Karbonatomskarakteristika, struktur, hybridisering, klassificering

den carbonatom Det er måske det vigtigste og symbolske for alle elementer, fordi takket være det er livets eksistens mulig. Det omslutter ikke alene nogle få elektroner eller en kerne med protoner og neutroner, men også stjernestøv, som ender med at blive inkorporeret og danner levende væsener.

Også carbonatomer findes i jordskorpen, men ikke med en overflod, der kan sammenlignes med metalliske elementer som jern, carbonater, kuldioxid, olie, diamanter, kulhydrater mv., Er en del af dets fysiske og kemiske manifestationer.

Men hvordan er carbonatomet? En første unøjagtig skitse er den, der observeres i billedet ovenfor, hvis egenskaber er beskrevet i det følgende afsnit.

Carbonatomer rejser gennem atmosfæren, havene, undergrunden, planterne og enhver dyreart. Dens store kemiske mangfoldighed skyldes den høje stabilitet af sine forbindelser og hvordan de bestilles i rummet. Således har den på den ene side den glatte og smørende grafit; og på den anden side diamanten, hvis hårdhed overgår det af mange materialer.

Hvis carbonatomet ikke havde de kvaliteter, der karakteriserer det, ville organisk kemi ikke eksistere fuldstændigt. Nogle visionærer ser det frem i fremtidens nye materialer gennem design og funktionalisering af dets allotropiske strukturer (carbon nanorør, grafen, fullerener osv.).

indeks

• 1 Karakteristika for carbonatomet
• 2 struktur
• 3-hybridisering
  • 3.1 sp3
  • 3,2 sp2 og sp
• 4 klassificering
  • 4.1 Primær
  • 4.2 Sekundær
  • 4.3 Tertiær
  • 4.4 Kvartær
• 5 anvendelser
  • 5.1 Atommasseenhed
  • 5.2 Carbon cyklus og liv
  • 5.3 13C NMR spektroskopi
• 6 referencer

Karakteristika for carbonatomet

Kulometomet er symboliseret ved bogstaver C. Dets atomnummer Z er 6, derfor har det seks protoner (røde cirkler med symbolet "+" i kernen). Derudover har den seks neutroner (gule cirkler med bogstavet "N") og endelig seks elektroner (de blå stjerner).

Summen af ​​masserne af deres atompartikler giver en gennemsnitlig værdi på 12,0107 u. Atomet i billedet svarer imidlertid til 12-carbonisotopen (¹²C), som består af d. Andre isotoper, såsom ¹³C og ¹⁴C, mindre rigelige, varierer kun i antallet af neutroner.

Så hvis du tegner disse isotoper på ¹³C ville have en yderligere gul cirkel, og ¹⁴C, to mere. Dette betyder logisk, at de er tungere carbonatomer.

Ud over dette, hvilke andre karakteristika kan man nævne i denne henseende? Det er tetravalent, det vil sige, det kan danne fire kovalente bindinger. Den er placeret i gruppe 14 (moms) i periodisk tabel, nærmere bestemt i blok p.

Det er også et meget alsidigt atom, der kan forbinde med næsten alle elementer i det periodiske bord; især med sig selv, der danner makromolekyler og lineære, forgrenede og lamellære polymerer.

struktur

Hvad er strukturen af ​​et carbonatom? For at besvare dette spørgsmål skal du først gå til din elektroniske konfiguration: 1s²2s²2p² eller [han] 2s²2p².

Derfor er der tre orbitaler: 1s², 2'erne² og 2p², hver med to elektroner. Dette kan også ses i billedet ovenfor: tre ringe med to elektroner (blå stjerner) hver (ikke forveksle ringene ved kredsløb: de er kredsløbende).

Bemærk dog, at to af stjernerne har en mørkere nuance af blå end de andre fire. Hvorfor? Fordi de første to svarer til det indre lag 1s² eller [han], som ikke deltager direkte i dannelsen af ​​kemiske bindinger mens elektronerne i det ydre lag, 2s og 2p gør.

S- og p-orbitalerne har ikke den samme form, så det illustrerede atom er ikke i overensstemmelse med virkeligheden; ud over den store disproportion af afstanden mellem elektronerne og kernen, som skulle være hundreder gange større.

Derfor består karbonatomets struktur af tre orbitaler, hvor elektronerne "smelter" i diffunderede elektroniske skyer. Og mellem kernen og disse elektroner er der en afstand, der tillader os at se den enorme "tomhed" inde i atomet.

hybridisering

Det blev tidligere nævnt, at carbonatomet er tetravalent. Ifølge sin elektroniske konfiguration er dets 2s-elektroner parret, og 2p-elektronerne er opparet:

Der er en ledig p-kredsløb, som er tom og fyldt med en ekstra elektron i nitrogenatomet (2p³).

Ifølge definitionen af ​​den kovalente binding er det nødvendigt, at hvert atom bidrager med en elektron til dens dannelse; Det kan dog bemærkes, at i basal tilstand af carbonatomet, har den næsten ikke to opparerede elektroner (en i hver 2p kredsløb). Dette betyder, at det i denne tilstand er et divalent atom, og derfor danner det kun to bindinger (-C-).

Så, hvordan er det muligt, at carbonatomet danner fire obligationer? For at gøre dette skal du fremme en elektron fra 2s kredsløb til 2p højere energibane. Dette er gjort, de fire resulterende orbitaler er degenereret; med andre ord, de har den samme energi eller stabilitet (bemærk at de er justeret).

Denne proces er kendt som hybridisering, og takket være det har carbonatomet nu fire orbital sp³ med en elektron hver til at danne fire links. Dette skyldes dets karakteristika for at være tetravalent.

sp³

Når carbonatomet besidder en sp hybridisering³, Orienter sine fire hybrid orbitaler til en tetrahedron, som er dens elektroniske geometri.

