ATOM WĘGLA: CHARAKTERYSTYKA, BUDOWA, HYBRYDYZACJA - CHEMIA - 2026

Atom węgla jest chyba najważniejszym i symbolem wszystkich elementów, bo dzięki nim istnienie życia jest możliwe. Otacza w sobie nie tylko kilka elektronów lub jądro z protonami i neutronami, ale także pył gwiezdny, który zostaje włączony i tworzy żywe istoty.

Podobnie, atomy węgla znajdują się w skorupie ziemskiej, chociaż nie w ilości porównywalnej z pierwiastkami metalicznymi, takimi jak żelazo, węglany, dwutlenek węgla, ropa, diamenty, węglowodany itp., Są one częścią jej fizyczne i chemiczne przejawy.

Źródło: Gabriel Bolívar

Ale jaki jest atom węgla? Niedokładny pierwszy szkic to ten widoczny na powyższym obrazku, którego charakterystyka została opisana w następnej sekcji.

Atomy węgla przepływają przez atmosferę, morza, podłoże, rośliny i wszelkie gatunki zwierząt. Jego duża różnorodność chemiczna wynika z dużej stabilności jego wiązań i sposobu, w jaki są ułożone w przestrzeni. Tak więc z jednej strony mamy gładki i smarujący grafit; az drugiej strony diament, którego twardość przewyższa twardość wielu materiałów.

Gdyby atom węgla nie miał cech, które go charakteryzują, chemia organiczna nie istniałaby całkowicie. Niektórzy wizjonerzy widzą w nim nowe materiały przyszłości, poprzez projektowanie i funkcjonalizację ich struktur alotropowych (nanorurki węglowe, grafen, fulereny itp.).

Charakterystyka atomu węgla

Symbolem atomu węgla jest litera C. Jego liczba atomowa Z wynosi 6, dlatego ma sześć protonów (czerwone kółka z symbolem „+” w jądrze). Ponadto ma sześć neutronów (żółte kółka z literą „N”) i wreszcie sześć elektronów (niebieskie gwiazdy).

Suma mas jego cząstek atomowych daje średnią wartość 12,0107 u. Jednak atom na obrazie odpowiada izotopowi węgla 12 ( ¹² C), który składa się z d. Inne izotopy, takie jak ¹³ C i ¹⁴ C, mniej rozpowszechnione, różnią się tylko liczbą neutronów.

Tak więc, gdyby te izotopy zostały narysowane, ¹³ C miałoby dodatkowe żółte kółko, a ¹⁴ C miałoby jeszcze dwa. To logicznie oznacza, że ​​są to cięższe atomy węgla.

Oprócz tego, o jakich innych cechach można w tym względzie wspomnieć? Jest czterowartościowy, to znaczy może tworzyć cztery wiązania kowalencyjne. Znajduje się w grupie 14 (IVA) układu okresowego, a dokładniej w bloku p.

Jest to również atom bardzo wszechstronny, zdolny do wiązania się z prawie wszystkimi pierwiastkami układu okresowego; zwłaszcza ze sobą, tworząc liniowe, rozgałęzione i laminarne makrocząsteczki i polimery.

Struktura

Jaka jest budowa atomu węgla? Aby odpowiedzieć na to pytanie, najpierw należy przejść do jego konfiguracji elektronicznej: 1s ² 2s ² 2p ² lub 2s ² 2p ² .

Dlatego istnieją trzy orbitale: 1s ² , 2s ² i 2p ² , każdy z dwoma elektronami. Można to również zobaczyć na powyższym obrazku: trzy pierścienie z dwoma elektronami (niebieskie gwiazdy) każdy (nie myl pierścieni z orbitami: są to orbitale).

Zwróć jednak uwagę, że dwie z gwiazd mają ciemniejszy odcień niebieskiego niż pozostałe cztery. Czemu? Ponieważ dwie pierwsze odpowiadają warstwie wewnętrznej 1s ² o, która nie uczestniczy bezpośrednio w tworzeniu wiązań chemicznych; podczas gdy elektrony w powłoce zewnętrznej, 2s i 2p, robią.

