ATÓM UHLÍKA: CHARAKTERISTIKA, ŠTRUKTÚRA, HYBRIDIZÁCIA - CHÉMIA - 2025

Atóm uhlíka je možno najdôležitejšie a symbolom všetkých prvkov, pretože vďaka nej existencie života je to možné. Uzatvára samy osebe len niekoľko elektrónov alebo jadro s protónmi a neutrónmi, ale tiež prach hviezd, ktorý sa nakoniec včlení a vytvorí živé bytosti.

Atómy uhlíka sa nachádzajú aj v zemskej kôre, aj keď nie s množstvom porovnateľným s kovovými prvkami, ako sú železo, uhličitany, oxid uhličitý, olej, diamanty, uhľohydráty atď., Sú súčasťou jej fyzikálne a chemické prejavy.

Zdroj: Gabriel Bolívar

Aký je atóm uhlíka? Nepresná prvá skica je taká, aká je na obrázku vyššie, ktorej vlastnosti sú opísané v nasledujúcej časti.

Atómy uhlíka prechádzajú atmosférou, morami, podložím, rastlinami a akýmikoľvek živočíšnymi druhmi. Jeho veľká chemická rozmanitosť je spôsobená vysokou stabilitou väzieb a spôsobom ich usporiadania v priestore. Takto máte na jednej strane hladký a mastný grafit; a na druhej strane diamant, ktorého tvrdosť presahuje tvrdosť mnohých materiálov.

Keby atóm uhlíka nemal vlastnosti, ktoré by ho charakterizovali, organická chémia by neexistovala úplne. Niektorí vizionári v ňom vidia nové materiály budúcnosti prostredníctvom návrhu a funkcionalizácie ich alotrópnych štruktúr (uhlíkové nanorúrky, grafén, fullerény atď.).

Charakteristiky atómu uhlíka

Atóm uhlíka je symbolizovaný písmenom C. Jeho atómové číslo Z je 6, preto má šesť protónov (červené jadrá so symbolom „+“ v jadre). Okrem toho má šesť neutrónov (žlté kruhy s písmenom „N“) a nakoniec šesť elektrónov (modré hviezdy).

Súčet hmotností atómových častíc dáva priemernú hodnotu 12,0107 u. Atóm na obrázku však zodpovedá izotopu uhlíka 12 ( ¹² ° C), ktorý pozostáva z d. Iné izotopy, ako je napríklad ¹³ ° C a ¹⁴ ° C, v menšej miere, sa líšia iba v počte neutrónov.

Tak, ak boli vypracované tieto izotopy, ¹³ C, bude mať ďalšie žltý kruh, a ¹⁴ C, bude mať dva. To logicky znamená, že ide o ťažšie atómy uhlíka.

Aké ďalšie charakteristiky možno okrem toho uviesť v tomto ohľade? Je štvormocná, to znamená, že môže tvoriť štyri kovalentné väzby. Nachádza sa v skupine 14 (IVA) periodickej tabuľky, konkrétnejšie v bloku p.

Je to tiež veľmi všestranný atóm schopný viazať sa takmer so všetkými prvkami periodickej tabuľky; najmä so sebou samými, vytvárajúcimi lineárne, rozvetvené a laminárne makromolekuly a polyméry.

štruktúra

Aká je štruktúra atómu uhlíka? Na zodpovedanie tejto otázky musíte najskôr prejsť na jej elektronickú konfiguráciu: 1s ² 2s ² 2p ² alebo 2s ² 2p ² .

Z tohto dôvodu existujú tri orbitálov: 1s ² , 2S ^2, a 2p ² , z ktorých každá s dvoma elektróny. Toto je tiež vidieť na obrázku vyššie: tri kruhy s dvoma elektrónmi (modré hviezdy), každý (nemýľte si kruhy za obežnú dráhu: sú orbitálne).

Všimnite si však, že dve hviezdičky majú tmavší odtieň modrej ako zvyšné štyri. Prečo? Vzhľadom k tomu, z ktorých prvé dve zodpovedajú na vnútornú vrstvu 1 s ² o, ktoré sa priamo nezúčastňuje na tvorbe chemických väzieb; zatiaľ čo elektróny vo vonkajšom plášti, 2s a 2p, áno.

