生命の化学の基礎である炭素に関する 10 の事実

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炭素は、すべての有機化合物の主成分であるため、生命にとって不可欠な要素です。それは、炭素やダイヤモンドを形成する元素の形をとることができ、二酸化炭素 (CO 2 ) などの無機化合物を形成することができます。二酸化炭素 (CO 2 ) は、植物が太陽エネルギーを吸収するプロセスや、燃焼によってエネルギーを放出するプロセスにおける基本的な分子です。活性炭、炭素繊維、ナノチューブ、グラフェンは、基本的な構成要素として炭素原子を持つ化合物と材料の一部です。

炭素原子。
炭素原子。

炭素原子はその核に 6 個の陽子とその環境に 6 個の電子を持っているため、その原子番号は 6 です。自然界で最も豊富な同位体は、その核に 6 個の中性子を持つ 12C であり、1961 年以来、この同位体が使用されています。12 Cの質量の 12 分の 1 を単位として、すべての元素の原子質量を測定します。自然界の炭素原子の 98.89% は12 C ですが、原子核により中性子を持つ同位体もあります。 、13 C、1.1% の自然な構成を完了します。炭素のもう 1 つの重要な同位体は、5730 年の半減期で崩壊する放射性同位体である14Cです。14Cは、窒素と宇宙線との相互作用の結果として大気中に生成され、その生成から有機プロセスや製品に統合され、炭素を含む布地や素材の年代測定を可能にする自然の時計に変換します. 1000年から50000年の範囲です。