Orbitale s i p nie mają tego samego kształtu, więc przedstawiony atom nie jest zgodny z rzeczywistością; do tego wielka dysproporcja odległości między elektronami a jądrem, która powinna być setki razy większa.

Dlatego struktura atomu węgla składa się z trzech orbitali, w których elektrony „topią się” w rozmyte chmury elektronowe. A między jądrem a tymi elektronami istnieje odległość, która ujawnia ogromną „pustkę” wewnątrz atomu.

Hybrydyzacja

Wspomniano wcześniej, że atom węgla jest czterowartościowy. Zgodnie z jego konfiguracją elektroniczną, jego 2s elektrony są sparowane, a 2p niesparowane:

Źródło: Gabriel Bolívar

Jest jeden dostępny orbital p, który jest pusty i wypełniony dodatkowym elektronem przy atomie azotu (2p ³ ).

Zgodnie z definicją wiązania kowalencyjnego konieczne jest, aby każdy atom wnosił elektron do jego powstania; jednak można zauważyć, że w stanie podstawowym atom węgla ma tylko dwa niesparowane elektrony (po jednym w każdym orbicie 2p). Oznacza to, że w tym stanie jest atomem dwuwartościowym, a zatem tworzy tylko dwa wiązania (–C–).

Jak więc atom węgla może utworzyć cztery wiązania? Aby to zrobić, musisz wypromować elektron z orbity 2s do orbitalu 2p o wyższej energii. Po wykonaniu tej czynności powstałe cztery orbitale są zdegenerowane; innymi słowy, mają tę samą energię lub stabilność (zwróć uwagę, że są wyrównane).

Ten proces jest znany jako hybrydyzacja, dzięki czemu atom węgla ma teraz cztery orbitale sp ^3, z których każdy tworzy cztery wiązania. Wynika to z jego właściwości czterowartościowej.

sp

Kiedy atom węgla ma hybrydyzację sp ³ , orbitale jego czterech hybrydowych orbitali są skierowane na wierzchołki czworościanu, który jest jego geometrią elektronową.

W ten sposób można zidentyfikować węgiel sp ^3, ponieważ tworzy on tylko cztery proste wiązania, jak w cząsteczce metanu (CH ₄ ). Wokół tego można zaobserwować czworościenne środowisko.

Nakładanie się orbitali sp ³ jest tak skuteczne i stabilne, że wiązanie pojedyncze CC ma entalpię 345,6 kJ / mol. To wyjaśnia, dlaczego istnieją nieskończone struktury węglanowe i niezmierzona liczba związków organicznych. Poza tym atomy węgla mogą tworzyć inne typy wiązań.

sp

Źródło: Gabriel Bolívar

Atom węgla jest również zdolny do przyjmowania innych hybrydyzacji, które pozwolą mu na utworzenie podwójnego lub nawet potrójnego wiązania.

W hybrydyzacji sp ² , jak widać na obrazie, istnieją trzy zdegenerowane orbitale sp ² i jeden orbital 2p pozostaje niezmieniony lub „czysty”. Z trzema orbitaliami sp ² oddalonymi o 120º, węgiel tworzy trzy wiązania kowalencyjne rysujące geometrię elektronową płaszczyzny trygonalnej; podczas gdy z orbitalem 2p, prostopadłym do pozostałych trzech, tworzy wiązanie π: –C = C–.

W przypadku hybrydyzacji sp istnieją dwa orbitale sp oddalone od siebie o 180º, w taki sposób, że rysują one liniową geometrię elektronową. Tym razem mają dwa czyste orbitale 2p, prostopadłe do siebie, które pozwalają węglowi tworzyć wiązania potrójne lub dwa wiązania podwójne: –C≡C– lub ·· C = C = C ·· (centralny węgiel ma hybrydyzację sp ).

Zauważ, że zawsze (ogólnie), jeśli wiązania wokół węgla są dodawane, okaże się, że liczba jest równa cztery. Ta informacja jest niezbędna podczas rysowania struktur Lewisa lub struktur molekularnych. Atom węgla tworzący pięć wiązań (= C≡C) jest teoretycznie i eksperymentalnie niedopuszczalny.