Orbitaly s a p nemajú rovnaký tvar, takže ilustrovaný atóm nesúhlasí s realitou; okrem veľkého disproporcie vzdialenosti medzi elektrónmi a jadrom, ktoré by mali byť stokrát väčšie.

Štruktúra atómu uhlíka sa preto skladá z troch orbitálov, kde sa elektróny „topia“ do rozmazaných elektronických mrakov. A medzi jadrom a týmito elektrónmi je vzdialenosť, ktorá odhaľuje obrovskú „prázdnotu“ vo vnútri atómu.

hybridizácia

Už bolo uvedené, že atóm uhlíka je štvormocný. Podľa jeho elektronickej konfigurácie sú jeho 2 elektróny spárované a 2p nepárované:

Zdroj: Gabriel Bolívar

K dispozícii je jeden orbitál, ktorý je prázdny a na atóme dusíka je vyplnený ďalším elektrónom (2p ³ ).

Podľa definície kovalentnej väzby musí každý atóm prispievať elektrónmi k jeho tvorbe; je však zrejmé, že v základnom stave atómu uhlíka má iba dva nepárové elektróny (jeden v každom orbitálnom 2p). To znamená, že v tomto stave ide o dvojmocný atóm, a preto tvorí iba dve väzby (–C–).

Ako je teda možné, aby atóm uhlíka tvoril štyri väzby? Ak to chcete urobiť, musíte povýšiť elektrón z orbitálu 2 s na orbitál s vyššou energiou. Takto sú výsledné štyri orbitaly degenerované; inými slovami, majú rovnakú energiu alebo stabilitu (všimnite si, že sú zarovnané).

Tento proces je známy ako hybridizácie, a vďaka tomu, atóm uhlíka, má teraz štyri sp ³ orbitálov s jedným elektrónom každý pre vytvorenie štyroch väzieb. Je to kvôli jeho charakteristike tetravalencie.

sp

Keď atóm uhlíka má sp ³ hybridizácie , sa orientuje jej štyri hybridné orbitály do vrcholov štvorstena, čo je ich elektronickej geometrie.

Tak, sp ³ uhlíka môžu byť identifikované , pretože tvoria len štyri jednoduché väzby, ako je tomu v molekule metánu (CH ₄ ). A okolo tohto možno pozorovať tetraedrické prostredie.

Presah sp ³ orbitálov je tak účinný a stabilný, že jednoduchú väzbu CC má entalpiu 345,6 kJ / mol. To vysvetľuje, prečo existuje nekonečné množstvo karbonátových štruktúr a nespočetné množstvo organických zlúčenín. Okrem toho môžu atómy uhlíka tvoriť ďalšie typy väzieb.

sp

Zdroj: Gabriel Bolívar

Atóm uhlíka je tiež schopný prijať ďalšie hybridizácie, ktoré mu umožnia vytvoriť dvojitú alebo dokonca trojitú väzbu.

V sp ² hybridizácii , ako je vidieť na obrázku, sú tri degenerované sp ² orbitály a jeden 2p orbitálnej zostáva bez zmeny, alebo "čisté". S tromi obežnými dráhami sp ² vzdialenými 120 ° tvorí uhlík tri kovalentné väzby, ktoré kreslia elektronickú geometriu trigonálnej roviny; zatiaľ čo pri orbitále 2p kolmej na ostatné tri tvoria π väzbu: –C = C–.

V prípade hybridizácie sp existujú dve obežné kolesá vo vzdialenosti 180 ° takým spôsobom, že nakreslia lineárnu elektronickú geometriu. Tentoraz majú dva čisté 2p obežnice, kolmé na seba, ktoré umožňujú uhlíku tvoriť trojité väzby alebo dve dvojité väzby: –C≡C– alebo ·· C = C = C ·· (centrálny uhlík má hybridizáciu sp ).

Všimnite si, že vždy (všeobecne), ak sa pridajú väzby okolo uhlíka, zistí sa, že počet sa rovná štyrom. Táto informácia je nevyhnutná pri kreslení Lewisových štruktúr alebo molekulárnych štruktúr. Atóm uhlíka tvoriaci päť väzieb (= C = C) je teoreticky a experimentálne neprípustný.

klasifikácia

Ako sa klasifikujú atómy uhlíka? Viac ako klasifikácia podľa vnútorných charakteristík v skutočnosti závisí od molekulárneho prostredia. To znamená, že v molekule môžu byť jeho atómy uhlíka klasifikované podľa nasledujúceho.

