Χαρακτηριστικά ατόμων άνθρακα, δομή, υβριδισμός, ταξινόμηση

Το άτομο άνθρακα Είναι ίσως το πιο σημαντικό και εμβληματικό από όλα τα στοιχεία, γιατί χάρη σε αυτό είναι δυνατή η ύπαρξη της ζωής. Ενσωματώνει μόνο του μερικά ηλεκτρόνια ή έναν πυρήνα με πρωτόνια και νετρόνια, αλλά και σκόνη αστέρι, η οποία τελικά ενσωματώνεται και σχηματίζει ζωντανά όντα.

Επίσης, τα άτομα άνθρακα είναι στο φλοιό της γης αν και δεν είναι συγκρίσιμα αφθονία μεταλλικά στοιχεία όπως ο σίδηρος, ανθρακικά, διοξείδιο του άνθρακα, το πετρέλαιο, τα διαμάντια, υδατάνθρακες, κλπ, είναι ένα μέρος του τις φυσικές και χημικές του εκφάνσεις.

Αλλά πώς είναι το άτομο άνθρακα; Ένα πρώτο ανακριβές σκίτσο είναι αυτό που παρατηρείται στην παραπάνω εικόνα, τα χαρακτηριστικά του οποίου περιγράφονται στην επόμενη ενότητα.

Τα άτομα άνθρακα ταξιδεύουν μέσω της ατμόσφαιρας, των θαλασσών, του υπεδάφους, των φυτών και κάθε είδους ζώων. Η μεγάλη χημική της ποικιλομορφία οφείλεται στην υψηλή σταθερότητα των συνδέσεών της και στον τρόπο με τον οποίο διατίθενται στο διάστημα. Έτσι, έχει από τη μία πλευρά τον ομαλό και λιπαντικό γραφίτη. και από την άλλη, το διαμάντι, του οποίου η σκληρότητα ξεπερνά εκείνη πολλών υλικών.

Εάν το άτομο άνθρακα δεν έχει τις ιδιότητες που το χαρακτηρίζουν, η οργανική χημεία δεν θα υπήρχε εντελώς. Μερικά οραματιστές τον δει με τα νέα υλικά του μέλλοντος, μέσα από το σχεδιασμό και την ενεργοποίηση των αλλοτροπικός δομών του (νανοσωλήνες άνθρακα, graphene, φουλερένια, κλπ).

Ευρετήριο

• 1 Χαρακτηριστικά του ατόμου άνθρακα
• 2 Δομή
• 3 Υβριδισμός
  • 3.1 sp3
  • 3.2 sp2 και sp
• 4 Ταξινόμηση
  • 4.1 Πρωτοβάθμια
  • 4.2 Δευτεροβάθμια
  • 4.3 Τριτοβάθμια
  • 4.4 Τεταρτογενής
• 5 Χρήσεις
  • 5.1 Μονάδα ατομικής μάζας
  • 5.2 Κύκλος και διάρκεια του άνθρακα
  • 5.3 Φασματοσκοπία 13C NMR
• 6 Αναφορές

Χαρακτηριστικά του ατόμου άνθρακα

Το άτομο άνθρακα συμβολίζεται με το γράμμα C. Η ατομικός αριθμός Ζ είναι 6, ως εκ τούτου, έχει έξι πρωτόνια (κόκκινοι κύκλοι με το σύμβολο «+» στον πυρήνα). Επιπλέον, έχει έξι νετρόνια (κίτρινους κύκλους με το γράμμα "N") και τέλος έξι ηλεκτρόνια (τα μπλε αστέρια).

Το άθροισμα των μαζών των ατομικών τους σωματιδίων δίνει μια μέση τιμή 12,0107 υ. Ωστόσο, το άτομο στην εικόνα αντιστοιχεί στο ισοτόπο 12-άνθρακα (¹²C), που αποτελείται από d. Άλλα ισότοπα, όπως ¹³C και ¹⁴C, λιγότερο άφθονο, ποικίλλει μόνο στον αριθμό των νετρονίων.

Έτσι, εάν σχεδιάσετε αυτά τα ισότοπα ¹³C θα έχει έναν πρόσθετο κίτρινο κύκλο, και το ¹⁴C, δύο ακόμα. Αυτό σημαίνει λογικά ότι είναι βαρύτερα άτομα άνθρακα.

Πέρα από αυτό, ποια άλλα χαρακτηριστικά μπορούν να αναφερθούν εν προκειμένω; Είναι τετρασθενής, δηλαδή, μπορεί να σχηματίσει τέσσερις ομοιοπολικούς δεσμούς. Βρίσκεται στην ομάδα 14 (ΦΠΑ) του περιοδικού πίνακα, πιο συγκεκριμένα στο μπλοκ p.

