Karakteristike ogljikovega atoma, struktura, hibridizacija, klasifikacija

The atom ogljika To je morda najpomembnejši in simbolni element vseh elementov, saj je zaradi tega obstoj življenja mogoč. V sebi zajema ne le nekaj elektronov, ali jedro s protoni in nevtroni, temveč tudi zvezdni prah, ki se konča vgrajen in tvori živa bitja..

Tudi ogljikovi atomi se nahajajo v zemeljski skorji, čeprav ne s številčnostjo, ki je primerljiva s kovinskimi elementi, kot so železo, karbonati, ogljikov dioksid, olje, diamanti, ogljikovi hidrati itd. njegove fizikalne in kemijske manifestacije.

Toda kako je atom ogljika? Prva netočna skica je tista, ki jo opazimo na zgornji sliki, katere značilnosti so opisane v naslednjem poglavju.

Atomi ogljika potujejo skozi ozračje, morje, podtalje, rastline in vse živalske vrste. Njegova velika kemijska raznolikost je posledica visoke stabilnosti njenih povezav in kako so urejene v prostoru. Tako ima na eni strani gladek in mazalni grafit; po drugi strani pa diamant, katerega trdota presega trdnost mnogih materialov.

Če ogljikov atom ni imel lastnosti, ki ga označujejo, organska kemija ne bi obstajala popolnoma. Nekateri vizionarji v njem vidijo nove materiale prihodnosti, in sicer z načrtovanjem in funkcionalizacijo njegovih alotropnih struktur (ogljikovih nanocevk, grafena, fulerenov itd.).

Indeks

• 1 Značilnosti ogljikovega atoma
• 2 Struktura
• 3 Hibridizacija
  • 3.1 sp3
  • 3.2 sp2 in sp
• 4 Razvrstitev
  • 4.1 Primarna
  • 4.2 Sekundarna
  • 4.3 Terciarno
  • 4.4 Kvartar
• 5 Uporabe
  • 5.1 Atomska enota mase
  • 5.2 Življenjski cikel ogljika
  • 5.3 13C NMR spektroskopija
• 6 Reference

Značilnosti ogljikovega atoma

Atom ogljika simbolizira črka C. Njegova atomska številka Z je 6, zato ima šest protonov (rdeče kroge s simbolom "+" v jedru). Poleg tega ima šest nevtronov (rumeni krogi s črko "N") in končno šest elektronov (modre zvezde)..

Vsota mas njihovih atomskih delcev daje povprečno vrednost 12.0107 u. Vendar pa atom na sliki ustreza 12-ogljičnemu izotopu (¹²C), ki je sestavljena iz d. Drugi izotopi, kot npr ¹³C in ¹⁴C, manj obilen, se razlikuje le v številu nevtronov.

Torej, če narišete te izotope ¹³C bi imel dodaten rumeni krog in ¹⁴C, še dva. To logično pomeni, da so težji ogljikovi atomi.

Poleg tega, katere druge značilnosti lahko omenimo v zvezi s tem? Je tetravalentna, kar pomeni, da lahko tvori štiri kovalentne vezi. Nahaja se v skupini 14 (DDV) periodnega sistema, natančneje v bloku p.

Je tudi zelo vsestranski atom, ki se lahko poveže z skoraj vsemi elementi periodnega sistema; predvsem zase, ki tvorijo makromolekule in linearne, razvejane in lamelarne polimere.

Struktura

Kakšna je struktura ogljikovega atoma? Če želite odgovoriti na to vprašanje, najprej pojdite v vašo elektronsko konfiguracijo: 1s²2s²2p² ali [He] 2s²2p².

Zato obstajajo tri orbitale: 1s², 2s² in 2p², vsak z dvema elektronima. To je mogoče videti tudi na zgornji sliki: trije obročki z dvema elektronima (modrima zvezdama) (ne zamenjujte obročev z orbitami)..

