АТОМ УГЛЕРОДА: ХАРАКТЕРИСТИКИ, СТРОЕНИЕ, ГИБРИДИЗАЦИЯ - ХИМИЯ - 2025

Атом углерода , возможно , является наиболее важным и символическим всех элементов, потому что благодаря ему существование жизни возможно. Он включает в себя не только несколько электронов или ядро ​​с протонами и нейтронами, но и звездную пыль, которая в конечном итоге объединяется и формирует живые существа.

Кроме того, атомы углерода находятся в земной коре, хотя их содержание не сопоставимо с металлическими элементами, такими как железо, карбонаты, углекислый газ, нефть, алмазы, углеводы и т. Д., Они являются частью его физические и химические проявления.

Источник: Габриэль Боливар

Но каков атом углерода? Неточный первый набросок - это тот, который показан на изображении выше, характеристики которого описаны в следующем разделе.

Атомы углерода проходят через атмосферу, моря, недра, растения и любые виды животных. Его большое химическое разнообразие обусловлено высокой стабильностью его связей и их расположением в пространстве. Таким образом, у вас с одной стороны гладкий и смазывающий графит; а с другой - алмаз, твердость которого превосходит многие материалы.

Если бы атом углерода не обладал качествами, которые его характеризуют, органическая химия не существовала бы полностью. Некоторые провидцы видят в нем новые материалы будущего через создание и функционализацию их аллотропных структур (углеродные нанотрубки, графен, фуллерены и т. Д.).

Характеристики атома углерода

Атом углерода обозначается буквой C. Его атомный номер Z равен 6, следовательно, он имеет шесть протонов (красные кружки с символом «+» в ядре). Кроме того, он имеет шесть нейтронов (желтые кружки с буквой «N») и, наконец, шесть электронов (синие звезды).

Сумма масс его атомных частиц дает среднее значение 12,0107 ед. Однако атом на изображении соответствует изотопу углерода 12 ( ¹² C), который состоит из d. Другие изотопы, такие как ¹³ C и ¹⁴ C, в меньшем количестве, различаются только количеством нейтронов.

Таким образом, если бы эти изотопы были нарисованы, у ¹³ C был бы дополнительный желтый кружок, а у ¹⁴ C - еще два. Это логически означает, что они тяжелее атомов углерода.

Какие еще характеристики можно отметить в этом отношении? Он четырехвалентный, то есть может образовывать четыре ковалентные связи. Он расположен в группе 14 (IVA) периодической таблицы, а точнее в блоке p.

Это также очень универсальный атом, способный связываться практически со всеми элементами периодической таблицы; особенно с самим собой, образуя линейные, разветвленные и ламинарные макромолекулы и полимеры.

Структура

Как устроен атом углерода? Чтобы ответить на этот вопрос, сначала вам нужно перейти к его электронной конфигурации: 1s ² 2s ² 2p ² или 2s ² 2p ² .

Следовательно, есть три орбитали: 1s ² , 2s ² и 2p ² , каждая с двумя электронами. Это также можно увидеть на изображении выше: три кольца с двумя электронами (голубые звезды) каждое (не путайте кольца с орбитами: они орбитали).

Однако обратите внимание, что две звезды имеют более темный оттенок синего, чем остальные четыре. Зачем? Поскольку первые два соответствуют внутреннему слою 1s ² o, который непосредственно не участвует в образовании химических связей; в то время как электроны во внешней оболочке, 2s и 2p, делают.

Орбитали s и p не имеют одинаковой формы, поэтому изображенный атом не соответствует действительности; в дополнение к большой диспропорции расстояния между электронами и ядром, которое должно быть в сотни раз больше.

Следовательно, структура атома углерода состоит из трех орбиталей, на которых электроны «плавятся» в нечеткие электронные облака. А между ядром и этими электронами есть расстояние, открывающее огромную «пустоту» внутри атома.

гибридизация

Ранее упоминалось, что атом углерода четырехвалентен. Согласно его электронной конфигурации, его 2s-электроны спарены, а 2p - неспарены:

Источник: Габриэль Боливар

Имеется одна доступная p-орбиталь, которая пуста и заполнена дополнительным электроном у атома азота (2p ³ ).

Согласно определению ковалентной связи, необходимо, чтобы каждый атом вносил электрон для ее образования; однако можно видеть, что в основном состоянии атома углерода он имеет только два неспаренных электрона (по одному на каждой 2p-орбитали). Это означает, что в этом состоянии это двухвалентный атом, а значит, он образует только две связи (–C–).

Итак, как атом углерода может образовывать четыре связи? Для этого вы должны переместить электрон с орбитали 2s на орбиталь 2p с более высокой энергией. Это сделано, в результате четыре орбитали вырождены; другими словами, у них одинаковая энергия или стабильность (обратите внимание, что они выровнены).

Этот процесс известен как гибридизация, и благодаря ему атом углерода теперь имеет четыре sp ³ -орбитали с одним электроном в каждой для образования четырех связей. Это связано с его четырехвалентностью.

зр

Когда атом углерода имеет sp ^3- гибридизацию , он ориентирует свои четыре гибридные орбитали на вершины тетраэдра, что является его электронной геометрией.

