炭素の同素体の種類と構造｜ダイヤモンド・黒鉛・フラーレンの違いと用途

炭素の同素体は、炭素原子だけでできているのに、原子のつながり方が違うために性質の大きく異なる単体どうしで、ダイヤモンド・黒鉛・フラーレンが代表です。黒鉛の層を1枚だけはがしたグラフェンや、それを筒に丸めたカーボンナノチューブも同じ仲間に入ります。

違いは、炭素1個が隣と何本の手でつながるかで生まれます。4本の手で立体の網目を組むダイヤモンドは最も硬く電気を通さず、3本の手で平らな層をつくる黒鉛はやわらかく電気を通します。この差から、工場では黒鉛が電気炉の電極や電池の負極に、合成ダイヤモンドが工具や砥粒に使われます。

本記事では、炭素の同素体の種類、ダイヤモンドと黒鉛の違いとその理由、単位格子と密度の計算、工業での使い道について解説します。

炭素の同素体の種類と性質：ダイヤモンド・黒鉛・フラーレンほか

炭素の主な同素体は、ダイヤモンド・黒鉛・フラーレン・カーボンナノチューブ・グラフェンの5つです。どれも炭素だけの単体なので化学式はすべて C で、フラーレンだけは分子の形が決まっているため C₆₀ や C₇₀ のように分子式で書きます。

図1：同じ炭素でも並べ方で5つの形になる

ダイヤモンドは炭素が4本の手で立体につながり、残りの4つは3本の手で六角形の網をつくります。網を重ねれば黒鉛、丸めれば筒や球になります。

※青い点が炭素原子、線が共有結合。ダイヤモンドの青い点は単位格子の内部にある原子です。

5つを結合の手の数・形・性質で並べると、次の表のようになります。ダイヤモンドだけが手4本、残りの4つは手3本という点を押さえると、硬さや電気の違いが説明できます。

同素体	炭素1個の結合の手	形	密度（g/cm3）	硬さ（モース）	電気	主な使い道
ダイヤモンド	4本（sp³）	立体の網目（共有結合の結晶）	3.52	10（最も硬い）	通さない（約1016 Ω·cm）	工具・砥粒、放熱板
黒鉛	3本（sp²）	六角形の層を重ねる	2.27	1〜2	層の方向によく通す	電極、電池の負極、耐火物
フラーレン C60	3本	60個の炭素の球形分子（分子結晶）	約1.7	−	ほとんど通さない	研究、化粧品・潤滑剤などの使用例
カーボンナノチューブ	3本	層1枚を丸めた筒	−	−	よく通す	複合材料・電極材料の開発
グラフェン	3本	1原子の厚さの層1枚	−	−	よく通す	研究開発の段階

密度は結晶の格子の寸法から計算した代表値で、天然の黒鉛や工業製品はすき間を含むぶん小さく出ます。黒鉛の「よく通す」も層の方向の話で、層に垂直な向きには電気が流れにくいので、材料の向きをそろえて使う場面もあります。

同素体と同位体の言葉の違いや、酸素・リン・硫黄の同素体は同素体と同位体の違いの記事で扱っています。硫黄のように温度で安定な形が入れ替わる元素は斜方硫黄と単斜硫黄の違いで詳しく比べています。

カーボンナノチューブとグラフェン：黒鉛の層1枚から生まれた形

グラフェンは、炭素が六角形の網目に並んだ1原子の厚さのシートで、C–C の距離は 0.142 nm です。2004年10月にノボセロフとガイムらが黒鉛から単層を取り出して電気特性を測り、2010年のノーベル物理学賞につながりました。

ノーベル財団の解説によると、グラフェンは可視光を 2.3% しか吸収せずほぼ透明で、熱伝導率は約 5,000 W/(m·K) と銅（401）の10倍以上あります。カーボンナノチューブはこのシートを丸めた筒で、単層のものは1993年から知られています。

同素体に数えないもの：無定形炭素・カーボンブラック・炭素繊維

カーボンブラックや活性炭、コークスは、黒鉛に似た小さな層が向きをそろえずに集まった無定形炭素で、結晶の形が1つに決まらないため同素体の一覧には入れません。炭素繊維も「繊維」という形の名前で、中身は黒鉛に近い微細な結晶です。