Είναι επίσης ένα πολύ ευπροσάρμοστο άτομο, ικανό να συνδέεται με σχεδόν όλα τα στοιχεία του περιοδικού πίνακα. ειδικά με τον εαυτό του, σχηματίζοντας μακρομόρια και γραμμικά, διακλαδισμένα και ελασματοποιημένα πολυμερή.

Δομή

Ποια είναι η δομή ενός ατόμου άνθρακα; Για να απαντήσετε σε αυτήν την ερώτηση, πρώτα πρέπει να πάτε στην ηλεκτρονική σας διαμόρφωση: 1s²2s²2ρ² ή [He] 2s²2ρ².

Επομένως, υπάρχουν τρία τροχιά: τα 1s², τα 2δ² και το 2ρ², καθένα με δύο ηλεκτρόνια. Αυτό μπορεί να φανεί και στην παραπάνω εικόνα: τρία δαχτυλίδια με δύο ηλεκτρόνια (μπλε αστέρια) το καθένα (μην συγχέετε τους δακτυλίους με τροχιές: είναι τροχιακοί).

Σημειώστε, ωστόσο, ότι δύο από τα αστέρια έχουν μια πιο σκούρα σκιά του μπλε από τα άλλα τέσσερα. Γιατί; Επειδή οι πρώτες δύο αντιστοιχούν στο εσωτερικό στρώμα 1s² ή [Αυτός], ο οποίος δεν συμμετέχει άμεσα στον σχηματισμό χημικών δεσμών. ενώ τα ηλεκτρόνια στο εξωτερικό στρώμα, 2s και 2p, κάνουν.

Τα s και p τροχιακά δεν έχουν το ίδιο σχήμα, έτσι το εικονογραφημένο άτομο δεν είναι σύμφωνο με την πραγματικότητα. εκτός από τη μεγάλη δυσαναλογία της απόστασης μεταξύ των ηλεκτρονίων και του πυρήνα, η οποία πρέπει να είναι εκατοντάδες φορές μεγαλύτερη.

Επομένως, η δομή του ατόμου άνθρακα αποτελείται από τρία τροχιακά, όπου τα ηλεκτρόνια "λιώνονται" σε διάχυτα ηλεκτρονικά σύννεφα. Και ανάμεσα στον πυρήνα και αυτά τα ηλεκτρόνια υπάρχει μια απόσταση που μας επιτρέπει να βλέπουμε το τεράστιο "κενό" μέσα στο άτομο.

Υβριδισμός

Αναφέρθηκε προηγουμένως ότι το άτομο άνθρακα είναι τετρασθενές. Σύμφωνα με την ηλεκτρονική διαμόρφωσή του, τα ηλεκτρόνια του 2s είναι ζευγαρωμένα και τα ηλεκτρόνια 2p είναι μη συζευγμένα:

Παραμένει ένας διαθέσιμος φορέας, ο οποίος είναι άδειος και γεμάτος με ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο στο άτομο του αζώτου (2ρ³).

Σύμφωνα με τον ορισμό του ομοιοπολικού δεσμού, είναι απαραίτητο κάθε άτομο να συνεισφέρει ένα ηλεκτρόνιο για το σχηματισμό του. Ωστόσο, μπορεί να παρατηρηθεί ότι στο βασική κατάσταση του ατόμου άνθρακα, έχει μόλις δύο μη ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια (ένα σε κάθε τροχό 2p). Αυτό σημαίνει ότι σε αυτή την κατάσταση είναι ένα δισθενές άτομο και επομένως σχηματίζει μόνο δύο δεσμούς (-C-).

Έτσι, πώς είναι δυνατόν το άτομο άνθρακα να σχηματίζει τέσσερις δεσμούς; Για να γίνει αυτό, πρέπει να προωθήσετε ένα ηλεκτρόνιο από το τροχιακό 2s στην τροχιά 2p υψηλότερης ενέργειας. Αυτό έγινε, τα τέσσερα προκύπτοντα τροχιακά είναι εκφυλιστεί? με άλλα λόγια, έχουν την ίδια ενέργεια ή σταθερότητα (σημειώστε ότι είναι ευθυγραμμισμένα).

Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως υβριδισμός, και χάρη σε αυτήν, τώρα το άτομο άνθρακα έχει τέσσερα τροχιακά sp³ με ένα ηλεκτρόνιο να σχηματίζουν τέσσερις συνδέσμους. Αυτό οφείλεται στο χαρακτηριστικό του ότι είναι τετρασθενές.

sp³

Όταν το άτομο άνθρακα έχει υβ υβριδισμό³, Προσανατολίστε τα τέσσερα υβριδικά του τροχιακά στις κορυφές ενός τετραεδριού, που είναι η ηλεκτρονική του γεωμετρία.

