炭素(C)は非常に柔軟な元素であり、多くの異なるイオンを形成することができます。 炭素は4価電子からなる外殻を有する。 これは、完全な外殻を得るために4つの電子を加えるか、またはその外殻を取り除くために4つの電子を失うことができることを意味します。
したがって、炭素イオンは電子を失うか得るかに応じて、-4から+4までの任意の電荷を持つことができます。 炭素の最も一般的な酸化状態は+4および+2であるが、炭素はの酸化状態を有するイオンを作ることができる+3, +1, -1, -2, そして-3。
概要
厳密に言えば、ナトリウム(Na)や塩素(Cl)のように、炭素はほとんど自立単原子イオンを形成しません。 炭素は、一般的に電子を獲得または失うことに耐性がある非常に安定した元素である。 炭素はほぼ同じように電気陽性であり、電気陰性であるため、電子を獲得または失う必要はほとんどありません。 ほとんどの場合、炭素は共有結合を形成し、イオンを形成するのではなく電子を共有するだけです。 単原子炭素イオンを生成することは完全に可能であり、それは除去される後続の電子ごとに増加する大量のエネルギーを必要とするだけである。しかし、
炭素は多原子イオンを形成することができる。 炭素の柔軟な電子構造は、それが多原子イオンのコアとして形成することを可能にする。 炭素を含むこれらの多原子イオンの多くは、私たちが知っているように生命に不可欠であり、生物において重要な役割を果たしています。 他は鉱物の行動を理解するために重要であり、他は燃料、建築材およびクリーニングの解決として企業で使用されます。 炭素はこのような柔軟な元素であるため、炭素が形成することができる多くの可能な多原子イオンは、その特性が大きく異なる。
“私たちは有機化学を炭素化合物の化学と定義しています。”-アウグスト-ケクル
イオンとは何ですか？
イオンは、非中性電荷を有する原子または分子である。 電気的に中性の原子は、電子の除去または添加を介してイオンになる。 電子は陽子と等しく、反対の電荷を持っているので、イオン上の正味の電荷は、陽子と電子の不等な量を有する原子から来ています。 イオンである単原子は単原子イオンと呼ばれ、非中性電荷を有する多原子分子は多原子イオンと呼ばれる。 正に荷電したイオンは陽イオンと呼ばれ、電子よりも多くの陽子を持っています。 負に帯電したイオンは陰イオンと呼ばれ、陽子よりも多くの電子を持っています。 化学者は、物質の化学式の隣に正または負の上付き文字を追加することによってイオンを表します。 単一の電子を失ったので、正の電荷を有する炭素原子は、C1πと書かれる。 逆に、単一の電子を獲得し、負の電荷を有する炭素原子は、C1⁻と書かれる。
陽イオンを形成する原子または分子の傾向は、物質のイオン化エネルギーによって決定される。 イオン化エネルギーは、原子または分子がその電子の1つを放電するために吸収しなければならないエネルギーの量の尺度であり、したがって正の電荷 一般に、中性原子から単一の電子を除去すると、必要なイオン化エネルギーが後続の電子ごとに増加して、エネルギーの最小量を要します。 例えば、炭素の第1イオン化エネルギーは1086.5kJ/molである。 つまり、炭素のモルから単一の電子を除去するには、1086.5kJのエネルギーが必要です。 炭素の第2のイオン化エネルギーは2352.6kJ/molであり、第1のイオン化エネルギーの2倍以上のエネルギーが必要である。
原子が陰イオンを形成する傾向は、その電気陰性度によって決定される。 物質の電気陰性度（EN）は、物質がどのくらい電子を引き付けるかの尺度です。 電子陰性元素が多いほど、追加の電子を獲得する可能性が高くなるため、陰イオンを形成する可能性が高くなります。 炭素はポーリングスケールで2.55のENを持ち、ほぼ中央の値です。 対照的に、酸素（O）は3.44のENを持っています;非常に電気陰性です。 酸素は、その2つの開いた原子価スロットを電子で満たしてO2⁻アニオンを形成する可能性が非常に高い。
単一原子から作られたイオンは単原子と呼ばれます。 複数の原子を持つ分子から作られたイオンは、多原子イオンと呼ばれています。 多原子イオンは、非中性電荷を有する化合物である。 単原子イオンと同じように、多原子イオンは電子と陽子の量が等しくありません。 多原子の式を書くとき、化合物は角括弧で書かれ、電荷は角括弧の外側に上付き文字として書かれる。 アンモニウムは、例えば、化学式が+の多原子イオンである。 アンモニウムは陽子よりも電子が1個少ないため、全体の電荷は+1である。 他の多原子イオンには、水酸化物（−）および硫酸塩（2−）が含まれる。