図2：炭素の材料は「並び方が決まっているか」で分かれる

同素体は原子の並び方が決まった単体の形の名前で、カーボンブラックや炭素繊維は、黒鉛に近い小さな層が集まった材料の名前です。

炭素だけ（またはほぼ炭素だけ）でできた物質単体・工業材料をまとめて見る

原子の並び方で分ける

同素体結晶・分子の形が1つに決まるダイヤモンド、黒鉛、フラーレン、カーボンナノチューブ、グラフェン

無定形炭素広い範囲で並び方がそろわないカーボンブラック、活性炭、コークス。黒鉛に似た小さな層が不規則に集まる

形で呼ぶ材料繊維などの形と製法で呼ぶ炭素繊維。樹脂などを焼いてつくり、中身は黒鉛に近い微細な結晶

※「無定形」は結晶の並びが広い範囲でそろっていないという意味で、原子が全くばらばらという意味ではありません。

工場で「炭素材料」「カーボン製品」と呼ばれるものの多くは、この無定形炭素や人造黒鉛です。同素体の名前は原子の並び方の分類、製品名は形や製法の分類と分けて考えると、カタログの用語で迷いません。

黒鉛とダイヤモンドの違い：硬さ・電気伝導・構造

黒鉛とダイヤモンドの違いは、ダイヤモンドは最も硬く電気を通さず、黒鉛はやわらかく電気を通す点にあります。どちらも原子どうしが共有結合でつながった結晶ですが、炭素1個が使う結合の手の数が違うため、結晶の形が立体の網目と平らな層に分かれます。

構造の違い：4本の手の正四面体と、3本の手の平らな六角形

ダイヤモンドの炭素は、4本の手を正四面体の頂点の向きに伸ばして隣の炭素4個と共有結合し、それが立体の網目として結晶全体に続きます。黒鉛の炭素は3本の手を同じ平面の上に120°ずつ伸ばし、六角形をつなげた層をつくって、その層を重ねています。

図3：ダイヤモンドと黒鉛の構造の違い

炭素1個が使う結合の手は、ダイヤモンドが4本、黒鉛が3本です。この1本の差が、立体の網目と平らな層という形の違いになります。

※ダイヤモンドの点線は手前に出る結合。距離はダイヤモンドの格子定数 0.3567 nm から計算した値（√3a/4）と、ノーベル財団の解説にある黒鉛・グラフェンの値。

手の向きの違いは、大学で学ぶ混成軌道では sp³（ダイヤモンド）と sp²（黒鉛）と呼ばれ、黒鉛の層の中の結合には二重結合に近い性質が混ざります。単結合と二重結合の中身の違いはσ結合とπ結合の違いで詳しく説明しています。

層と層の間隔は 0.335 nm で、層の中の C–C（0.142 nm）の2倍以上離れており、層どうしは共有結合ではなく弱い分子間力で重なっています。共有結合の結晶と、分子が分子間力で集まった結晶の違いは共有結合の結晶と分子結晶の違いの記事で融点の比較とあわせて読めます。

硬さの違い：網目全体か、層の間の弱い力か

ダイヤモンドのモース硬度は10で、天然の鉱物で最も硬い一方、黒鉛は1〜2と指でこすっても崩れるほどやわらかい材料です。ダイヤモンドはどの方向に力をかけても強い共有結合を切らなければならないのに対し、黒鉛は層の間の弱い力が外れるだけで層がずれてはがれます。

鉛筆で字が書けるのも、紙との摩擦で黒鉛の層がはがれて紙に残るためです。層がすべりやすい性質は、黒鉛を固体の潤滑剤やブレーキの摩擦材に使う理由にもなっています。

電気伝導の違い：余った1個の価電子が層の中を動く

炭素の価電子は4個で、ダイヤモンドは4個すべてを4本の共有結合に使うため、結晶の中に自由に動ける電子が残りません。抵抗率はふつうのダイヤモンドで約 10¹⁶ Ω·cm と、代表的な絶縁体に入ります。

図4：黒鉛だけが電気を通す理由

炭素の価電子は4個です。ダイヤモンドは4個とも結合に使い、黒鉛は3個を結合に使って、残りの1個が層全体に広がって動けます。

※左は結合1本に電子2個（黒い点）が入る様子を平面に描いたもの。実際の結合の向きは図3のとおり立体です。

黒鉛は3個を層の中の3本の結合に使い、残った1個の電子（π電子）が層の上下に広がって、層全体を自由電子のように動けます。金属の自由電子と同じではないので、高校の教科書では「自由電子のようにふるまう」と書かれることが多い電子です。

