Charakterystyka atomu węgla, struktura, hybrydyzacja, klasyfikacja



The atom węgla Jest to chyba najważniejszy i najbardziej symboliczny element wszystkich elementów, ponieważ dzięki niemu istnieje możliwość istnienia życia. Zamyka w sobie nie tylko kilka elektronów, czy jądro z protonami i neutronami, ale także pył gwiezdny, który zostaje wcielony i tworzy żywe istoty.

Ponadto w skorupie ziemskiej znajdują się atomy węgla, choć nie w obfitości porównywalnej z pierwiastkami metalicznymi, takimi jak żelazo, węglany, dwutlenek węgla, olej, diamenty, węglowodany itp. Są częścią jego fizyczne i chemiczne przejawy.

Ale w jaki sposób atom węgla? Pierwszy niedokładny szkic jest tym, który jest obserwowany na powyższym obrazku, którego cechy są opisane w następnym rozdziale.

Atomy węgla przemieszczają się przez atmosferę, morza, podglebie, rośliny i wszelkie gatunki zwierząt. Jego wielka różnorodność chemiczna wynika z wysokiej stabilności połączeń i sposobu ich uporządkowania w przestrzeni. Ma z jednej strony gładki i smarujący grafit; az drugiej diament, którego twardość przewyższa twardość wielu materiałów.

Gdyby atom węgla nie miał cech, które go charakteryzują, chemia organiczna nie istniałaby całkowicie. Niektórzy wizjonerzy widzą w nim nowe materiały przyszłości, poprzez projektowanie i funkcjonalizację jego struktur alotropowych (nanorurki węglowe, grafen, fulereny itp.).

Indeks

  • 1 Charakterystyka atomu węgla
  • 2 Struktura
  • 3 Hybrydyzacja
    • 3.1 sp3
    • 3.2 sp2 i sp
  • 4 Klasyfikacja
    • 4.1 Podstawowa
    • 4.2 Drugorzędny
    • 4.3 Szkolnictwo wyższe
    • 4.4 Czwartorzęd
  • 5 zastosowań
    • 5.1 Jednostka masy atomowej
    • 5.2 Cykl węglowy i życie
    • 5.3 Spektroskopia 13C NMR
  • 6 referencji

Charakterystyka atomu węgla

Atom węgla symbolizuje litera C. Jego liczba atomowa Z wynosi 6, dlatego ma sześć protonów (czerwone kółka z symbolem „+” w jądrze). Ponadto ma sześć neutronów (żółte kółka z literą „N”) i wreszcie sześć elektronów (niebieskie gwiazdy).

Suma mas ich atomowych cząstek daje średnią wartość 12,0107 u. Jednakże atom na obrazie odpowiada izotopowi 12-węgla (12C), który składa się z d. Inne izotopy, takie jak 13C i 14C, mniej obfite, zmienia się tylko w liczbie neutronów.

Jeśli więc narysujesz te izotopy 13C miałoby dodatkowe żółte kółko i 14C, jeszcze dwa. To logicznie oznacza, że ​​są cięższymi atomami węgla.

Oprócz tego, jakie inne cechy można w tym względzie wspomnieć? Jest czterowartościowy, to znaczy może tworzyć cztery wiązania kowalencyjne. Znajduje się w grupie 14 (VAT) układu okresowego, a dokładniej w bloku p.

Jest to również bardzo wszechstronny atom, który może łączyć się z prawie wszystkimi elementami układu okresowego; zwłaszcza z samym sobą, tworząc makrocząsteczki i polimery liniowe, rozgałęzione i lamelarne.

Struktura

Jaka jest struktura atomu węgla? Aby odpowiedzieć na to pytanie, najpierw musisz przejść do konfiguracji elektronicznej: 1s22s22p2 lub [He] 2s22p2.

Dlatego są trzy orbitale: 1s2, 2s2 i 2p2, każdy z dwoma elektronami. Można to również zobaczyć na powyższym obrazku: trzy pierścienie z dwoma elektronami (niebieskie gwiazdy) każdy (nie mylić pierścieni przez orbity: są orbitalne).

