalent bonds. Nonmetal structures contain covalent bonds, and many nonmetals consist of individual molecules. The electrons in nonmetals are localized in covalent bonds, whereas in a metal, there is delocalization of the electrons throughout the solid.

英語のヒント

非金属の構造は、金属の構造とは大きく異なる。金属は、分子や共有結合を含まない密に詰まった配列として結晶化する。非金属の構造は共有結合を含み、多くの非金属は個々の分子からなる。非金属中の電子は共有結合に局在するが、金属では電子が固体全体に非局在化している。

The noble gases are all monatomic, whereas the other nonmetal gases—hydrogen, nitrogen, oxygen, fluorine, and chlorine—normally exist as the diatomic molecules H_2, N₂, O₂, F₂, and Cl₂. The other halogens are also diatomic; Br₂ is a liquid and I₂ exists as a solid under normal conditions. The changes in state as one moves down the halogen family offer excellent examples of the increasing strength of intermolecular London forces with increasing molecular mass and increasing polarizability.

希ガスはすべて単原子であるが、他の非金属の気体、すなわち水素、窒素、酸素、フッ素、塩素は、通常、二原子分子H_2,、N₂、O₂、F₂、Cl₂として存在する。他のハロゲンも二原子分子であり、通常の条件ではBr₂は液体、I₂は固体として存在する。ハロゲンの族を下るにつれて状態が変化することは、分子量と分極率の増大に伴い分子間のロンドン力が強くなることの、よい例である。

Oxygen has two allotropes: O₂, dioxygen, and O₃, ozone. Phosphorus has three common allotropes, commonly referred to by their colors: white, red, and black. Sulfur has several allotropes. There are also many carbon allotropes. Most people know of diamond, graphite, and charcoal, but fewer people know of the recent discovery of fullerenes, carbon nanotubes, and graphene.

酸素には二つの同素体、O₂（二酸素）とO₃（オゾン）がある。リンには一般的な同素体が三つあり、通常、白、赤、黒という色で呼ばれる。硫黄にはいくつもの同素体がある。炭素にも多くの同素体がある。ダイヤモンド、黒鉛、木炭は大部分の人が知っているが、フラーレン、カーボンナノチューブ、グラフェンが最近発見されたことを知る人は、それほど多くない。

Descriptions of the physical properties of three nonmetals that are characteristic of molecular solids follow.

以下では、分子性固体に特有の性質を持つ三つの非金属について、物理的性質を説明する。

Carbon炭素

Carbon occurs in the uncombined (elemental) state in many forms, such as diamond, graphite, charcoal, coke, carbon black, graphene, and fullerene.

炭素は、ダイヤモンド、黒鉛、木炭、コークス、カーボンブラック、グラフェン、フラーレンなど、多くの形で、他の元素と結合していない状態（単体）として存在する。

Diamond, shown in Figure 18.20, is a very hard crystalline material that is colorless and transparent when pure. Each atom forms four single bonds to four other atoms at the corners of a tetrahedron (sp³ hybridization); this makes the diamond a giant molecule. Carbon-carbon single bonds are very strong, and, because they extend throughout the crystal to form a three-dimensional network, the crystals are very hard and have high melting points (~4400 °C).

図18.20に示すダイヤモンドは、純粋な場合には無色透明な、非常に硬い結晶性物質である。各原子は、四面体の頂点にある他の四つの原子に対して、四つの単結合を作る（sp³混成）。このため、ダイヤモンドは巨大分子となる。炭素・炭素単結合は非常に強く、結晶全体にわたって三次元網目を作るため、結晶は非常に硬く、融点が高い（約4400 °C）。