この電子は層の中しか動けないため、黒鉛は層の方向には電気をよく通し、層をまたぐ向きには通しにくいという向きのある性質を持ちます。電極材料として黒鉛を加工するときは、この向きの差も製品の性能に影響します。

熱の伝え方と安定性：熱はダイヤモンド、常温で安定なのは黒鉛

電気を通さないダイヤモンドですが、熱はよく伝え、熱伝導率は 600〜2,000 W/(m·K) と銅の 401 を上回ります。原子が軽く、強い結合で隙間なくつながっているため、原子の振動（格子振動）がそのまま熱を運ぶからです。

一方で、25℃・1気圧で安定なのは黒鉛のほうで、黒鉛からダイヤモンドに変わる反応は1 molあたり 1.9 kJ の吸熱です。ダイヤモンドは本来不安定な形（準安定）ですが、変化に大きなエネルギーの山を越える必要があるため、常温では黒鉛に戻りません。

ダイヤモンドと黒鉛の違いを100字前後で説明するなら、次の形にまとめると、硬さ・電気伝導とその理由を落とさずに書けます。

炭素の同素体の計算：ダイヤモンド型構造とフラーレン結晶

炭素の同素体で計算によく使われるのは、ダイヤモンド型構造の単位格子と、C₆₀ 分子が面心立方格子に並んだフラーレンの結晶です。どちらも「単位格子に入る粒子の数」を数え、質量を体積で割って密度を出す流れは金属の結晶と変わりません。

ダイヤモンド型構造の計算：原子8個・密度・原子間距離・充填率

ダイヤモンド型構造は、面心立方格子の位置（頂点と面の中心）にある原子に加えて、立方体を8つに分けた小さな立方体のうち4つの中心にも原子が入った形です。単位格子の中の原子は 1＋3＋4 ＝ 8個になります。

図5：ダイヤモンド型の単位格子に入る原子は8個

面心立方格子の位置（頂点と面の中心）に加えて、内部に4個の原子が入ります。内部の1個は、頂点1個と面の中心3個の計4個と結合しています。

※格子定数は Ioffe Institute のデータベースの 300 K の値。ケイ素（Si）やゲルマニウム（Ge）も同じ形の結晶です。

密度は、単位格子8個分の原子の質量を、単位格子の体積 a³ で割って求めます。格子定数 a は 300 K で 0.3567 nm（3.567×10⁻⁸ cm）で、原子量 12.011、アボガドロ定数 6.022×10²³ /mol を使います。

最も近い原子どうしの距離は、内部の原子と頂点の原子を結ぶ線で、立方体の対角線（√3a）のちょうど4分の1です。充填率は、原子を半径がこの距離の半分の球と見て、8個の球の体積が単位格子に占める割合で求めます。

ダイヤモンドはすき間の多い結晶なのに、4本の手が強い共有結合なので硬く、詰まり具合と硬さは別の話だと分かります。金属の結晶の数え方は体心立方格子と六方最密構造の記事で同じ手順で計算しています。

同じダイヤモンド型の結晶をつくる元素には、半導体のケイ素（Si）とゲルマニウム（Ge）があり、Si の単結晶ウェーハも原子の並びはダイヤモンドと同じです。周期表で炭素の下にある元素ほど結合が長く弱くなり、性質が絶縁体から半導体、金属へ移っていきます。

14族の元素のどこに金属と非金属の境目があるかは、金属元素と非金属元素の違いの記事で周期表とあわせて整理しています。スズ（Sn）も低温ではダイヤモンド型の灰色スズになり、金属の白色スズとは別の形です。

フラーレンの面心立方格子の計算：240個・直径・密度

フラーレン C₆₀ は、炭素60個が六角形20枚・五角形12枚の面をもつサッカーボール形に結合した分子で、1985年にカール・クロトー・スモーリーが見つけ、1996年のノーベル化学賞を受けました。分子どうしは分子間力で集まり、室温では面心立方格子の分子結晶になります。