Należy jednak pamiętać, że dwie gwiazdy mają ciemniejszy odcień niebieskiego niż pozostałe cztery. Dlaczego? Ponieważ pierwsze dwa odpowiadają wewnętrznej warstwie 1s2 lub [He], który nie uczestniczy bezpośrednio w tworzeniu wiązań chemicznych; podczas gdy elektrony warstwy zewnętrznej, 2s i 2p, działają.

Orbitale s i p nie mają tego samego kształtu, więc ilustrowany atom nie jest zgodny z rzeczywistością; oprócz wielkiej dysproporcji odległości między elektronami a jądrem, która powinna być setki razy większa.

Dlatego struktura atomu węgla składa się z trzech orbitali, w których elektrony „topią się” w rozproszone chmury elektroniczne. A między jądrem a tymi elektronami jest odległość, która pozwala nam dostrzec ogromną „pustkę” wewnątrz atomu.

Hybrydyzacja

Wspomniano wcześniej, że atom węgla jest czterowartościowy. Zgodnie z jego konfiguracją elektronową, jego elektrony 2s są sparowane, a elektrony 2p są niesparowane:

Pozostaje dostępny orbital p, który jest pusty i wypełniony dodatkowym elektronem w atomie azotu (2p3).

Zgodnie z definicją wiązania kowalencyjnego konieczne jest, aby każdy atom wnosił elektron do jego utworzenia; Można jednak zauważyć, że w stan podstawowy atomu węgla ma zaledwie dwa niesparowane elektrony (jeden w każdym orbicie 2p). Oznacza to, że w tym stanie jest to atom dwuwartościowy, a zatem tworzy on tylko dwa wiązania (-C-).

Jak więc możliwe, że atom węgla tworzy cztery wiązania? Aby to zrobić, musisz promować elektron od orbity 2s do orbity wyższej energii 2p. W ten sposób cztery wynikowe orbitale są zdegenerowany; innymi słowy, mają taką samą energię lub stabilność (zauważ, że są wyrównane).

Proces ten znany jest jako hybrydyzacja, a dzięki temu teraz atom węgla ma cztery orbitalne sp3 każdy z jednym elektronem tworzy cztery ogniwa. Wynika to z jego cechy bycia czterowartościowym.

sp3

Gdy atom węgla ma hybrydyzację sp3, Skieruj cztery hybrydowe orbitale na wierzchołki czworościanu, który jest jego elektroniczną geometrią.

Możesz więc zidentyfikować węgiel sp3 ponieważ tworzy tylko cztery proste wiązania, jak w cząsteczce metanu (CH4). A wokół tego można zaobserwować środowisko czworościenne.

Nakładanie się orbitali sp3 jest tak skuteczny i stabilny, że proste wiązanie C-C ma entalpię 345,6 kJ / mol. To wyjaśnia, dlaczego istnieją nieskończone struktury węglowe i niezmierzona liczba związków organicznych. Ponadto atomy węgla mogą tworzyć inne rodzaje wiązań.

sp2 i sp

Atom węgla jest również zdolny do przyjęcia innych hybrydyzacji, które pozwolą mu utworzyć podwójne lub nawet potrójne wiązanie.

W hybrydyzacji sp2, Jak widać na obrazku, istnieją trzy orbitale sp2 zdegenerowany i orbital 2p pozostaje niezmieniony lub „czysty”. Z trzema orbitaliami sp2 oddzielony 120º, węgiel tworzy trzy wiązania kowalencyjne przez narysowanie geometrii elektronicznej trygonalnej płaszczyzny; podczas gdy na orbicie 2p, prostopadle do pozostałych trzech, tworzy wiązanie π: -C = C-.

W przypadku hybrydyzacji sp, istnieją dwa orbitale sp rozdzielone 180º, tak że rysują liniową geometrię elektronową. Tym razem mają dwa czyste orbitale 2p, prostopadłe do siebie, które umożliwiają węglu tworzenie potrójnych wiązań lub dwóch podwójnych wiązań: -C≡C- lub ·· C = C = C ·· (centralny węgiel ma hybrydyzację sp) ).