二枚の写真と二つの画像があり、「a」「b」「c」「d」と表示されている。写真aは、ピンセットでつかんだダイヤモンドである。写真bは、黒い柱状の固体を示している。画像cは、互いにつながった六角形の環からなる、層状のシートを示している。画像dは、六角形の環からなるシートを示している。 — Figure 18.20図 18.20
(a) Diamond and (b) graphite are two forms of carbon. (c) In the crystal structure of diamond, the covalent bonds form three-dimensional tetrahedrons. (d) In the crystal structure of graphite, each planar layer is composed of six-membered rings. (credit a: modification of work by “Fancy Diamonds”/Flickr; credit b: modification of work from http://images-of-elements.com/carbon.php)
(a) ダイヤモンドと(b) 黒鉛は、炭素の二つの形態である。(c) ダイヤモンドの結晶構造では、共有結合が三次元の四面体を作る。(d) 黒鉛の結晶構造では、各平面層が六員環からなる。（クレジットa：「Fancy Diamonds」/Flickrの作品を改変。クレジットb：http://images-of-elements.com/carbon.phpの作品を改変。）

Graphite, also shown in Figure 18.20, is a soft, slippery, grayish-black solid that conducts electricity. These properties relate to its structure, which consists of layers of carbon atoms, with each atom surrounded by three other carbon atoms in a trigonal planar arrangement. Each carbon atom in graphite forms three σ bonds, one to each of its nearest neighbors, by means of sp²-hybrid orbitals. The unhybridized p orbital on each carbon atom will overlap unhybridized orbitals on adjacent carbon atoms in the same layer to form π bonds. Many resonance forms are necessary to describe the electronic structure of a graphite layer; Figure 18.21 illustrates two of these forms.

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同じく図18.20に示す黒鉛は、軟らかく、滑りやすい灰黒色の固体で、電気を通す。これらの性質は構造に関係している。黒鉛は炭素原子の層からなり、各原子は、平面三角形の配置をとる他の三つの炭素原子に囲まれている。黒鉛の各炭素原子は、sp²混成軌道により、最も近い三つの原子それぞれと一つずつ、計三つのσ結合を作る。各炭素原子の混成していないp軌道は、同じ層の隣接する炭素原子の混成していない軌道と重なってπ結合を作る。黒鉛の層の電子構造を表すには、多くの共鳴形が必要となる。図18.21は、そのうち二つを示している。

二つの画像があり、「a」「b」と表示されている。画像aは、二つのつながった六角形の環を示し、環の各頂点には、垂直に置かれた8の字形の軌道がある。画像bは一組の図を示し、それぞれに、単結合と二重結合で交互につながる炭素原子からなる、連続した六角形の環がある。二つの図は両頭矢印で結ばれている。 — Figure 18.21図 18.21
(a) Carbon atoms in graphite have unhybridized p orbitals. Each p orbital is perpendicular to the plane of carbon atoms. (b) These are two of the many resonance forms of graphite necessary to describe its electronic structure as a resonance hybrid.
(a) 黒鉛中の炭素原子には、混成していないp軌道がある。各p軌道は炭素原子の平面に垂直である。(b) これは、黒鉛の電子構造を共鳴混成体として表すのに必要な、多くの共鳴形のうち二つである。

Atoms within a graphite layer are bonded together tightly by the σ and π bonds; however, the forces between layers are weak. London dispersion forces hold the layers together. To learn more, see the discussion of these weak forces in the chapter on liquids and solids. The weak forces between layers give graphite the soft, flaky character that makes it useful as the so-called “lead” in pencils and the slippery character that makes it useful as a lubricant. The loosely held electrons in the resonating π bonds can move throughout the solid and are responsible for the electrical conductivity of graphite.