図6：C₆₀ の結晶は分子が面心立方に並ぶ

C₆₀ 分子を1つの玉と見て、面心立方格子と同じように数えます。分子どうしが接するのは面の対角線の上です。

※室温の C₆₀ の結晶は面心立方で、分子はほぼ自由に回転しています。約 249 K 以下では分子の向きがそろい、単純立方に変わります。

例として、単位格子の1辺を 1.41 nm、炭素の原子量12、アボガドロ定数 6.0×10²³ /mol とし、分子どうしが接していると考えて計算します。まず単位格子の分子と炭素原子の数、次に分子の直径（中心間の距離）を求めます。

密度は、240個の炭素の質量を単位格子の体積で割ります。nm を cm に直すと 1 nm ＝ 10⁻⁷ cm で、1.41³ ＝ 2.80 を使います。

この 0.99〜1.0 nm は分子の中心どうしの距離で、炭素原子の中心を結んだ C₆₀ のかごの直径は 0.71 nm です。差の約 0.3 nm は分子の外側の電子雲どうしが触れ合う距離で、黒鉛の層の間隔 0.335 nm とほぼ同じ大きさです。

すき間にほかの原子を入れる計算もよく出ます。C₆₀ の結晶 7.20 g にカリウムの蒸気を通して 8.37 g になったとすると、C₆₀（分子量720）とカリウム（原子量39）の物質量の比から、単位格子のカリウムの数が分かります。

K₃C₆₀ は1991年に約18 K（−255℃）で超伝導を示すことが報告され、ノーベル財団もフラーレンの研究が超伝導や材料の分野へ広がったことを授賞の説明に挙げています。物質量の考え方はアボガドロの法則の記事で気体の例とあわせて確かめられます。

実際の工場では：黒鉛は電極・電池負極・耐火物に

黒鉛が工業で使われる理由は、電気を通す・高温に強い・層がすべるの3つの性質にあります。どれも炭素が3本の手で層をつくる構造から来ており、用途ごとにどの性質を使っているかを見ると、天然黒鉛と人造黒鉛の使い分けも分かります。

人造黒鉛のつくり方：コークスを焼いて約3,000℃で黒鉛化する

電極や電池の負極に使う黒鉛の多くは、天然黒鉛を掘ったものではなく、石油コークスなどからつくる人造黒鉛です。1896年にアチソンが炭化ケイ素をつくる炉の中で黒鉛ができることに気づき、この方法が工業化の始まりになったので、アチソン黒鉛とも呼ばれます。

図7：人造黒鉛（黒鉛電極）ができるまで

コークスを固めて焼いたあと、電気を直接流して約3,000℃まで上げると、炭素の層が整って黒鉛になります。

01コークス粉を用意する石油コークスなどを砕いて粒をそろえる

02ピッチと練り合わせるピッチやタールを結合材にする

03成形する電極なら円柱に押し出す

04約1,000℃で焼成結合材が炭素になり、硬い炭素材になる

05約2,600〜3,000℃で黒鉛化炉で直接電気を流して加熱する

06加工して仕上げる寸法に削り、電極や部品として出荷する

※ブリタニカ国際大百科事典「人造黒鉛」と経済産業省「黒鉛電極産業の現状」（2025年6月）をもとに作図。電池の負極に使う人造黒鉛も、コークスなどを高温で黒鉛化してつくります。

工程は、コークスの粉をピッチやタールと練って成形し、約1,000℃で焼いて硬い炭素材にしたあと、黒鉛化炉で材料に直接電気を流して約2,600〜3,000℃まで加熱します。焼成までの炭素材は無定形炭素に近く、最後の高温で炭素の層が広くそろって黒鉛の結晶になります。

原料のコークスがどんな加工品かはコークスと石炭の違いの記事で比べています。黒鉛化は材料に電気を流して発熱させる工程なので、人造黒鉛は電気を大量に使ってつくる材料でもあり、電力の価格が製造コストに直接響きます。

黒鉛電極：電気炉で鉄スクラップを溶かす陰極

黒鉛電極は円柱形の黒色の部材で、主に鉄スクラップを溶かす電気炉で電流を流す陰極として使われ、ほかの素材での代わりが難しい材料です。経済産業省の2025年6月の資料によると、国内の生産者は4者で、直径約20インチ（約51 cm）以上の太い電極がスクラップの溶解に使われます。