イオンは極性と同じではありません。 極性分子は部分的な電荷を持ち、イオンは完全な電荷を持っています。 イオンの電荷は常に整数値です。 ナトリウムイオンは+1の電荷を持ち、塩素イオンは-1の電荷を持つ。 極性分子は部分的に電荷双極子を有し、それらの電荷値は整数ではない。 水中の負の酸素端の電荷は約-2/3eであり、単一の電子の電荷の約三分の二である。
イオンとしての炭素
炭素との単原子イオン
炭素は電気的に安定な元素であるため、C3πまたはC Π-の形で自立単原子炭素イオンを自然に形成することはほとんどない。 炭素イオンが形成されるのを妨げるものは特になく、そうするためにかなりのエネルギーを必要とするという事実だけです。 代わりに、電子を失うか、または得るのではなく、炭素は、ほとんどの時間は、電子の共有を介して共有結合を形成します。 例えば、炭素は4つの外側の電子を水素と共有することによってメタン（CH4）を形成する水素は炭素から電子を取るのに十分な電気陰性ではなく、炭素は水素から電子を取るのに十分な電気陰性ではない。 したがって、炭素は、その4つの外側の電子のそれぞれを各水素の単一の外側の電子と共有するだけです。
ガス状炭素の雲から自立した単原子炭素イオンを形成する一つの方法は、レーザーを用いることである。 炭素は高温でガスに昇華します。 その後、レーザーは、炭素イオンを作るために電子をノックオフするために、個々の炭素原子で焼成することができます。 理論的には、このようにしてすべての電子を除去することで炭素原子を完全にイオン化することができます。 このプロセスは、炭素原子から除去された後続の各電子がますます多くのエネルギーを必要とするため、特に実用的または有用ではない。
炭素を持つ多原子イオン
炭素は、しかし、自然に多原子イオンの数を作ることができます。 炭素は非常に柔軟な元素であるため、それが形成することができる様々な多原子イオンは非常に異なる化学的性質を有する。 他の人が危険または非常に揮発性であることができながら、いくつかは、比較的鈍いと不活性です。 炭素は、様々な既知の天然に存在する多原子イオンの最も頻繁な構成要素の一つである。
例えば、炭素と窒素（N）が結合して、非常に有毒な化合物であるアニオンシアニド（−）を形成する。 シアン化物は、窒素原子に三重結合した炭素原子から構成される。 シアン化物は、多くの場合、防衛機構として、多くの植物や真菌によって自然に生成されます。 シアン化物は水素原子と結合して、少量で致命的な非常に腐食性の化合物である青酸（HCN）を形成することができます。
炭素を含むもう一つの一般的な多原子イオンは炭酸塩(2−)である。 炭酸イオンは塩および鉱物を形作るために他の多くの混合物とのイオンの結束を形作ります。 ほとんどの堆積岩には炭酸イオンが含まれており、通常はカルシウムと結合して炭酸カルシウム（Caco3）を形成する。 他の炭酸塩化合物には、炭酸鉄（Feco3）および炭酸ナトリウム（Na2Co3）が含まれる。 炭酸カルシウムは、軟体動物の殻やサンゴの骨格の主成分でもあります。
“私はそれが結婚相談所のようだったことを実現しました;イオンは仲間を探して失われた魂です;電解質は、彼らがお互いを見つけるのを助けることができる代理店です.”-Victoria Finlay
炭素イオンと高電気陽性アルカリとアルカリ土類金属との結合によって形成される炭化物と呼ばれる化合物の重要なファミリーがあります。 これらの炭化物は、中心炭素イオンの特性に依存して、三つのグループに分けることができる。 メタニドはC4−コア、c Β2−コアを持つアセチリド、c Β4−コアを持つセスキカルビドで形成される。 これらの炭化物化合物の大部分は、共有結合した炭素化合物を分解することによって生成することができる。
酢酸化合物は炭素を含む重要な多原子イオンである。 アセテート（−または-）は、生合成の主要な構成要素の1つであるため、本質的に遍在しています。 体内の酢酸は、最も重要な脂質の1つである脂肪酸を生成し、細胞呼吸に関与するアセチルCoAを生成するために使用されます。
炭素イオン療法
炭素イオンはまた、放射線療法を介して腫瘍を治療するためのニッチな用途を発見しました。 炭素放射線療法は、腫瘍で重電離した炭素粒子を焼成することによって腫瘍を治療することからなる。 イオン化された炭素粒子は、腫瘍細胞の細胞構造を損傷し、それらの成長を停止させ、それらを殺すことができる。 炭素イオン療法は、炭素原子の重い核がより正確で強力な治療を可能にするという点で、従来の放射線療法よりも利点を示しています。 重い核は、光子放射とは対照的に、磁場によって操縦されることができるので、腫瘍を標的とするためにより正確に操作することができる。