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黒鉛の層内の原子は、σ結合とπ結合によって強く結びついているが、層間の力は弱い。層どうしを結びつけているのはロンドン分散力である。詳しくは、液体と固体の章で、これらの弱い力についての説明を参照しよう。層間の弱い力により、黒鉛は軟らかく剥がれやすくなり、鉛筆のいわゆる「芯」として役立つ。また、滑りやすくなり、潤滑剤として役立つ。共鳴するπ結合中の緩く束縛された電子は、固体全体を移動でき、黒鉛の電気伝導性をもたらす。

Other forms of elemental carbon include carbon black, charcoal, and coke. Carbon black is an amorphous form of carbon prepared by the incomplete combustion of natural gas, CH₄. It is possible to produce charcoal and coke by heating wood and coal, respectively, at high temperatures in the absence of air.

炭素の単体の他の形態には、カーボンブラック、木炭、コークスがある。カーボンブラックは、天然ガスCH₄の不完全燃焼によって調製される、炭素の非晶質の形態である。空気がない状態で木材と石炭をそれぞれ高温に加熱すると、木炭とコークスを作ることができる。

Recently, new forms of elemental carbon molecules have been identified in the soot generated by a smoky flame and in the vapor produced when graphite is heated to very high temperatures in a vacuum or in helium. One of these new forms, first isolated by Professor Richard Smalley and coworkers at Rice University, consists of icosahedral (soccer-ball-shaped) molecules that contain 60 carbon atoms, C₆₀. This is buckminsterfullerene (often called bucky balls) after the architect Buckminster Fuller, who designed domed structures, which have a similar appearance (Figure 18.22).

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近年、煙を出す炎から生じるすすや、真空中またはヘリウム中で黒鉛を非常に高温に加熱して生じる蒸気の中に、炭素の単体分子の新しい形態が確認された。その一つは、ライス大学のリチャード・スモーリー教授と共同研究者によって初めて単離され、60個の炭素原子を含む二十面体（サッカーボール形）の分子C₆₀からなる。これは、似た外観のドーム構造を設計した建築家バックミンスター・フラーにちなみ、バックミンスターフラーレン（バッキーボールともよく呼ばれる）と名づけられている（図18.22）。

球状構造が六角形の環からできており、各環は、単結合と二重結合で交互につながる原子からできている。 — Figure 18.22図 18.22
The molecular structure of C₆₀, buckminsterfullerene, is icosahedral.
バックミンスターフラーレンC₆₀の分子構造は二十面体である。

Nanotubes and Grapheneナノチューブとグラフェン

Graphene and carbon nanotubes are two recently discovered allotropes of carbon. Both of the forms bear some relationship to graphite. Graphene is a single layer of graphite (one atom thick), as illustrated in Figure 18.23, whereas carbon nanotubes roll the layer into a small tube, as illustrated in Figure 18.23.

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グラフェンとカーボンナノチューブは、近年発見された炭素の二つの同素体である。どちらの形態も黒鉛と何らかの関係がある。図18.23に示すように、グラフェンは黒鉛の単一の層（原子一個分の厚さ）である。一方、同じ図18.23に示すように、カーボンナノチューブでは、その層が巻かれて細い管になる。

OpenStax, Rice University; Chemistry 2e. · CC BY 4.0 · Source出典

Figure 18.23図 18.23

(a) Graphene and (b) carbon nanotubes are both allotropes of carbon.

(a) グラフェンと(b) カーボンナノチューブは、どちらも炭素の同素体である。

Graphene is a very strong, lightweight, and efficient conductor of heat and electricity discovered in 2003. As in graphite, the carbon atoms form a layer of six-membered rings with sp²-hybridized carbon atoms at the corners. Resonance stabilizes the system and leads to its conductivity. Unlike graphite, there is no stacking of the layers to give a three-dimensional structure. Andre Geim and Kostya Novoselov at the University of Manchester won the 2010 Nobel Prize in Physics for their pioneering work characterizing graphene.