同じ資料は、CO₂ の排出を抑えて鉄を循環させられる電気炉への転換が進むなかで、黒鉛電極の安定供給が必要だと説明しています。高炉から電炉への切り替えの動きは水素還元製鉄と電炉転換の記事にまとめています。

炭素の電極はアルミニウムの製錬にも使われ、融解塩電解では炭素の陽極が酸素と反応して少しずつ減っていきます。高炉でも炭素は熱源と還元剤の両方を担い、コークスの炭素が鉄鉱石から酸素を奪う流れは鉄の製錬（高炉と転炉）で式とあわせて読めます。

リチウムイオン電池の負極：層の間にリチウムが入る

リチウムイオン電池の負極に黒鉛が使われるのは、層と層の間にリチウムイオンを出し入れできるうえ、電気を通し、何度出し入れしても層の形が崩れにくいからです。充電で炭素6個にリチウム1個が入った LiC₆ になるまで入れられ、そこから理論上の容量が計算できます。

負極材は、天然黒鉛を丸く削った球状黒鉛と人造黒鉛の両方が使われます。米国地質調査所（USGS）によると、中国の球状黒鉛の輸出先は2025年1〜9月で韓国40%、インドネシア33%、日本16%、米国11%です。中国は2023年12月から黒鉛の輸出を許可制にしました。

図8：天然黒鉛の鉱山生産（2025年、推定）

世界の生産 約180万 t のうち、中国が140万 t で、USGS は約82%と推計しています。2位のマダガスカル以下は1桁小さく、10万 t に届きません。

単位：万 t

中国

140万 t

マダガスカル

8.0万 t

タンザニア

7.5万 t

ブラジル

6.5万 t

モザンビーク

6.0万 t

ロシア

2.5万 t

インド

1.7万 t

※USGS「Mineral Commodity Summaries 2026: Graphite (Natural)」の2025年推定値。人造黒鉛は含みません。表は上位7か国で、ほかの国（カナダ・北朝鮮・ノルウェーなど）の合計は約3万 t です。

天然黒鉛の鉱山生産は2025年に世界で約180万 t（推定）で、中国だけで140万 t あり、USGS は世界の約82%と推計しています。

USGS は2024年にブラジルとタンザニアで新しい鉱山が生産を始め、2025年にはタンザニアの生産が2倍超の7.5万 t になったと報告しており、調達先を中国以外へ広げる動きが進んでいます。

負極材が変わると電池の工程がどう変わるかは、全固体電池とリチウムイオン電池の違いの記事で比べています。黒鉛の代わりにケイ素を混ぜて容量を増やす負極も開発されていますが、量産の主力はいまも黒鉛です。

るつぼ・耐火物・潤滑：高温とすべりやすさを使う

炭素は常圧では融けずに3,500℃を超えてから昇華するほど熱に強いので、黒鉛は金属を溶かするつぼや製鋼の耐火物にも使われます。USGS は天然黒鉛の主な用途として、電池・ブレーキライニング・潤滑剤・粉末冶金・耐火物・製鋼を挙げます。

転炉や電気炉の内張りにはマグネシア黒鉛れんが、連続鋳造にはアルミナ黒鉛の耐火物が使われます。USGS によると、使い終わった耐火物をブレーキの摩擦材や断熱材に再生する動きも増えています。

ただし黒鉛は炭素なので、高温の空気中では酸素と反応して CO₂ になり、少しずつ減っていきます。熱に強いのは酸素に触れにくい条件のときで、るつぼや耐火物は使う雰囲気と温度を見て材質を選びます。

実際の工場では：ダイヤモンドは工具・砥粒から放熱・半導体へ

工場で使うダイヤモンドの99%超は人工的につくった合成ダイヤモンドで、USGS の推計では2025年の世界の生産は150億カラット（約3,000 t）を超え、中国が最大の生産国です。使い道の大半は最も硬い性質を生かした切断・研削・掘削で、宝石とは別の工業材料として流通しています。

