Карактеристике атома угљеника, структура, хибридизација, класификација

Тхе атом угљеника То је можда најважнији и најзначајнији од свих елемената, јер је захваљујући њему могуће постојање живота. У себи обједињује не само неколико електрона, или језгро са протонима и неутронима, већ и звездану прашину, која завршава уградњом и формирањем живих бића..

Такође, атоми угљеника се налазе у Земљиној кори, мада не са обиљем упоредивим са металним елементима као што су гвожђе, карбонати, угљен диоксид, уље, дијаманти, угљени хидрати итд. његове физичке и хемијске манифестације.

Али како је атом угљеника? Прва нетачна скица је она која се види на слици изнад, чије карактеристике су описане у следећем одељку.

Атоми угљеника путују кроз атмосферу, море, подземље, биљке и све животињске врсте. Његова велика хемијска разноврсност је због високе стабилности њених веза и начина на који су уређене у простору. Тако, с једне стране, има глатки и подмазујући графит; ас друге стране, дијамант, чија тврдоћа надмашује тврдоћу многих материјала.

Ако атом угљеника није имао особине које га карактеришу, органска хемија не би постојала у потпуности. Неки визионари у њему виде нове материјале будућности, кроз дизајн и функционализацију његових алотропних структура (угљеничне наноцеви, графен, фулерени итд.).

Индек

• 1 Карактеристике атома угљеника
• 2 Структура
• 3 Хибридизација
  • 3.1 сп3
  • 3.2 сп2 и сп
• 4 Класификација
  • 4.1 Примарно
  • 4.2 Секундарно
  • 4.3 Терцијарни
  • 4.4 Квартар
• 5 Усес
  • 5.1 Јединица атомске масе
  • 5.2 Циклус угљеника и животни век
  • 5.3 13Ц НМР спектроскопија
• 6 Референце

Карактеристике атома угљеника

Атом угљеника симболизује слово Ц. Његов атомски број З је 6, дакле има шест протона (црвени кругови са симболом "+" у језгру). Поред тога, има шест неутрона (жути кругови са словом "Н") и коначно шест електрона (плаве звезде).

Збир маса њихових атомских честица даје просечну вредност од 12.0107 у. Међутим, атом на слици одговара 12-угљеном изотопу (¹²Ц), који се састоји од д. Остали изотопи, као што су ¹³Ц анд ¹⁴Ц, мање обиман, варира само у броју неутрона.

Дакле, ако нацртате ове изотопе ¹³Ц би имао додатни жути круг, и ¹⁴Ц, још два. То логично значи да су тежи атоми угљеника.

Поред тога, које се друге карактеристике могу споменути у овом погледу? То је тетравалентно, то јест, може да формира четири ковалентне везе. Налази се у групи 14 (ПДВ) периодног система, тачније у блоку п.

То је такође и врло разноврстан атом, способан да се повеже са скоро свим елементима периодног система; посебно са собом, формирајући макромолекуле и линеарне, разгранате и ламеларне полимере.

Структура

Каква је структура атома угљеника? Да бисте одговорили на ово питање, прво морате отићи у вашу електронску конфигурацију: 1с²2с²2п² или [Хе] 2с²2п².

Дакле, постоје три орбитале: 1с², тхе 2с² и 2п², сваки са два електрона. Ово се такође може видети на слици изнад: три прстена са два електрона (плаве звезде) сваки (немојте бркати прстенове по орбитама: они су орбитални).

Приметите, међутим, да две звезде имају тамнију нијансу плаве од осталих четири. Зашто? Зато што прва два одговарају унутрашњем слоју 1с² или [Он], који не учествује директно у формирању хемијских веза; док електрони у спољном слоју, 2с и 2п, раде.

С и п орбитале немају исти облик, тако да илустровани атом није у складу са реалношћу; поред велике диспропорције удаљености између електрона и језгра, које би требало да буду стотине пута веће.

Због тога се структура атома угљеника састоји од три орбитале у којима се електрони "тале" у дифузне електронске облаке. А између језгра и ових електрона постоји раздаљина која нам омогућава да видимо огромну "празнину" унутар атома.

Хибридизација

Раније је поменуто да је атом угљеника тетравалентан. Према електронској конфигурацији, његови 2с електрони су упарени и 2п електрони су неспарени:

Остаје расположива п орбитала, која је празна и напуњена додатним електроном у атому азота (2п.)³).

Према дефиницији ковалентне везе, неопходно је да сваки атом доприноси електрону за његово формирање; Међутим, може се приметити да је у базално стање од атома угљеника, једва да има два неспарена електрона (један у свакој 2п орбитали). То значи да је у овом стању двовалентни атом, и стога, он формира само две везе (-Ц-)..

Дакле, како је могуће да атом угљеника формира четири везе? Да бисте то урадили, морате промовисати електрон из орбите 2с у орбиталу 2п више енергије. Ово је учињено, четири резултирајуће орбитале су дегенерате; другим ријечима, они имају исту енергију или стабилност (имајте на уму да су усклађени).

Овај процес је познат као хибридизација, и захваљујући њему, сада атом угљеника има четири орбиталне сп³ са по једним електроном који формира четири везе. То је због његове карактеристике да је тетравалентна.

сп³

Када атом угљеника поседује сп хибридизацију³, Усмерите четири хибридне орбитале на врхове тетраедра, који је његова електронска геометрија.

