ВЪГЛЕРОДЕН АТОМ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, СТРУКТУРА, ХИБРИДИЗАЦИЯ - ХИМИЯ - 2025

Най- въглероден атом е може би най-важното и емблематичните за всички елементи, тъй като благодарение на нея за съществуването на живот е възможно. Той затваря в себе си не само няколко електрона или ядро ​​с протони и неутрони, но и звезден прах, който в крайна сметка се включва и образува живи същества.

Също така въглеродните атоми се намират в земната кора, въпреки че не са с изобилие, сравними с метални елементи като желязо, карбонати, въглероден диоксид, масло, диаманти, въглехидрати и др., Те са част от неговите физични и химични прояви.

Източник: Габриел Боливар

Но какъв е въглеродният атом? Неточна първа скица е тази, която се вижда на изображението по-горе, чиито характеристики са описани в следващия раздел.

Въглеродните атоми протичат през атмосферата, моретата, подпочвените растения и всякакви животински видове. Голямото му химическо разнообразие се дължи на високата стабилност на неговите връзки и на начина, по който те са подредени в пространството. Така имате от една страна гладкия и смазващ графит; а от друга - диамант, чиято твърдост надминава тази на много материали.

Ако въглеродният атом нямаше качествата, които го характеризират, органичната химия нямаше да съществува напълно. Някои визионери виждат в него новите материали на бъдещето, чрез проектирането и функционализацията на техните алотропни структури (въглеродни нанотръби, графен, фулерени и др.).

Характеристики на въглеродния атом

Въглеродният атом се символизира с буквата С. Атомното му число Z е 6, следователно има шест протона (червени кръгове със символа "+" в ядрото). В допълнение, тя има шест неутрона (жълти кръгове с буквата "N") и накрая шест електрона (сини звезди).

Сумата от масите на неговите атомни частици дава средна стойност от 12.0107 u. Въпреки това, атомът в изображението съответства на въглеродния 12 (¹² С) изотоп, който се състои от d. Други изотопи, като ¹³ С и ¹⁴ С, по-малко обилни, варират само в броя на неутроните.

По този начин, ако тези изотопи се изтеглят, ¹³ С ще имат допълнителен жълт кръг, а ¹⁴ С ще имат още два. Това логично означава, че те са по-тежки въглеродни атоми.

В допълнение към това, какви други характеристики могат да бъдат споменати в това отношение? Тя е четиривалентна, тоест може да образува четири ковалентни връзки. Той се намира в група 14 (IVA) на периодичната таблица, по-точно в блок p.

Той също е много универсален атом, способен да се свързва с почти всички елементи на периодичната таблица; особено със себе си, образувайки линейни, разклонени и ламинарни макромолекули и полимери.

структура

Каква е структурата на въглеродния атом? За да отговорите на този въпрос, първо трябва да преминете към неговата електронна конфигурация: 1s ² 2s ² 2p ² или 2s ² 2p ².

Следователно има три орбитали: 1s ², 2s ² и 2p ², всяка с по два електрона. Това може да се види и на изображението по-горе: три пръстена с два електрона (сини звезди) всеки (не сгрешавайте пръстените за орбитите: те са орбитали).

Имайте предвид обаче, че две от звездите имат по-тъмен нюанс на синьото от останалите четири. Защо? Тъй като първите два съответстват на вътрешния слой 1s ² o, който не участва пряко във формирането на химични връзки; докато електроните във външната обвивка, 2s и 2p, правят.

S и p орбиталите нямат еднаква форма, така че илюстрираният атом не е съгласен с реалността; в допълнение към голямата диспропорция на разстоянието между електроните и ядрото, което трябва да бъде стотици пъти по-голямо.

Следователно структурата на въглеродния атом се състои от три орбитали, при които електрони се „стопяват“ в замъглени електронни облаци. И между ядрото и тези електрони има разстояние, което разкрива огромната "празнота" вътре в атома.

Хибридизацията

По-рано беше споменато, че въглеродният атом е четиривалентен. Според електронната му конфигурация нейните 2s електрони са сдвоени, а 2p не сдвоени:

Източник: Габриел Боливар

Има една налична p орбитала, която е празна и запълнена с допълнителен електрон в азотния атом (2p ³).

Според определението на ковалентната връзка е необходимо всеки атом да допринесе за образуването на електрон; може да се види обаче, че в основното състояние на въглеродния атом той има само два несдвоени електрона (по един във всяка 2p орбитала). Това означава, че в това състояние той е двувалентен атом и следователно той образува само две връзки (–C–).

И така, как е възможно въглеродният атом да образува четири връзки? За да направите това, трябва да популяризирате електрон от орбитала 2s към орбитала с по-висока енергия 2p. Това е направено, получените четири орбитали са изродени; с други думи, те имат еднаква енергия или стабилност (имайте предвид, че са подравнени).

Този процес е известен като хибридизация и благодарение на него въглеродният атом вече има четири sp ³ орбитали с един електрон, всеки от които образува четири връзки. Това се дължи на характеристиката му да бъде четиривалентна.

SP

Когато въглеродният атом има SP ³ хибридизация, той ориентира четирите хибридни орбитали до върховете на тетраедър, което е неговата електронен геометрия.