図9：合成ダイヤモンドの2つのつくり方

高温高圧法は地下深くの条件をまねて黒鉛をダイヤモンドに変え、CVD はガスから炭素原子を1層ずつ積み上げます。

観点

高温高圧法（HPHT）

化学気相成長法（CVD）

原料

黒鉛

メタンと水素のガス

条件

高い圧力と温度をかける（最初の合成は約10万気圧・約1,600℃）

減圧した容器の中で、マイクロ波でガスをプラズマにする

できる形

粒（砥粒・粉）が中心

基板の上に育つ膜・板状の単結晶

主な用途

切断のこぎり・研削砥石・掘削工具

放熱板・半導体の研究開発

特徴

1954年に GE が合成し、1955年に発表

ホウ素の原料ガスを加えると半導体の層を育てられる

※ASME「Made Diamonds Using Heat and Pressure」、産業技術総合研究所 Synthesiology 6(3)（2013年）をもとに作成。

最初の合成は1954年12月16日に米国 GE の研究者ホールが成功させ、約10万気圧・約1,600℃の条件で炭素からダイヤモンドをつくりました。高い圧力が要るのは、黒鉛からダイヤモンドに変わるときに体積が大きく縮むためです。

CVD（化学気相成長）法は、減圧した容器でメタンと水素をプラズマにし、基板の上にダイヤモンドを1層ずつ育てる方法です。産業技術総合研究所は 2.45 GHz のマイクロ波 CVD に、ホウ素の原料ガスを加えて半導体のダイヤモンド層を育てています。

図10：工業用ダイヤモンドはどの性質で選ばれるか

工業用の99%超は合成品で、硬さを使う用途が量の大半です。熱を伝える力と電気を通さない性質は、放熱と半導体で使われ始めています。

切る（硬さ）コンクリート・石材を切るのこぎりの刃

掘る（硬さ）鉱物・石油・天然ガスの掘削ビット

削る・磨く（硬さ）セラミックス・ガラス・半導体ウェーハの研削

熱を逃がす（熱伝導）発熱の大きい素子の放熱板、パワー半導体の研究

※USGS「Mineral Commodity Summaries 2026: Diamond (Industrial)」の主な消費分野と、産業技術総合研究所の資料をもとに作成。鉄鋼を削る工具には、炭素が鉄と反応しにくい立方晶窒化ホウ素（cBN）を使い分けます。

合成ダイヤモンドの粒は、金属で固めてコンクリートや石材を切るのこぎりの刃にしたり、砥石にしてセラミックスやガラスを削ったりするのに使われます。焼結後のセラミックスを寸法に仕上げる工程はセラミックスの製造工程、研削盤などの機械は工作機械の種類と違いの記事にあります。

ただし鉄鋼を高速で削ると刃先が高温になり、ダイヤモンドの炭素が鉄と反応して刃先がすり減るため、鋼の切削には立方晶窒化ホウ素（cBN）の工具を使い分けます。硬さだけでなく、削る相手と炭素が反応しないかを見て工具を選ぶのが実務の考え方です。

放熱と半導体：熱を伝え、電気を通さない性質を使う

ダイヤモンドは熱伝導率がケイ素より1桁高く、放熱板（ヒートスプレッダ）に使う窒化アルミニウム・銅・アルミニウムを大きく上回ります。熱をよく逃がすのに電気は通さないので、発熱の大きい素子の下に敷く放熱材になります。

絶縁しながら熱を逃がす材料は、半導体の高出力化で需要が伸びています。同じ役割の材料の動きは窒化アルミニウムの増産、熱の伝わり方の計算は熱伝導率と熱伝達率の違いの記事で確かめられます。

ダイヤモンドは、高い電圧をかけても壊れにくい度合い（絶縁破壊電界）もほかの半導体材料より1桁高く、ホウ素を加えると半導体になります。そのため SiC を上回る低損失のパワー半導体材料として研究され、産総研は250℃で30万時間以上動くと見積もったダイオードを試作しました。

いま実用の主力になっている SiC・GaN の特性と用途は、パワー半導体 SiC と GaN の違いの記事で比べています。ダイヤモンドは大きなウェーハをつくる技術がまだ課題で、産総研の資料も大口径化と欠陥の低減を開発の段階として挙げています。

実際の工場では：フラーレン・カーボンナノチューブ・カーボンブラック・炭素繊維

黒鉛とダイヤモンド以外の炭素材料は、量産品のカーボンブラック・炭素繊維と、生産量の小さいフラーレン・ナノチューブ・グラフェンに分けて見ると実態に近くなります。前者は同素体ではない材料、後者は同素体ですが、工業ではまだ添加剤や開発用途が中心です。