Таким образом, углерод sp ³ можно идентифицировать, потому что он образует только четыре простые связи, как в молекуле метана (CH ₄ ). И вокруг этого можно наблюдать тетраэдрическое окружение.

Перекрытие sp ³ -орбиталей настолько эффективно и стабильно, что одинарная связь CC имеет энтальпию 345,6 кДж / моль. Это объясняет, почему существуют бесконечные карбонатные структуры и неизмеримое количество органических соединений. Помимо этого, атомы углерода могут образовывать другие типы связей.

зр

Источник: Габриэль Боливар

Атом углерода также способен принимать другие гибридизации, которые позволят ему образовывать двойную или даже тройную связь.

При sp ² гибридизации , как видно на изображении, есть три вырожденных sp ² орбитали и одна 2p орбиталь остается неизменной или «чистой». С тремя sp ^2- орбиталями, расположенными на расстоянии 120º, углерод образует три ковалентные связи, формируя электронную геометрию тригональной плоскости; в то время как с 2p-орбиталью, перпендикулярной трем другим, он образует π-связь: –C = C–.

В случае sp-гибридизации есть две sp-орбитали, разнесенные на 180º, таким образом, что они рисуют линейную электронную геометрию. На этот раз у них есть две чистые 2p-орбитали, перпендикулярные друг другу, которые позволяют углероду образовывать тройные связи или две двойные связи: –C≡C– или ·· C = C = C ·· (центральный углерод имеет sp-гибридизацию. ).

Обратите внимание, что всегда (как правило), если добавляются связи вокруг углерода, число равно четырем. Эта информация важна при рисовании структур Льюиса или молекулярных структур. Атом углерода, образующий пять связей (= C≡C), теоретически и экспериментально недопустим.

классификация

Как классифицируются атомы углерода? Это больше, чем классификация по внутренним характеристикам, это фактически зависит от молекулярного окружения. То есть в молекуле ее атомы углерода можно классифицировать следующим образом.

первичный

Первичный углерод связан только с одним другим углеродом. Например, молекула этана CH ₃ –CH ₃ состоит из двух связанных первичных атомов углерода. Это сигнализирует о конце или начале углеродной цепи.

второстепенный

Это тот, который связан с двумя атомами углерода. Таким образом, для молекулы пропана CH ₃ - CH ₂ –CH ₃ средний атом углерода является вторичным (метиленовая группа, –CH ₂ -).

третичный

Третичные атомы углерода отличаются от остальных тем, что от них отходят ответвления основной цепи. Так , например, 2-метилбутан (также называемый изопентана), СН ₃ - СН (СН ₃ ) -СН ₂ -СН ₃ имеет третичный углерод , выделены жирным шрифтом.

четвертичный

И, наконец, четвертичные атомы углерода, как следует из их названия, связаны с четырьмя другими атомами углерода. Молекула неопентана C (CH ₃ ) ₄ имеет четвертичный атом углерода.

Приложения

Атомная единица массы

Средняя атомная масса ¹² C используется в качестве стандартной меры для расчета масс других элементов. Таким образом, водород весит одну двенадцатую часть этого изотопа углерода, который используется для определения так называемой атомной единицы массы u.

Таким образом, другие атомные массы можно сравнить с массами ¹² C и ¹ H. Например, магний ( ²⁴ Mg) весит примерно вдвое больше, чем атом углерода, и в 24 раза больше, чем атом водорода.

Углеродный цикл и жизнь

Растения поглощают CO ₂ в процессе фотосинтеза, выделяя кислород в атмосферу и выступая в роли легких растений. Когда они умирают, они превращаются в древесный уголь, который после сжигания _снова выделяет CO ₂ . Одна часть возвращается к растениям, а другая попадает в морское дно, питая множество микроорганизмов.

Когда микроорганизмы умирают, твердое вещество остается в отложениях биологического разложения, и через миллионы лет оно превращается в то, что известно как нефть.

Когда человечество использует это масло в качестве источника энергии, альтернативного сжиганию угля, оно способствует выделению большего количества CO ₂ (и других нежелательных газов).

С другой стороны, жизнь использует атомы углерода снизу. Это связано со стабильностью его связей, которая позволяет ему образовывать цепи и молекулярные структуры, из которых состоят макромолекулы, столь же важные, как ДНК.

ЯМР-спектроскопия

¹³ С, хотя при значительно более низкая пропорция ¹² С, их численность достаточна для выяснения молекулярных структур углерода спектроскопии ядерного магнитного резонанса 13.

Благодаря этой методике анализа можно определить, какие атомы окружают ¹³ C и к каким функциональным группам они принадлежат. Таким образом, можно определить углеродный скелет любого органического соединения.

Ссылки

1. Грэм Соломонс Т.В., Крейг Б. Фрайл. Органическая химия. Амины. (10-е издание) Wiley Plus.
2. Блейк Д. (4 мая 2018 г.). Четыре характеристики углерода. Получено с: sciencing.com
3. Королевское химическое общество. (2018). Уголь. Взято с: rsc.org
4. Понимание эволюции. (SF). Путешествие атома углерода. Получено с: evolution.berkeley.edu
5. Encyclopdia Britannica. (14 марта 2018 г.). Уголь. Получено с: britannica.com
6. Паппас С. (29 сентября 2017 г.). Факты о углероде. Получено с: livescience.com