炭素単体の端の状態はどうなっているのですか。

初歩的なことかもしれませんが、共有結合について疑問です。
ダイヤモンドや黒鉛は炭素原子が多数共有結合してできています。
その分子構造を見たときに、黒鉛は一つの原子につき3つの共有電子対で周りの炭素とつながっています。ここで価電子が1つ余ることで、黒鉛は電気を通すということですが、通常価電子があったらそこに別の原子が共有結合するもしくは炭素同士で二重結合にならないと安定しないように思えるのですがなぜ価電子が余っている状態で不安定にならないのでしょうか。

また、共有電子対を4つ持つダイヤモンドのような構造でも、一番表面の炭素原子も価電子が場合によっては複数余ると思います。こちらには何か結合しないのでしょうか。

昔からダイヤモンドと黒鉛、またフラーレン、カーボンナノチューブの図を見て気になってきました。
わかる方教えてください。

No.1 回答者： doc_somday 回答日時： 2017/02/20 20:33

その解決法は幾つかあって、

１．ラジカル状でそのまま。それで良いのか？と思うでしょうがアボガドロ数と比較すると多少のラジカルはどうでも良い。
２．酸素と反応する、酸素分子は三重項でビラジカルなので、容易にくっつく、だがこれは炭素を酸素に置き換えただけにみえる。ところがそうでは無い、酸素分子は長さがある、別の端が炭素ラジカルと結合して安定になる。
３．ナノチューブの場合、整然としていた構造が崩れ、末端が塞がれた半端なボール状になる。
以下莫大な可能性が挙げられるが、知能ゲームでしか無いし、もっととんでもない世界なのかも知れない。

この回答へのお礼

回答ありがとうございます。

今回上げていただいたのは可能性であって、実際どうなっているかはわかっていないのでしょうか？

ナノチューブの最後がボール状になるのはわかりやすくていいですね。
フラーレンに関して調べてみたら、60本の単結合、30本の二重結合で形成されているとあり、こちらはこれで安定していることが納得できました。

グラフェンに関しては、各炭素原子の４個の価電子は３個の sp2 混成軌道と 2pz 軌道に分布し，2pz 軌道を占める価電子は自由電子となって，シート内を自由に行き来している。というものを見つけました。
混成軌道というものを初めて知り、ほかの資料も読んでいますが、少し理解するのに時間がかかりそうです。(2次元の図解から3次元を想像して理解するのは難しいですね。)

ダイヤモンドについてはまだ該当する記事が見つかっていませんが、もう少し調べてみます。
酸素が結合しているというのはおもしろいですね。そうだとしたら厳密には単体といえるのかどうか少し疑問に思いますが、酸素でなくても水素などほかの元素が表面を覆っているとしたらとても納得できます。

お礼日時：2017/02/24 12:40