Дакле, можете идентификовати угљенични сп³ јер формира само четири једноставне везе, као у молекулу метана (ЦХ₄). И око овог може се посматрати тетраедарска околина.

Преклапање сп орбитала³ толико је ефикасна и стабилна да једноставна Ц-Ц веза има енталпију од 345,6 кЈ / мол. Ово објашњава зашто постоје бескрајне структуре угљеника и немерљив број органских једињења. Поред тога, атоми угљеника могу да формирају друге типове веза.

сп² анд сп

Атом угљеника је такође способан да усвоји друге хибридизације, што ће јој омогућити да формира двоструку или чак троструку везу.

Ин сп хибридизатион², Као што се види на слици, постоје три сп орбитале² дегенерисана и 2п орбитала остаје непромењена или "чиста". Са три сп орбитале² раздвојени 120º, угљеник формира три ковалентне везе цртањем електронске геометрије тригонске равни; док са 2п орбиталом, окомито на остале три, она формира везу π: -Ц = Ц-.

За случај хибридизације сп постоје две сп орбитале раздвојене 180º, тако да цртају линеарну електронску геометрију. Овај пут, они имају две чисте 2п орбитале, окомите једна на другу, које омогућавају да угљеник формира троструке везе или две двоструке везе: -Ц≡Ц- или ·· Ц = Ц = Ц ·· (централни угљеник има сп хибридизацију) ).

Имајте на уму да ћете увек (обично) ако додате везе око угљеника, уочити да је број једнак четири. Ова информација је неопходна за цртање Левисових структура или молекуларних структура. Атом угљеника који формира пет веза (= Ц≡Ц) теоретски је и експериментално недопустив.

Класификација

Како су атоми угљеника класификовани? Више од класификације по унутрашњим карактеристикама, она у стварности зависи од молекуларне средине. То значи да се унутар молекула његови атоми угљеника могу класификовати према следећем.

Примари

Примарни угљеник је онај који је повезан само са другим угљеником. На пример, молекул етана, ЦХ₃-ЦХ₃ састоји се од два везана примарна угљена. Ово сигнализира крај или почетак ланца угљика.

Сецондари

Она је повезана са два угљена. Дакле, за молекул пропана, ЦХ₃-ЦХ₂-ЦХ₃, атом угљеника медијума је секундаран (метиленска група, -ЦХ₂-).

Терцијарни

Терцијарни угљеници се разликују од осталих, јер из њих израстају гране главног ланца. На пример, 2-метилбутан (који се такође назива изопентан), ЦХ₃-ЦХ(ЦХ₃) -ЦХ₂-ЦХ₃ Има терцијарни угљик означен масним словима.

Куатернари

И на крају, кватерни угљеници, као што име имплицира, повезани су са четири друга атома угљеника. Молекул неопентана, Ц(ЦХ₃)₄ има кватерни атом угљеника.

Усес

Атомска јединица масе

Просечна атомска маса ¹²Ц се користи као стандардна мјера за израчунавање масе других елемената. Тако, водоник тежи дванаестину овог угљеничног изотопа, који се користи за дефинисање онога што је познато као атомска маса у.

Тако се друге атомске масе могу упоредити са масом атома ¹²Ц и ¹Х. На пример, магнезијум (²⁴Мг) тежи око два пута више од атома угљеника, и 24 пута више од атома водоника.

Циклус угљеника и живот

Биљке апсорбују ЦО₂ у процесу фотосинтезе да ослободи кисеоник у атмосферу и делује као плућна биљка. Када умру, они постају дрвени угаљ, који након спаљивања ослобађа ЦО₂. Један део се враћа у биљке, али други завршава у морским дном, хранивши многе микроорганизме.

Када микроорганизми умиру, преостала чврста твар до својих биолошких седимента разградње, и након милион година, трансформише се у оно што је познато као уље.

Када човечанство користи ово уље као алтернативни извор енергије за сагоревање угља, оно доприноси ослобађању више ЦО₂ (и други нежељени гасови).

С друге стране, живот користи атоме угљеника из најдубљих његових темеља. То је због стабилности њених веза, што му омогућава да формира ланце и молекуларне структуре које чине макромолекуле једнако важне као и ДНК.

НМР спектроскопија ¹³Ц

Тхе ¹³Ц, иако је у много мањем проценту него у ¹²Ц, његово богатство је довољно да се разјасне молекуларне структуре кроз спектроскопију нуклеарне магнетне резонанце угљеника-13.

Захваљујући овој анализној техници, може се одредити који атоми окружују ¹³Ц и којим функционалним групама припадају. Тако се може одредити угљенични скелет било ког органског једињења.

Референце

1. Грахам Соломонс Т.В., Цраиг Б. Фрихле. Органиц Цхемистри. Аминес (10. издање.) Вилеи Плус.
2. Блаке Д. (Маи 4, 2018). Четири карактеристике угљеника. Добављено из: сциенцинг.цом
3. Краљевско хемијско друштво. (2018). Царбон. Преузето са: рсц.орг
4. Ундерстандинг Еволутион. (с.ф.). Путовање атомом угљеника. Преузето са: еволутион.беркелеи.еду
5. Енцицлопӕдиа Британница. (14. март 2018). Царбон. Преузето са: британница.цом
6. Паппас С. (Септембер 29, 2017). Чињенице о угљенику. Добављено из: ливесциенце.цом