Upoštevajte pa, da sta dve zvezdici temnejši modri od drugih štirih. Zakaj? Ker prva dva ustrezata notranjemu sloju 1s² ali [He], ki ne sodeluje neposredno pri nastajanju kemijskih vezi; medtem ko elektroni v zunanji plasti, 2s in 2p, delata.

S in p orbitale nimata enake oblike, zato ilustrirani atom ni v skladu z resničnostjo; poleg velike nesorazmernosti razdalje med elektroni in jedrom, ki bi morala biti stotina krat večja.

Struktura ogljikovega atoma je torej sestavljena iz treh orbital, kjer se elektroni "stopijo" v difuzne elektronske oblake. In med jedrom in temi elektroni je razdalja, ki nam omogoča, da vidimo ogromno "praznino" znotraj atoma.

Hibridizacija

Prej je bilo omenjeno, da je atom ogljika tetravalenten. Glede na njegovo elektronsko konfiguracijo so njeni 2s elektroni povezani in 2p elektroni sta nesparjeni:

Še vedno je na voljo p orbital, ki je prazna in napolnjena z dodatnim elektronom v atomu dušika (2p.)³).

Glede na definicijo kovalentne vezi je potrebno, da vsak atom prispeva elektron za njegovo tvorbo; Vendar pa je mogoče opaziti, da v bazalno stanje ogljikovega atoma, komaj ima dva neparna elektrona (enega v vsaki 2p orbitalni). To pomeni, da je v tem stanju dvovalentni atom, zato tvori le dve vezi (-C-)..

Torej, kako je mogoče, da atom ogljika tvori štiri vezi? Če želite to narediti, morate spodbujati elektron iz orbite 2s v 2p višjo energijsko orbitalo. Če to storimo, so štirje orbitali degenerirati; z drugimi besedami, imajo enako energijo ali stabilnost (upoštevajte, da so poravnani).

Ta proces je znan kot hibridizacija in zahvaljujoč temu ima atom ogljika štiri orbitalne sp³ z enim elektronom, da tvorijo štiri povezave. To je posledica njegove značilnosti, da je tetravalentna.

sp³

Kadar ima atom ogljika sp hibridizacijo³, Usmerite štiri hibridne orbitale na tocke tetraedra, ki je njegova elektronska geometrija.

Tako lahko identificirate ogljikov sp³ ker le tvori štiri preproste vezi, kot v metanovi molekuli (CH₄). Okoli tega lahko opazujemo tetraedrsko okolje.

Prekrivanje sp orbital³ je tako učinkovita in stabilna, da ima enostavna vez C-C entalpijo 345,6 kJ / mol. To pojasnjuje, zakaj obstajajo neskončne karbonatne strukture in neizmerno število organskih spojin. Poleg tega lahko ogljikovi atomi tvorijo tudi druge vrste vezi.

sp² in sp

Ogljikov atom je prav tako sposoben sprejeti druge hibridizacije, ki mu omogočajo, da tvori dvojno ali celo trojno vez.

V hibridizaciji sp², Kot vidimo na sliki, so tri sp orbitale² degenerirana in 2p orbita ostane nespremenjena ali "čista". S tremi sp orbitali² izločenih 120 °, ogljik tvori tri kovalentne vezi z risanjem elektronske geometrije trigonske ravnine; medtem ko z 2p orbitalo, pravokotno na ostale tri, tvori vez π: -C = C-.

Za sp hibridizacijo sta dve sp orbitali ločeni 180 °, tako da narišeta linearno elektronsko geometrijo. Tokrat imata dve čisti 2p orbitali, pravokotni drug na drugega, ki omogočata, da ogljik tvori trojno vez ali dve dvojni vezi: -C≡C- ali ·· C = C = C ·· (osrednji ogljik sp hibridizira) ).

Upoštevajte, da boste vedno (običajno), če dodate povezave okoli ogljika, ugotovili, da je število enako štiri. Te informacije so bistvene pri risanju Lewisovih struktur ali molekularnih struktur. Atom ogljika, ki tvori pet vezi (= C≡C), je teoretično in eksperimentalno nedopusten.