По този начин, SP ³ въглерод могат да бъдат идентифицирани, защото тя представлява само четири прости връзки, както в молекулата на метан (CH ₄). И около това може да се наблюдава тетраедрична среда.

Припокриването на sp ³ орбиталите е толкова ефективно и стабилно, че единичната връзка CC има енталпия от 345,6 kJ / mol. Това обяснява защо има безкрайни карбонатни структури и неизмерим брой органични съединения. Освен това, въглеродните атоми могат да образуват други видове връзки.

SP

Източник: Габриел Боливар

Въглеродният атом е способен да възприеме и други хибридизации, което ще му позволи да образува двойна или дори тройна връзка.

В sp ² хибридизация, както се вижда на изображението, има три изродени sp ² орбитали и една 2p орбитална остава непроменена или "чиста". С трите орбитали sp ^{2 на} разстояние 120 °, въглеродът образува три ковалентни връзки, рисуващи триъгълна равнинна електронна геометрия; докато с 2p орбитала, перпендикулярна на останалите три, тя образува π връзка: –C = C–.

В случай на sp хибридизация има две sp орбитали на разстояние 180 °, така че те да очертаят линейна електронна геометрия. Този път те имат две чисти 2p орбитали, перпендикулярни една на друга, които позволяват на въглерода да образува тройни връзки или две двойни връзки: -C≡C– или ·· C = C = C ·· (централният въглерод има sp хибридизация).

Обърнете внимание, че винаги (обикновено), ако връзките около въглерода се добавят, ще се установи, че числото е равно на четири. Тази информация е от съществено значение, когато рисувате структури на Луис или молекулни структури. Въглероден атом, образуващ пет връзки (= C≡C), е теоретично и експериментално недопустим.

класификация

Как се класифицират въглеродните атоми? Повече от класификация по вътрешни характеристики, тя всъщност зависи от молекулната среда. Тоест, в една молекула нейните въглеродни атоми могат да бъдат класифицирани според следното.

първичен

Първичен въглерод е този, който е свързан само един друг въглерод. Например, етан молекулата, CH ₃ -СН ₃ се състои от две свързани първични въглерода. Това сигнализира за края или началото на въглеродна верига.

Втори

Той е свързан с два въглерода. Така молекула пропан, СН _3, - СН ₂ -СН ₃, средната въглероден атом е вторичен (метилен група, -СН ₂ -).

третичен

Третичните въглероди се различават от останалите, защото от тях излизат клони на основната верига. Например, 2-метилбутан (също наречен изопентан), СН _3, - СН (СН ₃) -СН ₂ -СН ₃ има третичен въглероден отбелязани с удебелен шрифт.

четворен

И накрая, четвъртичните въглероди, както подсказва името им, са свързани с четири други въглеродни атома. В неопентан молекулата, C (CH ₃) _4, има кватернерен въглероден атом.

Приложения

Единица за атомна маса

Средната атомна маса от ¹² С се използва като стандартна мярка за изчисляване на масите на останалите елементи. По този начин водородът тежи една дванадесета част от този изотоп на въглерод, който се използва за определяне на това, което е известно като единица за атомна маса u.

По този начин другите атомни маси могат да бъдат сравнени с тези от ¹² С и ¹ Н. Например, магнезият (²⁴ Mg) тежи приблизително два пъти повече от въглеродния атом и 24 пъти повече от водородния атом.

Въглероден цикъл и живот

Растенията абсорбират CO ₂ в процеса на фотосинтеза, за да освободят кислород в атмосферата и да действат като растителни бели дробове. Когато умират, те стават въглен, който след изгаряне _отново отделя CO ₂. Една част се връща към растенията, но друга се озовава в морските корита, подхранвайки много микроорганизми.

Когато микроорганизмите умират, твърдото вещество, останало след биологичното му разлагане, се утаява и след милиони години се трансформира в това, което е известно като масло.

Когато човечеството използва това масло като алтернативен източник на енергия за изгаряне на въглища, то допринася за отделянето на повече CO ₂ (и други нежелани газове).

От друга страна, животът използва въглеродни атоми от самото дъно. Това се дължи на стабилността на неговите връзки, което му позволява да образува вериги и молекулни структури, които съставляват макромолекули, толкова важни, колкото ДНК.

ЯМР спектроскопия

В ¹³ С, въпреки че е много по-ниска част от ¹² С, тяхното изобилие е достатъчно да се изясни молекулярни структури чрез ядрено-магнитен резонанс спектроскопия въглерод 13.

Благодарение на тази техника на анализ е възможно да се определи кои атоми обграждат ¹³ С и към кои функционални групи принадлежат. По този начин въглеродният скелет на всяко органично съединение може да бъде определен.

Препратки

1. Греъм Соломон TW, Craig B. Fryhle. Органична химия. Амини. (10-то издание.) Wiley Plus.
2. Блейк Д. (4 май 2018 г.). Четири характеристики на въглерода. Възстановено от: sciaching.com
3. Кралско химическо дружество. (2018). Въглища. Взета от: rsc.org
4. Разбиране на еволюцията. (SF). Пътешествие на въглероден атом. Възстановено от: evolution.berkeley.edu
5. Encyclopædia Britannica. (14 март 2018 г.). Въглища. Възстановено от: britannica.com
6. Pappas S. (29 септември 2017 г.). Факти за въглерода. Възстановена от: lifecience.com