同素体

鉛筆の芯に使われるやわらかい黒鉛（グラファイト）と、世界でいちばん硬い宝石のダイヤモンドは、驚くことに、どちらも炭素（C）というたった1つの同じ元素だけでできています。材料はまったく同じなのに、片方は指の力だけでも紙の上でぼろぼろと崩れ、もう片方はガラスに傷をつけられるほど頑丈です。

これほど劇的な違いが生まれるのは、原子どうしが手をつなぐ形が違うからです。黒鉛は、炭素原子が六角形のハチの巣状に並んで平らな板をつくり、その板が何層にも薄く重なった構造をしています。層と層のあいだを引きとめる力が弱いので、字を書くときに板がするりと滑り、紙にくっついてくるのです。

一方のダイヤモンドは、炭素原子1個が周りの別の炭素4個とすき間なく結びつき、立体的な網目構造をがっちりとつくっています。同じ元素でも原子の並び方（構造）が違えば性質が大きく変わる、ということです。このように、同じ元素でできていながら構造が違うために性質が異なる物質どうしを、同素体と呼びます。

同素体は炭素だけにある特別な現象ではありません。私たちが一瞬一瞬、呼吸のたびに吸い込んでいる酸素（O₂）と、成層圏で有害な紫外線を防いでくれるオゾン（O₃）も、酸素という元素の代表的な同素体です。酸素原子が2個結びつくと生命の維持に欠かせない酸素になりますが、3個が集まると、独特のにおいがして反応性がとても強いオゾンになります。

炭素の仲間の同素体は、現代の先端科学技術の中心でも活躍しています。黒鉛から炭素を1層だけ薄くはがし取った「グラフェン」は、紙より何十万倍も薄い素材です。欠陥のない1層を同じ厚さで比べると鋼鉄より約200倍強いといわれ、電気もとてもよく通します。

さらに、炭素原子60個がサッカーボールのように丸くまとまったC60などの「フラーレン」や、細いストローのように長く丸まった「カーボンナノチューブ」も、みな炭素の同素体の仲間です。原子の組み立て方しだいで、想像もしなかったような驚きの新素材が、今も次々と生まれています。

名前が似ているので、「同素体」と「同位体」、それに「異性体」を混同してしまう方がたくさんいます。でも、この3つは科学で扱うレベルがまったく違う概念です。

同素体は、多くの原子が集まって物質をつくるときに現れる「原子の並び方や構造の違い」です。それに対して同位体は、原子1個1個の内側に注目する考え方です。陽子の数が同じなので化学的な性質は同じですが、原子核の中の中性子の数が違うために、重さ（質量）が異なる原子どうしの関係を指します。

最後に異性体は、複数の種類の元素が混ざった化合物で、原子のつながる順序や立体的な配置が違う場合をいいます。つまり、同素体は必ずたった1種類の元素だけでできた物質にだけ使える特別な呼び名だと覚えておけば、混乱しません。