Έτσι, μπορείτε να αναγνωρίσετε έναν άνθρακα sp³ επειδή σχηματίζει μόνο τέσσερις απλούς δεσμούς, όπως στο μόριο μεθανίου (CH₄). Και γύρω από αυτό μπορεί κανείς να παρατηρήσει ένα τετραεδρικό περιβάλλον.

Η επικάλυψη των sp orbital³ είναι τόσο αποτελεσματική και σταθερή ώστε ο απλός δεσμός C-C έχει μια ενθαλπία 345,6 kJ / mol. Αυτό εξηγεί γιατί υπάρχουν ατελείωτες ανθρακούχες δομές και ένας ανυπολόγιστος αριθμός οργανικών ενώσεων. Εκτός από αυτό, τα άτομα άνθρακα μπορούν να σχηματίσουν άλλους τύπους δεσμών.

sp² και sp

Το άτομο άνθρακα είναι επίσης ικανό να υιοθετήσει άλλους υβριδισμούς, οι οποίοι θα του επιτρέψουν να σχηματίσει έναν διπλό ή ακόμα και τριπλό δεσμό.

Στην υβ υβριδοποίηση², Όπως φαίνεται στην εικόνα, υπάρχουν τρία sp orbals² εκφυλισμένο και ένα τροχιακό 2p παραμένει αμετάβλητο ή "καθαρό". Με τα τρία sp orbitals² χωρισμένο 120º, ο άνθρακας σχηματίζει τρεις ομοιοπολικούς δεσμούς, σχεδιάζοντας μια τριγωνική επίπεδη ηλεκτρονική γεωμετρία. ενώ με το 2ρ τροχιακό, κάθετο προς τα άλλα τρία, σχηματίζει έναν δεσμό π: -C = C-.

Για την περίπτωση της υβριδοποίησης sp, υπάρχουν δύο sp orbital διαχωρισμένα 180º, έτσι ώστε να σχεδιάσουν μια γραμμική ηλεκτρονική γεωμετρία. Αυτή τη φορά, έχουν δύο καθαρά 2ρ τροχιακά κάθετες μεταξύ τους, οι οποίες επιτρέπουν τις τριπλούς δεσμούς μορφή άνθρακα ή δύο διπλούς δεσμούς: ή -C = C- ·· C = C = C ·· (η κεντρική άνθρακα που έχουν sp υβριδοποιήθηκε ).

Σημειώστε ότι πάντα (συνήθως) αν προσθέσετε τους συνδέσμους γύρω από τον άνθρακα θα διαπιστώσετε ότι ο αριθμός είναι ίσος με τέσσερα. Αυτές οι πληροφορίες είναι απαραίτητες όταν σχεδιάζονται δομές Lewis ή μοριακές δομές. Ένα άτομο άνθρακα που σχηματίζει πέντε δεσμούς (= C = C) είναι θεωρητικά και πειραματικά απαράδεκτο.

Ταξινόμηση

Πώς ταξινομούνται τα άτομα άνθρακα; Περισσότερο από μια ταξινόμηση με εσωτερικά χαρακτηριστικά, εξαρτάται στην πραγματικότητα από το μοριακό περιβάλλον. Δηλαδή, ότι μέσα σε ένα μόριο τα άτομα άνθρακα μπορούν να ταξινομηθούν σύμφωνα με τα ακόλουθα.

Πρωτοβάθμια

Ένας πρωτεύων άνθρακας είναι αυτός που συνδέεται μόνο με έναν άλλο άνθρακα. Για παράδειγμα, το μόριο αιθανίου, CH₃-CH₃ αποτελείται από δύο δεσμευμένους πρωτογενείς άνθρακες. Αυτό σηματοδοτεί το τέλος ή την αρχή μιας αλυσίδας άνθρακα.

Δευτεροβάθμια

Είναι ένα που συνδέεται με δύο άνθρακες. Έτσι, για το μόριο προπανίου, CH₃-CH₂-CH₃, το άτομο άνθρακα του μέσου είναι δευτερογενές (η ομάδα μεθυλενίου, -CH₂-).

Τριτογενής

Οι τριτογενείς άνθρακες διαφέρουν από τους υπόλοιπους, επειδή από αυτούς αναδύονται κλαδιά της κύριας αλυσίδας. Για παράδειγμα, 2-μεθυλοβουτάνιο (επίσης ονομαζόμενο ισοπεντάνιο), CH₃-CH(CH₃) -CH₂-CH₃ Έχει τριτογενή άνθρακα που επισημαίνεται με έντονους χαρακτήρες.