Zauważ, że zawsze (zazwyczaj) jeśli dodasz linki wokół węgla, odkryjesz, że liczba jest równa cztery. Ta informacja jest niezbędna podczas rysowania struktur Lewisa lub struktur molekularnych. Atom węgla tworzący pięć wiązań (= C≡C) jest teoretycznie i eksperymentalnie niedopuszczalny.

Klasyfikacja

Jak klasyfikowane są atomy węgla? Bardziej niż klasyfikacja według cech wewnętrznych, zależy w rzeczywistości od środowiska molekularnego. To znaczy, że w cząsteczce jej atomy węgla można sklasyfikować zgodnie z poniższym.

Podstawowy

Pierwotny węgiel to taki, który jest związany tylko z innym węglem. Na przykład cząsteczka etanu, CH3-CH3 składa się z dwóch połączonych węgli pierwotnych. Sygnalizuje to koniec lub początek łańcucha węglowego.

Drugorzędny

Jest to jeden, który jest powiązany z dwoma węglami. Więc dla cząsteczki propanu, CH3-CH2-CH3, atom węgla pożywki jest drugorzędny (grupa metylenowa, -CH2-).

Trzeciorzęd

Węgle trzeciorzędowe różnią się od pozostałych, ponieważ wyłaniają się z nich gałęzie głównego łańcucha. Na przykład 2-metylobutan (zwany również izopentanem), CH3-CH(CH3) -CH2-CH3 Ma trzeciorzędowy węgiel zaznaczony pogrubioną czcionką.

Czwartorzęd

I wreszcie, czwartorzędowe węgle, jak sama nazwa wskazuje, są powiązane z czterema innymi atomami węgla. Cząsteczka neopentanu, C(CH3)4 ma czwartorzędowy atom węgla.

Używa

Jednostka masy atomowej

Średnia masa atomowa 12C jest standardową miarą do obliczania mas innych elementów. Tak więc wodór waży dwunastą część tego izotopu węgla, która jest używana do definiowania tzw jednostka masy atomowej u.

Zatem inne masy atomowe można porównać z tymi z 12C i 1H. Na przykład magnez (24Mg) waży około dwa razy więcej niż atom węgla i 24 razy więcej niż atom wodoru.

Cykl węglowy i życie

Rośliny pochłaniają CO2 w procesie fotosyntezy, aby uwolnić tlen do atmosfery i działać jako płuca roślinne. Kiedy umierają, stają się węglem drzewnym, który po spaleniu uwalnia CO2. Jedna część wraca do roślin, ale inna trafia do dna morskiego, odżywiając wiele mikroorganizmów.

Kiedy mikroorganizmy giną, pozostałe ciało stałe ulega rozkładowi biologicznemu, a po milionach lat przekształca się w tzw..

Kiedy ludzkość używa tego oleju jako alternatywnego źródła energii do spalania węgla, przyczynia się do uwolnienia większej ilości CO2 (i inne niepożądane gazy).

Z drugiej strony życie wykorzystuje atomy węgla z najgłębszych jego fundamentów. Wynika to ze stabilności jego wiązań, co pozwala na tworzenie łańcuchów i struktur molekularnych, które tworzą makrocząsteczki tak ważne jak DNA.

Spektroskopia NMR 13C

The 13C, nawet jeśli jest w znacznie mniejszej proporcji niż 12C, jego obfitość jest wystarczająca do wyjaśnienia struktur molekularnych za pomocą spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego węgla-13.

Dzięki tej technice analizy można określić, które atomy otaczają 13C i do jakich grup funkcjonalnych należą. W ten sposób można określić szkielet węglowy dowolnego związku organicznego.

Referencje

  1. Graham Solomons T.W., Craig B. Fryhle. Chemia organiczna. Aminy (10. edycja.) Wiley Plus.
  2. Blake D. (4 maja 2018 r.). Cztery cechy węgla. Źródło: sciencing.com
  3. Królewskie Towarzystwo Chemiczne. (2018). Węgiel. Zrobiono z: rsc.org
  4. Zrozumienie ewolucji. (s.f.). Podróż atomu węgla. Źródło: evolution.berkeley.edu
  5. Encyclopædia Britannica. (14 marca 2018 r.). Węgiel. Źródło: britannica.com
  6. Pappas S. (29 września 2017). Fakty o węglu. Źródło z: livescience.com