Så du kan identificere en carbon sp³ fordi det kun danner fire simple bindinger, som i methanmolekylet (CH₄). Og omkring dette kan man observere et tetrahedral miljø.

Overlapningen af ​​sp orbitaler³ Det er så effektivt og stabilt, at den simple C-C-binding har en entalpi på 345,6 kJ / mol. Dette forklarer hvorfor der er endeløse kulholdige strukturer og et umådeligt antal organiske forbindelser. Ud over dette kan carbonatomer danne andre typer af bindinger.

sp² og sp

Kulstofet er også i stand til at vedtage andre hybridiseringer, hvilket vil tillade det at danne en dobbelt eller endog tredobbelt binding.

I sp hybridisering², Som det ses i billedet er der tre sp orbitaler² degenereret og en 2p kredsløb forbliver uændret eller "ren". Med de tre sp orbitaler² adskilt 120º, carbonet danner tre kovalente bindinger ved at tegne en trigonalplan elektronisk geometri; mens det med 2p kredsløb vinkelret på de andre tre danner det en binding π: -C = C-.

I tilfælde af sp hybridisering er der to sp orbitaler adskilt 180º, så de tegner en lineær elektronisk geometri. Denne gang har de to rene 2p-orbitaler, vinkelret på hinanden, hvilket tillader, at carbonet danner tredobbelte bindinger eller to dobbeltbindinger: -C≡C- eller ·· C = C = C ·· (det centrale carbon har sp hybridisering) ).

Bemærk at altid (normalt), hvis du tilføjer linkene omkring carbonet, vil du opdage, at tallet er lig med fire. Disse oplysninger er vigtige, når du tegner Lewis strukturer eller molekylære strukturer. Et carbonatom der danner fem bindinger (= C≡C) er teoretisk og eksperimentelt afviseligt.

klassifikation

Hvordan klassificeres kulstofatomer? Mere end en klassificering af interne egenskaber afhænger det i virkeligheden af ​​molekylmiljøet. Det vil sige, at inden for et molekyle kan dets carbonatomer klassificeres som følger.

primære

Et primært carbon er et, der kun er koblet til et andet carbon. For eksempel er etanet, CH₃-CH₃ består af to bundne primære carbonatomer. Dette signalerer enden eller begyndelsen af ​​en carbonkæde.

sekundær

Det er en, der er forbundet med to carbonatomer. Så for propanmolekylet CH₃-CH₂-CH₃, carbonatomet i mediet er sekundært (methylengruppen, -CH₂-).

tertiær

De tertiære carbonatomer adskiller sig fra resten, fordi de kommer ud af hovedkædenes grene. For eksempel er 2-methylbutan (også kaldet isopentan), CH₃-CH(CH₃) -CH₂-CH₃ Det har et tertiært carbon fremhævet med fed skrift.

kvaternære

Endelig er de kvaternære carbonatomer, som navnet antyder, forbundet med fire andre carbonatomer. Neopentan-molekylet, C(CH₃)₄ har et kvaternært carbonatom.

applikationer

Atommasseenhed

Den gennemsnitlige atommasse på ¹²C anvendes som en standardforanstaltning til beregning af masserne af de andre elementer. Således vejer hydrogen en tolvtedel af denne carbonisotop, som bruges til at definere, hvad der er kendt som atommasse enhed u.

Således kan de andre atommasser sammenlignes med ¹²C og ¹H. for eksempel magnesium (²⁴Mg) vejer ca. dobbelt så meget som et carbonatom og 24 gange mere end et hydrogenatom.

Carbon cyklus og liv

Planter absorberer CO₂ i processen med fotosyntese at frigive ilt til atmosfæren og fungere som plantelunger. Når de dør, bliver de trækul, som efter brænding frigiver CO₂. En del vender tilbage til planterne, men en anden ender i havbundene og nærer mange mikroorganismer.

Når mikroorganismerne dør, bliver de resterende faste stoffer til dets biologiske nedbrydningssedimenter og efter millioner af år omdannet til det, der er kendt som olie.

Når menneskeheden bruger denne olie som en alternativ energikilde til brænding af kul, bidrager det til frigivelsen af ​​mere CO₂ (og andre uønskede gasser).

På den anden side bruger livet kulstofatomerne fra det dybeste af dets fundament. Dette skyldes stabiliteten af ​​dets bindinger, som gør det muligt at danne kæder og molekylære strukturer, der udgør makromolekyler lige så vigtige som DNA.

NMR-spektroskopi ¹³C

den ¹³C, selvom den er i en meget mindre andel end den af ¹²C er dens overflod tilstrækkelig til at belyse molekylære strukturer gennem carbon-13-kernemagnetisk resonansspektroskopi.

Takket være denne analyseteknik kan det bestemmes, hvilke atomer der omgiver ¹³C og til hvilke funktionelle grupper de tilhører. Således kan carbonskelettet af en hvilken som helst organisk forbindelse bestemmes.

referencer

1. Graham Solomons T.W., Craig B. Fryhle. Organisk kemi. Aminer. (10. udgave.) Wiley Plus.
2. Blake D. (4. maj 2018). Fire Karakteristika for Carbon. Hentet fra: sciencing.com
3. Royal Society of Chemistry. (2018). Carbon. Modtaget fra: rsc.org
4. Forståelse Evolution. (N.D.). Rejsen af ​​et carbonatom. Hentet fra: evolution.berkeley.edu
5. Encyclopædia Britannica. (14. marts 2018). Carbon. Hentet fra: britannica.com
6. Pappas S. (29. september 2017). Fakta om kulstof. Hentet fra: livescience.com