Razvrstitev

Kako so ogljikovi atomi razvrščeni? Več kot klasifikacija po notranjih značilnostih je v resnici odvisna od molekularnega okolja. To pomeni, da se lahko znotraj molekule njegovi atomi ogljika razvrstijo glede na naslednje.

Primarni

Primarni ogljik je tisti, ki je povezan le z drugim ogljikom. Na primer, molekula etana, CH₃-CH₃ sestoji iz dveh vezanih primarnih ogljikov. To označuje konec ali začetek ogljikove verige.

Sekundarno

To je tista, ki je povezana z dvema ogljikoma. Torej, za molekulo propanov, CH₃-CH₂-CH₃, atom ogljika medija je sekundarni (metilenska skupina, -CH₂-).

Terciarno

Terciarni ogljiki se razlikujejo od ostalih, ker iz njih izhajajo veje glavne verige. Na primer, 2-metilbutan (imenovan tudi izopentan), CH₃-CH(CH₃) -CH₂-CH₃ Ima terciarni ogljik, poudarjen v krepkem tisku.

Kvartar

In končno, kvarterni ogljiki, kot že ime pove, so povezani s štirimi drugimi atomi ogljika. Molekula neopentana, C(CH₃)₄ ima kvarterni ogljikov atom.

Uporabe

Atomska masna enota

Povprečna atomska masa ¹²C se uporablja kot standardni ukrep za izračun mase drugih elementov. Torej, vodik tehta dvanajstino tega ogljikovega izotopa, ki se uporablja za opredelitev tako imenovanega atomska masna enota u.

Tako lahko druge atomske mase primerjamo z drugimi ¹²C in ¹H. Na primer magnezij (²⁴Mg) tehta približno dvakrat več kot atom ogljika in 24-krat več kot atom vodika.

Cikel ogljika in življenje

Rastline absorbirajo CO₂ v procesu fotosinteze, da sprosti kisik v ozračje in deluje kot rastlinska pljuča. Ko umrejo, postanejo oglje, ki po sežganju sprosti CO₂. En del se vrne v rastline, drugi pa se konča v morskem dnu, hrani številne mikroorganizme.

Ko mikroorganizmi umrejo, preostala trdna snov v njenih bioloških razpadnih usedlinah in po milijonih letih se pretvori v tako imenovano olje.

Ko človeštvo uporablja to olje kot alternativni vir energije za kurjenje premoga, prispeva k sproščanju več CO₂ (in drugi nezaželeni plini).

Po drugi strani pa življenje uporablja ogljikove atome iz najglobljih temeljev. To je posledica stabilnosti njenih vezi, ki mu omogočajo, da oblikuje verige in molekularne strukture, ki sestavljajo makromolekule, ki so tako pomembne kot DNA.

NMR spektroskopija ¹³C

The ¹³C, čeprav je v veliko manjšem deležu kot ¹²C, njegova številčnost zadostuje za pojasnitev molekularnih struktur s pomočjo spektroskopije z jedrsko magnetno resonanco.

Zahvaljujoč tej analizni tehniki lahko ugotovimo, kateri atomi obkrožajo ¹³C in s katerimi funkcionalnimi skupinami pripadajo. Tako lahko določimo ogljikov skelet vsake organske spojine.

Reference

1. Graham Solomons T.W., Craig B. Fryhle. Organska kemija. Amini (10. izdaja.) Wiley Plus.
2. Blake D. (4. maj, 2018). Štiri značilnosti ogljika. Vzpostavljeno iz: sciencing.com
3. Royal Society of Chemistry. (2018). Ogljik. Vzeto iz: rsc.org
4. Razumevanje evolucije. (s.f.). Potovanje z ogljikovim atomom. Vzpostavljeno iz: evolution.berkeley.edu
5. Enciklopedija Britannica. (14. marec 2018). Ogljik. Vzpostavljeno iz: britannica.com
6. Pappas S. (29. september 2017). Dejstva o ogljiku. Vzpostavljeno iz: livescience.com