グラファイトの層状炭素構造：結合様式、物性、グラフェンとの関係

グラファイトの構造

グラファイトは巨大共有結合構造を持ち、以下の特徴があります：

• 各炭素原子が他の3つの炭素原子と共有結合で結合
• 炭素原子が六方最密充填構造で層を形成
• 層間は弱いファンデルワールス力で結合

グラファイトの層構造を3次元で説得力ある図示するのは困難です。以下の図は各層内の原子配列と層間隔を示しています。

固体炭素は化学結合の種類により異なる同素体（アロトロープ）をとります。最も一般的なのはダイヤモンドとグラファイトです。

ダイヤモンドではsp³混成軌道により各原子が四面体配位で4最近接原子と結合。グラファイトではsp²混成軌道で、各原子が平面内で120°間隔の3最近接原子と結合します。

個々の層はグラフェンと呼ばれます。各層内では炭素原子が蜂の巣格子（ハニカム格子）を形成し、結合長0.142 nm、層間距離0.335 nm。面内では共有結合で結ばれますが、4つの結合サイトのうち3つのみが満たされています。

第4の電子は面内を自由に移動可能で、これがグラファイトの電気伝導性の源です。層間結合は弱いファンデルワールス結合のため、層は容易に剥離・スライドします。層に垂直な方向の電気伝導度は面内方向の約1/1000です。

層内原子間距離と層間距離を同スケールで描くと、図のどちらかが極端に引き伸ばされたり潰れたりします。層間距離は層内原子間距離の約2.5倍です。

層はもちろん、示された少数原子ではなく膨大な数の原子にわたって延在します。

炭素は4つの不対電子を持つため4結合を形成すべきと主張されるかもしれませんが、この図では隣接炭素と3結合しか見えません。この図は結合そのものではなく、原子配列を示す簡略化図です。

グラファイトの結合

各炭素原子は3電子を用いて3近接原子と単純結合を形成。残る第4電子が結合準位に残ります。これら「余剰」電子は、1層内の全原子シート上で非局在化します。

これらは特定の原子や原子対に結びつかず、シート全体を自由に移動できます。重要なのは、非局在化電子がシート内のどこへでも自由に移動できること、すなわち各電子が特定の炭素原子に固定されなくなったことです。

しかし、あるシートの非局在化電子と隣接シートのそれの間に直接的接触はありません。シート内原子は強い共有結合で結ばれ、ダイヤモンドより強固です（非局在化電子による追加的結合効果のため）。

では何がシート同士を結合させているのか？ グラファイトにはファンデルワールス分散力の究極の例が見られます。非局在化電子がシート内を移動する際、巨大な一時双極子が生じ、上下のシートに逆向き誘起双極子を誘導し、これが全グラファイト結晶にわたって連鎖します。

グラファイトはダイヤモンドと同様の高融点を持ちます。グラファイトを溶融させるには、層間を剥がすだけでなく、構造全体の共有結合を破断する必要があります。

柔らかく滑りやすい感触を持ち、鉛筆芯や錠前等のドライ潤滑剤として使用されます。グラファイトはトランプの束に似ています。各カード（層）は強いが、互いにスライドしたり束から外れたりします。鉛筆で書くとシートが剥がれ紙に付着します。