図11：黒鉛の仲間の材料と使い道

量が圧倒的に多いのはカーボンブラックと炭素繊維で、フラーレンやグラフェンは性質が注目される段階の材料です。

フラーレン国内の製造は2社・1 t 未満（2021年度）。化粧品・潤滑剤・スポーツ用品などの使用例、電子を受け取る性質の研究同素体

カーボンナノチューブ電気を通し、強く、化学的に安定。樹脂や電極材料に混ぜる複合材料の開発同素体

グラフェン2004年に単層を取り出し。導電・熱伝導・強さの高さから研究開発が続く同素体

カーボンブラック国内生産 51.3万 t（2024年）。約90%がタイヤなどゴムの補強無定形炭素

炭素繊維樹脂やピッチの繊維を1,000〜3,000℃で焼く。CFRP の強化材材料の形

球状黒鉛・人造黒鉛リチウムイオン電池の負極材。中国から日本への輸出も多い黒鉛

※数字は経済産業省 ナノマテリアル情報提供シート（フラーレン、令和4年6月時点）、環境省の温室効果ガス算定資料（化学工業統計年報の値）、炭素繊維協会、USGS による。

フラーレン：ラジカルと電子を受け取る分子

フラーレンは、1990年に黒鉛の棒どうしをヘリウム中でアーク放電させ、すすを有機溶媒で抽出する方法が見つかって、まとまった量を取り出せるようになりました。いまはアーク法と燃焼法が一般的です。

経済産業省の2022年6月の資料では、国内の製造事業者は2社、2021年度の製造量は1 t 未満でした。天然だけで年180万 t の黒鉛と比べると、桁違いに小さな市場です。

同じ資料は、フラーレンの特性としてラジカルを捕まえる性質、電子を受け取る性質、昇華しやすさを挙げています。2011年の総説は、化粧品・潤滑剤・スポーツ用品などの消費財にも使われていると紹介しています。製造量が小さいので、使う量も少量です。

電子を受け取る性質は、有機薄膜太陽電池で電子を受け取る側の材料（PCBM などのフラーレン誘導体）として研究に広く使われてきました。塗って膜をつくれる太陽電池の材料開発は、いまはペロブスカイト型にも広がっており、量産の計画はペロブスカイト太陽電池の量産計画の記事で追っています。

カーボンナノチューブとグラフェン：導電と強さを複合材料に

カーボンナノチューブは電気を通し、機械的に強く、化学的にも安定なため、樹脂や電極材料に少量混ぜて電気の通り道をつくる複合材料の開発が進んでいます。グラフェンも導電性と熱伝導、強さの高さから研究されていますが、量産品として広く使われる段階にはまだ届いていません。

カーボンブラック：タイヤを強くする無定形炭素

カーボンブラックは、石油精製などで出る重い油やガスを高温で不完全燃焼させてつくる炭素の微粒子で、世界の生産の約95%がこのファーネスブラック法です。世界の生産量の約90%がタイヤなどゴム製品の補強に使われ、塗料・インキの黒色顔料や電池にも使われます。

国内の生産量は経済産業省の化学工業統計年報で2024年に51.3万 t で、2021年の58.2万 t から3年続けて減りました。環境省の算定資料は、需要が主力の自動車タイヤの動きに左右されると説明しています。

炭素繊維：同素体ではなく、黒鉛に近い結晶でできた繊維

炭素繊維は、ほとんど炭素だけでできた繊維で、ポリアクリロニトリル（PAN）の繊維を高温で焼いてつくる PAN 系が生産・使用量とも最大です。原料にはほかにピッチ系やレーヨン系があり、熱処理の条件で品質の違う製品をつくり分けます。

炭素繊維協会によると、PAN 系は空気中 200〜300℃の耐炎化のあと、不活性ガス中 1,000〜1,500℃で炭素化します。さらに 2,000〜3,000℃で黒鉛化する工程もあり、どちらも糸を引っ張りながら熱処理します。

中身は黒鉛に近い微細な結晶なので、炭素繊維という名前は同素体ではなく材料の形と製法を表す名前です。樹脂で固めた CFRP の成形方法はCFRP の成形方法の種類の記事で比べています。