Τεταρτογενής

Και τέλος, οι τεταρτογενείς άνθρακες, όπως υποδηλώνει το όνομα, συνδέονται με άλλα τέσσερα άτομα άνθρακα. Το μόριο του νεοπεντανίου, Γ(CH₃)₄ έχει τεταρτοταγές άτομο άνθρακα.

Χρησιμοποιεί

Μονάδα ατομικής μάζας

Η μέση ατομική μάζα του ¹²C χρησιμοποιείται ως πρότυπο μέτρο για τον υπολογισμό των μαζών των άλλων στοιχείων. Έτσι, το υδρογόνο ζυγίζει ένα δωδέκατο από αυτό το ισότοπο άνθρακα, το οποίο χρησιμοποιείται για να καθορίσει αυτό που είναι γνωστό ως μονάδα ατομικής μάζας u.

Έτσι, οι άλλες ατομικές μάζες μπορούν να συγκριθούν με εκείνες του ¹²C και το ¹Η. Για παράδειγμα, το μαγνήσιο (²⁴Mg) ζυγίζει περίπου δύο φορές περισσότερο από ένα άτομο άνθρακα και 24 φορές περισσότερο από ένα άτομο υδρογόνου.

Κύκλος και ζωή του άνθρακα

Τα φυτά απορροφούν CO₂ στη διαδικασία της φωτοσύνθεσης για την απελευθέρωση του οξυγόνου στην ατμόσφαιρα και για την λειτουργία των πνευμόνων των φυτών. Όταν πεθαίνουν, γίνονται κάρβουνα, τα οποία μετά την καύση, απελευθερώνουν CO₂. Ένα μέρος επιστρέφει στα φυτά, αλλά ένα άλλο καταλήγει στις θαλάσσιες κλίνες, τρέφοντας πολλούς μικροοργανισμούς.

Όταν οι μικροοργανισμοί πεθαίνουν, το υπόλοιπο στερεό στα ιζήματα βιολογικής αποσύνθεσης, και μετά από εκατομμύρια χρόνια, μετατρέπεται σε αυτό που είναι γνωστό ως πετρέλαιο.

Όταν η ανθρωπότητα χρησιμοποιεί αυτό το πετρέλαιο ως εναλλακτική πηγή ενέργειας για την καύση του άνθρακα, συμβάλλει στην απελευθέρωση περισσότερων CO₂ (και άλλα ανεπιθύμητα αέρια).

Από την άλλη πλευρά, η ζωή χρησιμοποιεί τα άτομα άνθρακα από τα βαθύτερα θεμέλια. Αυτό οφείλεται στη σταθερότητα των δεσμών του, που του επιτρέπει να σχηματίζει αλυσίδες και μοριακές δομές που συνθέτουν μακρομόρια τόσο σημαντικά όσο το DNA.

NMR φασματοσκοπία ¹³Γ

Το ¹³C, αν και είναι σε πολύ μικρότερο ποσοστό από αυτό του ¹²C, η αφθονία του είναι επαρκής για να διασαφηνίσει τις μοριακές δομές μέσω της φασματοσκοπίας πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού άνθρακα-13.

Χάρη σε αυτήν την τεχνική ανάλυσης, μπορεί να καθοριστεί ποια άτομα περιβάλλουν το ¹³C και σε ποιες λειτουργικές ομάδες ανήκουν. Έτσι, ο σκελετός άνθρακα οποιασδήποτε οργανικής ένωσης μπορεί να προσδιοριστεί.

Αναφορές

1. Graham Solomons T.W., Craig Β. Fryhle. Οργανική Χημεία. Αμίνες (10η έκδοση.) Wiley Plus.
2. Blake D. (4 Μαΐου 2018). Τέσσερα χαρακτηριστικά του άνθρακα. Ανακτήθηκε από: sciencing.com
3. Βασιλική Εταιρεία Χημείας. (2018). Άνθρακα. Λαμβάνεται από: rsc.org
4. Κατανόηση της εξέλιξης. (s.f.). Ταξίδι ενός ατόμου άνθρακα. Ανακτήθηκε από: evolution.berkeley.edu
5. Encyclopædia Britannica. (14 Μαρτίου 2018). Άνθρακα. Ανακτήθηκε από: britannica.com
6. Pappas S. (29 Σεπτεμβρίου 2017). Γεγονότα για τον άνθρακα. Ανακτήθηκε από: lifecience.com