Primárny

Primárny uhlík je uhlík, ktorý je viazaný iba na jeden ďalší uhlík. Napríklad, etán molekula, CH ₃ -CH ₃ sa skladá z dvoch spojených primárnych uhlíkov. To signalizuje koniec alebo začiatok uhlíkového reťazca.

sekundárne

Je to také, ktoré je spojené s dvoma uhlíkmi. Tak, pre propán molekulu, CH ₃ - CH ₂ -CH ₃ , prostredná atóm uhlíka je sekundárna (metylénová skupina, -CH ₂ -).

terciárne

Terciárne atómy uhlíka sa líšia od ostatných, pretože z nich vychádzajú vetvy hlavného reťazca. Napríklad, 2-metylbután (tiež nazývaný izopentánu), CH ₃ - CH (CH ₃ ) -CH ₂ -CH ₃ má terciárny atóm uhlíka zvýraznené tučným písmom.

kvartérne

A nakoniec, kvartérne atómy uhlíka, ako naznačuje ich názov, sú spojené so štyrmi ďalšími atómami uhlíka. Neopentan molekula, C (CH ₃ ) _4, má kvartérne uhlíkový atóm.

aplikácia

Atómová hmotnostná jednotka

Priemerná atómová hmotnosť ¹² ° C sa používa ako štandardná miera na výpočet hmotnosti ostatných prvkov. Vodík teda váži jednu dvanástinu tohto izotopu uhlíka, ktorý sa používa na definovanie toho, čo je známe ako jednotka atómovej hmotnosti u.

Ostatné atómové hmotnosti sa teda dajú porovnávať s hmotnosťou ¹² ° C a ¹ H. Napríklad horčík ( ²⁴ Mg) váži približne dvojnásobok hmotnosti atómu uhlíka a 24-krát viac ako atóm vodíka.

Uhlíkový cyklus a životnosť

Rastliny absorbujú CO ₂ v procese fotosyntézy uvoľňovať kyslík do atmosféry a pôsobí ako rastlinné pľúc. Keď zomrú, stanú sa aktívnym uhlím, ktoré po spálení _znova uvoľňuje CO ₂ . Jedna časť sa vracia do rastlín, ale druhá končí v morských dnách a vyživuje mnoho mikroorganizmov.

Keď mikroorganizmy odumrú, tuhá látka zostane v biologickom rozklade a po miliónoch rokov sa premení na ropu.

Keď ľudstvo používa tento olej ako alternatívny zdroj energie na spaľovanie uhlia, prispieva k uvoľneniu väčšieho množstva CO ₂ (a iných nežiaducich plynov).

Na druhej strane život využíva atómy uhlíka od samého dna. Je to kvôli stabilite jej väzieb, čo mu umožňuje vytvárať reťazce a molekulárne štruktúry, ktoré tvoria makromolekuly rovnako dôležité ako DNA.

NMR spektroskopia

¹³ ° C, aj keď je pri oveľa nižšej podiel na ¹² ° C, ich výskyt je dostatočné pre objasnenie molekulárnych štruktúr podľa NMR spektroskopie uhlíka 13.

Vďaka tejto analýzy techniky je možné určiť, ktoré atómy obklopujú ¹³ C a ktoré funkčné skupiny patria. Môže sa teda určiť uhlíková kostra akejkoľvek organickej zlúčeniny.

Referencie

1. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. Organická chémia. Amíny. (10. vydanie.) Wiley Plus.
2. Blake D. (4. mája 2018). Štyri vlastnosti uhlíka. Obnovené z: sciencing.com
3. Kráľovská spoločnosť chémie. (2018). Coal. Prevzaté z: rsc.org
4. Pochopenie evolúcie. (SF). Cesta atómu uhlíka. Obnovené z: evolution.berkeley.edu
5. Encyclopædia Britannica. (14. marca 2018). Coal. Získané z: britannica.com
6. Pappas S. (29. septembra 2017). Fakty o uhlíku. Získané z: livescience.com