炭素に関する 10 の事実を次に示します。

  • 炭素は非金属元素であり、それ自体と結合して膨大な種類の化合物を形成することができ、その数は推定 1,000 万を超えます。
  • すべての元素と同様に、炭素は核融合反応によって星の中で生成されました。開発の初期段階では、星は太陽の場合と同様に、ヘリウムを生成する水素原子の核融合反応によってエネルギーを生成します. ほとんどの水素がヘリウムに変換されると、反応で生成されたエネルギーは重力と釣り合うことができなくなります.力と星はその中心で圧縮され、その外側のセクターは拡大します。プロセスが終了すると、原子核の温度は 1 億ケルビンのオーダーの温度に達し、3 つのヘリウム原子核が炭素原子を生成するトリプル アルファと呼ばれる反応が起こります。後続のプロセスは、他の要素を生成したり、生成された要素を分散させたりすることができます。
星で炭素を生成するトリプルアルファ反応の図。
星で炭素を生成するトリプルアルファ反応の図。
  • 炭素は、水素、ヘリウム、酸素に次いで宇宙で 4 番目に豊富な元素であり、地球の地殻では 15 番目に豊富な元素です。
  • 元素炭素は、存在する中で最も硬く最も高価な材料の 1 つであるダイヤモンドの形をとるか、柔らかくて安価なグラファイトを形成することができます。ダイヤモンドとグラファイトは炭素の 2 つの同素体ですが、ダイヤモンドでは原子が極度の圧力と温度条件下で形成される立方晶の結晶構造に配置されますが、グラファイトでは共有結合が平面に配置された六方晶構造を形成します。
ダイヤモンド(左)とグラファイト(右)の結晶構造。
ダイヤモンド(左)とグラファイト(右)の結晶構造。
  • 真空中または無酸素雰囲気中、ダイヤモンドは摂氏 1,700 度でグラファイトに変わります。空気中では、摂氏約 700 度で変換が始まります。グラファイトの融点は摂氏3600度です。
  • 炭素の同素体にはさまざまな用途があります。ダイヤモンドは、非常に硬度が高いため、産業用途にも使用される宝石です。グラファイトは、鉛筆の芯にペーストと混ぜて使用されます。また、固体潤滑剤として、また酸化に対する保護要素としても使用されます。グラファイトは、耐火れんがやるつぼの成分になることがあります。ピストン、シリンダーガスケット、ワッシャー、ベアリングなどのさまざまなエンジニアリング部品がグラファイトで製造されています。その優れた導電性と化学的攻撃に対する耐性により、電極の製造や、カーボンや電気モーター ブラシなどの他の電気用途に使用されます。その中性子減速能力と低い中性子吸収により、
  • 炭素は、炭素化学とも呼ばれる有機化学の基本要素です。すべての有機分子には炭素が含まれています。最も単純なものは互いに異なる結合を形成し、水素原子のみと結合しますが、最も複雑なものは酸素、窒素、リン、または硫黄原子を含み、RNA (リボ核酸) 分子および DNA (デオキシリボ核酸) 分子の複雑さの最高レベルに達します。多数の有機化合物は、炭素原子がその原子価殻に 4 つの電子を持っているという事実によるものであり、オクテット規則に従って安定状態を形成するにはさらに 4 つの電子が必要です。このようにして、共有結合によって他の元素または同じ種の他の原子と結合できる4つの結合があります。
アミノ酸分子の構造。 灰色が炭素、紫が窒素、赤が酸素、水色が水素。
アミノ酸分子の構造。灰色が炭素、紫が窒素、赤が酸素、水色が水素。
  • ポリマーは、さまざまな形で私たちの日常生活の一部となっています。天然ポリマー、つまりバイオポリマーは、人工ポリマーの大部分と同様に、炭素化合物です。生体高分子は、生命の基本的な構成要素です。脂質はバイオポリマー、トリグリセリドであり、そのモノマーはそれらはグリセロールと脂肪酸です。そしてタンパク質は、モノマーがアミノ酸であるポリペプチドです。別の例は核酸です。DNA と RNA のモノマーはヌクレオチドであり、窒素塩基、リボース (糖 (ペントースと呼ばれる単糖))、およびリン酸基で構成されています。炭水化物も生体高分子です。セルロースやデンプンなどの多糖類、およびスクロース (一般的な砂糖) やラクトースなどの二糖類は、モノマーが単糖 (単糖) であるポリマーであり、最も一般的な単糖はグルコースです。最も豊富なバイオポリマーはセルロースであり、ほとんどの植物の細胞壁の構成要素であるため、地球のバイオマスの大部分を形成しています。それは綿の最も純粋な形で見られ、紙や私たちが日常的に使用する他の多くの製品の主成分です. 人工高分子の中で、最も成形が容易なのがポリエチレンで、これは広く普及し、使用されているプラ​​スチックです。ポリエチレンのモノマーはエチレンで、2 つの炭素原子が二重結合で結合し、各炭素原子に 2 つの水素原子が結合した単純な有機分子です。二重結合が壊れている場合、各炭素原子は、ポリマーを形成する構造単位を構成する他の原子を結合するために利用できる共有結合を持っています。この構造単位の結合が繰り返されると、分岐のない長い直鎖状分子が生成されます。これがポリエチレンです。
βグルコースの重合によるセルロースの形成。
βグルコースの重合によるセルロースの形成。
  • 作ることができる最も強い材料の 1 つは炭素繊維です。グラファイト繊維とも呼ばれる炭素繊維は、炭素を主成分とするポリマーの直径 5 ~ 10 ミクロンの非常に細いフィラメントで構成される合成繊維です。この細いフィラメントを何千本も織り加工することで、炭素繊維が得られます。これらのフィラメントは高い引張強度を持っているため、太さに対して非常に強いです。カーボン ナノチューブは、製造可能な最強の材料と考えられており、炭素繊維は一般に、スチールに似た特性を持ち、はるかに軽く、木材やプラスチックに似た密度を持っていると考えられています。炭素繊維には複数の用途があります。構築では、
マサチューセッツ工科大学の John Hart と Mircea Dinca が Automobili Lamborghini との共同プロジェクトで開発したカーボンファイバー製の自動車デザイン。
Automobili Lamborghini との共同プロジェクトで、マサチューセッツ工科大学の John Hart と Mircea Dinca によって開発された炭素繊維車のデザイン。
  • 炭素循環は、地球上の生命に不可欠な一連のイベントです。炭素循環のプロセスは、大気中のプロセス、陸上生物圏のプロセス、海洋中のプロセス、化石燃料や淡水系を含む堆積物中のプロセス、および陸地内のプロセスに分類されます。大気中の炭素は、主に二酸化炭素とメタンの形で存在します。二酸化炭素は、光合成によって大気から陸域および海洋生物圏に抽出され、水域にも溶解して炭酸を形成します。陸生生物圏の炭素には、すべての生きている生物と死んだ生物からの有機炭素、および土壌に貯蔵された炭素が含まれます。陸上生物圏の炭素のほとんどは有機物であり、3分の1は炭酸カルシウムなどの無機形態です。炭素は、燃焼と呼吸によって陸上生物圏から逃れますが、河川を通じて海洋システムに輸出されたり、不活性炭素として土壌に保持されたりすることもあります。海洋システムには、その生物地球化学的サイクルに関連する最大量の炭素が含まれています。炭素が海洋システムに入る主な方法は、大気中の二酸化炭素を溶解することです。これは、海洋生物によって行われる光合成によって有機炭素に変換されます。または不活性炭素として土壌に保持されます。海洋システムには、その生物地球化学的サイクルに関連する最大量の炭素が含まれています。炭素が海洋システムに入る主な方法は、大気中の二酸化炭素を溶解することです。これは、海洋生物によって行われる光合成によって有機炭素に変換されます。または不活性炭素として土壌に保持されます。海洋システムには、その生物地球化学的サイクルに関連する最大量の炭素が含まれています。炭素が海洋システムに入る主な方法は、大気中の二酸化炭素を溶解することです。これは、海洋生物によって行われる光合成によって有機炭素に変換されます。
炭素循環のスキーム。
炭素循環のスキーム。

ソース

アンナ・デミング。エレメントの王様?ナノテクノロジー第21号、2010年。

JL サルミエント、N. グルーバー。海洋生物地球化学的ダイナミクス。プリンストン大学出版局、米国ニュージャージー州プリンストン、2006 年。

ローラ・ガスク・シルバ。炭素。複数の個性を持つ要素。How do you see? Magazine、メキシコ国立自治大学、2019 年。

RJ Young、PA Lovell ポリマー入門。第3版。ルイジアナ州ボカラトン: CRC プレス、テイラー & フランシス グループ、2011 年。

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Sergio Ribeiro Guevara (Ph.D.)
Sergio Ribeiro Guevara (Ph.D.)
(Doctor en Ingeniería) - COLABORADOR. Divulgador científico. Ingeniero físico nuclear.

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