Klasyfikacja

Jak klasyfikowane są atomy węgla? To więcej niż klasyfikacja według cech wewnętrznych, w rzeczywistości zależy to od środowiska molekularnego. Oznacza to, że w cząsteczce jej atomy węgla można sklasyfikować w następujący sposób.

Podstawowy

Węgiel pierwotny to taki, który jest związany tylko z jednym innym węglem. Na przykład cząsteczka etanu, CH _{3 –} CH _3, składa się z dwóch połączonych pierwotnych węgli. To sygnalizuje koniec lub początek łańcucha węglowego.

Wtórny

Jest to jeden połączony z dwoma atomami węgla. Zatem dla cząsteczki propanu, CH ₃ - CH ₂ –CH ₃ , środkowy atom węgla jest drugorzędowy (grupa metylenowa –CH ₂ -).

Trzeciorzędowy

Trzeciorzędowe węgle różnią się od pozostałych, ponieważ wyłaniają się z nich gałęzie głównego łańcucha. Na przykład 2-metylobutan (zwany także izopentanem), CH ₃ - CH (CH ₃ ) –CH _{2 –} CH ₃ ma trzeciorzędowy węgiel wyróżniony pogrubioną czcionką.

Czwartorzędowy

I wreszcie, czwartorzędowe węgle, jak sama nazwa wskazuje, są połączone z czterema innymi atomami węgla. Cząsteczka neopentanu, C (CH ₃ ) _4, ma czwartorzędowy atom węgla.

Aplikacje

Jednostka masy atomowej

Średnia masa atomowa ¹² C jest używana jako miara standardowa do obliczania mas pozostałych pierwiastków. Zatem wodór waży jedną dwunastą tego izotopu węgla, który służy do określenia tak zwanej atomowej jednostki masy u.

Zatem inne masy atomowe można porównać z masami ¹² C i ¹ H. Na przykład magnez ( ²⁴ Mg) waży około dwa razy więcej niż atom węgla i 24 razy więcej niż atom wodoru.

Cykl węglowy i życie

Rośliny absorbują CO ₂ w procesie fotosyntezy, aby uwolnić tlen do atmosfery i działać jak płuca roślin. Kiedy umierają, stają się węglem drzewnym, który po spaleniu _ponownie uwalnia CO ₂ . Jedna część wraca do roślin, ale inna trafia do dna morskiego, odżywiając wiele mikroorganizmów.

Kiedy mikroorganizmy giną, ciało stałe pozostające w osadach biologicznego rozkładu, a po milionach lat zostaje przekształcone w tak zwany olej.

Kiedy ludzkość używa tego oleju jako alternatywnego źródła energii do spalania węgla, przyczynia się to do uwalniania większej ilości CO ₂ (i innych niepożądanych gazów).

Z drugiej strony życie wykorzystuje atomy węgla od samego dna. Wynika to ze stabilności jego wiązań, co pozwala mu tworzyć łańcuchy i struktury molekularne, które tworzą makrocząsteczki tak ważne jak DNA.

Spektroskopia NMR

¹³ ° C, choć jest znacznie niższy odsetek od ¹² ° C, jego poziom jest wystarczający do wyjaśnienia struktury cząsteczkowej w spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego węgla 13.

Dzięki tej technice analizy można określić, które atomy otaczają ¹³ C i do jakich grup funkcyjnych należą. W ten sposób można określić szkielet węglowy dowolnego związku organicznego.

Bibliografia

1. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. Chemia organiczna. Aminy. (Wydanie 10.) Wiley Plus.
2. Blake D. (4 maja 2018). Cztery cechy węgla. Odzyskany z: sciencing.com
3. Królewskie Towarzystwo Chemii. (2018). Węgiel. Zaczerpnięte z: rsc.org
4. Zrozumieć ewolucję. (sf). Podróż atomu węgla. Odzyskany z: evolution.berkeley.edu
5. Encyclopædia Britannica. (14 marca 2018). Węgiel. Odzyskany z: britannica.com
6. Pappas S. (29 września 2017). Fakty o węglu. Odzyskane z: livescience.com