炭素は導体ですか？ (+ 知っておくべき 3 つの興味深い事実)

炭素は、導電性および非導電性の形態を含むさまざまな形態で存在できます。炭素の一種であるグラファイトは、電子の自由な流れを可能にする層状構造により、電気の良導体です。一方、炭素の別の形態であるダイヤモンドは絶縁体であり、炭素原子が密に結合しているため電気を通しません。

まあ、それは単純な答えでした。ただし、このトピックについては、コンセプトを明確にするために知っておくべきことがいくつかあります。

それでは早速本題に入りましょう。

なぜグラファイトは良導体なのでしょうか?

グラファイトは、電気を効率的に伝導できる独自の構造を備えているため、優れた伝導体です。炭素原子の層に配置されることで、自由に移動できる非局在電子のネットワークが形成され、電流の循環が可能になります。

より詳細には、グラファイトは六方格子に配置された炭素原子の層で構成されています。各層内では、炭素原子は共有結合構造で互いにしっかりと結合しています。ただし、層間の結合は比較的弱いため、層が互いに滑り合う可能性があります。

この構造により、炭素層の平面の上下で電子が共有される「パイ」結合が形成されます。

これらの「パイ」結合の存在により、特定の原子に関連付けられていない非局在化電子のネットワークが形成されます。これらの電子はグラファイトの構造内を自由に移動できるため、優れた電気伝導体となります。

電圧が印加されると、非局在化した電子が層を容易に通過し、電流が流れます。

さらに、グラファイトはその層状構造により、熱が炭素原子の面に沿って伝導するため、優れた熱伝導率も示します。この特性により、グラファイトは電気接点、電極などの用途で、また高温環境での潤滑剤として役立ちます。

ダイヤモンドは、その構造に電気を伝導できる自由電子や可動荷電粒子が存在しないため、絶縁体です。ダイヤモンドの炭素原子間の強い共有結合により、ダイヤモンドは電気を通しにくくなります。

ダイヤモンドは、緊密に結合したネットワーク構造に配置された炭素原子で構成されています。各炭素原子は隣接する炭素原子と 4 つの共有結合を形成し、相互に接続された炭素原子の三次元ネットワークを形成します。

炭素原子が非局在化電子を含む層を形成するグラファイトとは異なり、ダイヤモンドの構造には自由電子や緩く結合した電子がありません。ダイヤモンドの共有結合は非常に強力で、共有結合を破壊して電子を放出して伝導させるには大量のエネルギーが必要です。

そのため、ダイヤモンドは通常の状態では電気を通しません。電流を流すことができる自由電子や荷電粒子が存在しません。

この特性により、ダイヤモンドは優れた絶縁体となり、導電性が望ましくない用途や、高電圧用途や優れた放熱が必要な電子デバイスなど電気絶縁が必要な用途において貴重な材料となります。