炭素の同素体のよくある質問

炭素の同素体はいくつありますか？

決まった数はなく、何を1つの形と数えるかで変わります。ノーベル財団は、フラーレンが見つかる前に知られていた炭素の結晶形を、黒鉛2種・ダイヤモンド2種と1960〜70年代に報告された2種の計6つと説明しています。そこにフラーレンやナノチューブ、グラフェンが加わりました。

ダイヤモンドは時間がたつと黒鉛に戻りますか？

25℃・1気圧では黒鉛のほうが安定ですが、変化に越える必要があるエネルギーの山が大きいため、常温では事実上黒鉛に戻りません。高温では表面から黒鉛化が進むので、ダイヤモンドの電子部品の寿命の見積もりでは、この表面のグラファイト化を劣化の原因として扱います。

グラファイトとグラフェンは何が違いますか？

グラファイトは黒鉛の英語名で、六角形の層が何層も重なった物質です。グラフェンはその層を1枚だけ取り出したもので、厚さは原子1個分しかありません。

フラーレンは水に溶けますか？

C₆₀ は炭素だけの分子で極性がないため、水にはほとんど溶けず、有機溶媒には溶けます。この性質を使って、アーク放電でできたすすから有機溶媒でフラーレンを抽出し、C₆₀ と C₇₀ を分けて取り出します。

まとめ：炭素の同素体は手の数と並べ方で性質が決まる

炭素の同素体は、同じ元素でも結合の手の数と並べ方で、工具・電極・電池の材料という別々の役割を持つ例です。電池材料の話は鉛蓄電池や燃料電池、黒鉛の層の中の結合を電子の偏りから見直すなら電気陰性度の記事が次の入口になります。

出典

出典・参考資料（25件）を開く出典・参考資料を閉じる

• NobelPrize.org「Press release: The Nobel Prize in Chemistry 1996」（1996年10月9日）
• The Royal Swedish Academy of Sciences「Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2010: Graphene」（2010年）
• Ioffe Institute NSM Archive「Diamond (C)」（基本定数・バンド構造・熱物性）
• Mineralogical Society of America「Mohs Scale of Hardness」
• PubChem「Carbon」
• LibreTexts Chemistry「T2: Extended Thermodynamic Properties of Substances」
• arXiv:1303.6581「Novel carbon materials: new tunneling systems」（C60 結晶の格子定数）
• Heiney et al.「Orientational ordering transition in solid C60」Phys. Rev. Lett. 66, 2911（1991）
• Hebard et al.「Superconductivity at 18 K in potassium-doped C60」Nature 350, 600（1991）
• 経済産業省 ナノマテリアル情報提供シート「フラーレン（混合フラーレン、C60、C70）」（令和4年6月時点）
• 江馬眞ほか「フラーレン及びその誘導体の遺伝毒性評価」環境毒性学会誌 14(1)（2011年）
• ENEOS Technical Review 54(3)（有機薄膜太陽電池のドナー・アクセプター材料）
• U.S. Geological Survey「Mineral Commodity Summaries 2026: Graphite (Natural)」（2026年2月）
• U.S. Geological Survey「Mineral Commodity Summaries 2025: Graphite (Natural)」（2025年1月、中国の輸出許可制の記述）
• U.S. Geological Survey「Mineral Commodity Summaries 2026: Diamond (Industrial)」（2026年2月）
• 経済産業省「黒鉛電極産業の現状」（関税・外国為替等審議会 関税分科会特殊関税部会 資料2-1、2025年6月20日）
• コトバンク「人造黒鉛」（ブリタニカ国際大百科事典 小項目事典、改訂新版 世界大百科事典）
• 九州大学 先導物質化学研究所 講義資料「Li-ion電池負極（I）」（2015年）
• ASME「Made Diamonds Using Heat and Pressure」（ASME ランドマーク）
• 鹿田真一・梅沢仁「ダイヤモンドパワーデバイスの開発」Synthesiology 6(3)（産業技術総合研究所、2013年）
• 理化学研究所「超微粒子バインダレスcBN切削工具を開発、鉄鋼材料の鏡面仕上げを実現」（2009年10月6日）
• 環境省「2.B.8.f 石油化学及びカーボンブラック製造（カーボンブラック製造）」（温室効果ガス排出量算定方法、化学工業統計年報の値）
• 日本冷凍空調学会「最近気になる用語 カーボンナノチューブ」
• 炭素繊維協会「炭素繊維はこうしてつくられる」
• 炭素繊維協会「炭素繊維とは」