グラファイトの密度はダイヤモンドより低い。層間に比較的大きな「無駄な」空間があるためです。

水や有機溶媒に不溶。ダイヤモンドと同じ理由で、溶媒分子と炭素原子の引力ではグラファイトの強い共有結合を克服できません。

電気を伝導する。非局在化電子がシート内を自由移動可能。グラファイトを回路に接続すると、電子がシートの一端から流出し、他端から新しい電子が供給されます。

よくある質問（FAQ）

グラファイトの構造は？

巨大共有結合構造で、各炭素原子が3他炭素原子と共有結合、六方配列で層形成、層間は弱い力で結合。

ダイヤモンドとグラファイトの構造は？

両者とも純粋な炭素からなる（バックミンスターフラーレンC₆₀も同様）。炭素原子の空間配列が異なるため、3つは炭素の同素体です。

グラファイトの結晶構造は？

炭素原子が六方構造で配列した炭素の結晶形態。自然にこの形で産出し、標準状態で最も安定な炭素の形です。

グラファイトは層状構造か？

6員環の六方環で配列した炭素原子層で構成。これら環は縁で互いに接続されています。

グラファイトの構造と特性は？

巨大共有結合構造で、炭素原子が六方環層を形成、層間に共有結合なし、各原子から1つの非結合（非局在化）電子。

グラファイトの構造と結合は？

炭素原子層からなる巨大共有結合構造。炭素は4価電子を持つ。グラファイトでは各炭素が3他炭素と共有結合。ゆえに全炭素原子が結合に使われない1電子を持つ。

グラファイトは単純構造か？

巨大共有結合構造。層構造を持ち、3次元で説得力ある描画は困難。図は各層内の原子配列と層間隔を示す。

グラファイトは四面体構造か？

四面体構造ではありません。自然産出の結晶性炭素形態。変成岩・火成岩に見られ、地殻・上部マントルでの熱と圧力により形成されます。

グラファイトの構造と用途は？

炭素の同素体。各炭素原子が単一共有結合で3他炭素と結合し六方環形成、層状配列。一般に鉛筆芯、電池電極に使用。2次元層状構造。

グラファイト構造の名称は？

6炭素原子環が広い間隔で水平シートに配列した層状構造。六方晶系で結晶化。ダイヤモンドは八面体/四面体晶系。

グラファイト類似構造を持つものは？

BCN(H)ネットワークの主要部炭素原子がグラファイト類似構造を持つことを示唆。

グラファイトをどう構造化するか？

グラファイト構造が物理的特性をどう説明するか？

平面構造により電子が面内で容易移動可能。これにより電気・熱伝導、光吸収、ダイヤモンドと異なり黒色外観を示す。

グラフェン構造は？

グラファイトの単原子層で、各炭素原子間に強い共有結合。原子は六方形配列。特性：高融点・沸点。多数の強い共有結合を持ち、破断に多大なエネルギー必要。

グラファイトは硬いか軟らいか？

非常に軟らかく滑りやすい。ダイヤモンドは人類最硬物質。両者とも炭素のみからなるのに特性が異なるのは、炭素原子の結合様式の違いによる。

グラファイトはネットワーク構造か？

ダイヤモンドとグラファイトは炭素の異なる形態。両者とも炭素原子の巨大共有結合ネットワーク構造からなり、共有結合で結合。

炭素の2つの異なる構造形態は？

元素が複数結晶形で存在する場合、それらは同素体と呼ばれる。炭素の最も一般的な2同素体はダイヤモンドとグラファイト。

なぜシリコンはグラファイト構造をとらないか？

SiはCより原子半径大・電気陰性度小のためsp²混成せず、グラファイト様構造に必要なpπ-pπ二重結合を形成できない。代わりにsp³混成を好み、ダイヤモンド類似の3次元ネットワーク構造をとる。

グラファイトの化学式は？

化学式C、分子量12.01。ナノチューブ、ダイヤモンド、グラファイトは炭素同素体、化学式「C」で表現可能。

構造と結合の観点からなぜグラファイトは軟らかいか？

炭素原子が3他炭素と共有結合し層形成。層間がスライド可能なため、ダイヤモンドよりはるかに軟らかい。

グラファイト層を結合させている力は？

巨大分子で構成されるが、原子がスライド可能な層に配列。弱いファンデルワールス力が層間を結合。

グラファイトとグラフェンの構造差は？

グラファイトは多数の炭素シートを持つ炭素同素体、グラフェンはグラファイトの単一炭素シート。これら層の1層がグラフェンシート。寸法的にナノ粒子と見なされる。

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