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グラフェンは、非常に強く、軽量で、熱と電気を効率よく伝える物質で、2003年に発見された。黒鉛と同様に、炭素原子は六員環の層を作り、各頂点にはsp²混成の炭素原子がある。共鳴が系を安定化し、伝導性をもたらす。黒鉛と違い、層が積み重なって三次元構造になることはない。マンチェスター大学のアンドレ・ガイムとコンスタンチン・ノボセロフは、グラフェンの特性を明らかにする先駆的な研究によって、2010年のノーベル物理学賞を受賞した。

The simplest procedure for preparing graphene is to use a piece of adhesive tape to remove a single layer of graphene from the surface of a piece of graphite. This method works because there are only weak London dispersion forces between the layers in graphite. Alternative methods are to deposit a single layer of carbon atoms on the surface of some other material (ruthenium, iridium, or copper) or to synthesize it at the surface of silicon carbide via the sublimation of silicon.

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グラフェンを調製する最も簡単な方法は、粘着テープを用いて、黒鉛片の表面からグラフェンを一層だけ剥がすことである。この方法が有効なのは、黒鉛の層間には弱いロンドン分散力しか働かないためである。他の方法として、別の物質（ルテニウム、イリジウム、銅）の表面に炭素原子の層を一層堆積させる方法や、ケイ素の昇華によって炭化ケイ素の表面で合成する方法がある。

There currently are no commercial applications of graphene. However, its unusual properties, such as high electron mobility and thermal conductivity, should make it suitable for the manufacture of many advanced electronic devices and for thermal management applications.

現在、グラフェンの商業的な用途はない。しかし、高い電子移動度や熱伝導率などの特異な性質によって、多くの先端電子デバイスの製造や熱管理用途に適した物質になると考えられる。

Carbon nanotubes are carbon allotropes, which have a cylindrical structure. Like graphite and graphene, nanotubes consist of rings of sp²-hybridized carbon atoms. Unlike graphite and graphene, which occur in layers, the layers wrap into a tube and bond together to produce a stable structure. The walls of the tube may be one atom or multiple atoms thick.

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カーボンナノチューブは、円筒構造を持つ炭素の同素体である。黒鉛やグラフェンと同様に、ナノチューブはsp²混成の炭素原子の環からなる。層として存在する黒鉛やグラフェンと違い、層が管状に巻かれて互いに結合し、安定な構造を作る。管壁の厚さは、原子一個分の場合も、複数個分の場合もある。

Carbon nanotubes are extremely strong materials that are harder than diamond. Depending upon the shape of the nanotube, it may be a conductor or semiconductor. For some applications, the conducting form is preferable, whereas other applications utilize the semiconducting form.

カーボンナノチューブは、ダイヤモンドより硬い、極めて強い材料である。ナノチューブの形状に応じて、導体にも半導体にもなる。導体の形が適する用途もあれば、半導体の形を利用する用途もある。

The basis for the synthesis of carbon nanotubes is the generation of carbon atoms in a vacuum. It is possible to produce carbon atoms by an electrical discharge through graphite, vaporization of graphite with a laser, and the decomposition of a carbon compound.

カーボンナノチューブの合成の基礎となるのは、真空中で炭素原子を生成することである。黒鉛を通した放電、レーザーによる黒鉛の気化、炭素化合物の分解によって、炭素原子を生成できる。

The strength of carbon nanotubes will eventually lead to some of their most exciting applications, as a thread produced from several nanotubes will support enormous weight. However, the current applications only employ bulk nanotubes. The addition of nanotubes to polymers improves the mechanical, thermal, and electrical properties of the bulk material. There are currently nanotubes in some bicycle parts, skis, baseball bats, fishing rods, and surfboards.

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複数のナノチューブから作った糸は非常に大きな重量を支えられるため、カーボンナノチューブの強さは、将来、特に期待の大きい用途のいくつかにつながるだろう。しかし、現在の用途では、集合体のナノチューブだけが用いられている。ポリマーにナノチューブを加えると、材料全体の機械的性質、熱的性質、電気的性質が向上する。現在、ナノチューブは、一部の自転車部品、スキー、野球のバット、釣りざお、サーフボードに含まれている。