Характеристики атома вуглецю, структура, гібридизація, класифікація

The атома вуглецю Це, мабуть, найважливіше і символічне з усіх елементів, адже завдяки цьому можливе існування життя. Вона охоплює в собі не тільки кілька електронів, або ядро ​​з протонами і нейтронами, але і зоряний пил, який утворюється і утворює живі істоти..

Крім того, атоми вуглецю знаходяться в земній корі, хоча не з великою кількістю, порівнянною з металевими елементами, такими як залізо, карбонати, вуглекислий газ, нафта, алмази, вуглеводи тощо. його фізичні та хімічні прояви.

Але як же атом вуглецю? Перший неточний ескіз - той, який спостерігається на зображенні вище, характеристики якого описані в наступному розділі.

Атоми вуглецю подорожують через атмосферу, моря, надра, рослини і будь-які види тварин. Його велика хімічна різноманітність обумовлена ​​високою стабільністю її ланок і тим, як вони упорядковані в просторі. Таким чином, він має, з одного боку, гладкий і мастильний графіт; а з іншого - алмаз, твердість якого перевершує твердість багатьох матеріалів.

Якби атом вуглецю не мав тих якостей, що характеризують його, органічна хімія не існувала б повністю. Деякі провидці бачать у ній нові матеріали майбутнього, через розробку та функціоналізацію його аллотропних структур (вуглецеві нанотрубки, графен, фулерени і т.д.).

Індекс

• 1 Характеристика атома вуглецю
• 2 Структура
• 3 Гібридизація
  • 3.1 sp3
  • 3.2 sp2 і sp
• 4 Класифікація
  • 4.1 Первинний
  • 4.2 Вторинна
  • 4.3 Третин
  • 4.4
• 5 Використання
  • 5.1 Атомна одиниця маси
  • 5.2 Цикл і термін служби вуглецю
  • 5.3 13С ЯМР-спектроскопія
• 6 Посилання

Характеристики атома вуглецю

Атом вуглецю символізується буквою C. Його атомний номер Z дорівнює 6, отже, він має шість протонів (червоні кола з символом "+" в ядрі). Крім того, він має шість нейтронів (жовті кола з літерою "N") і, нарешті, шість електронів (сині зірки).

Сума мас їх атомних частинок дає середнє значення 12.0107 u. Однак атом на зображенні відповідає 12-вуглецевому ізотопу (¹²C), що складається з d. Інші ізотопи, такі як ¹³С і ¹⁴C, менш рясні, змінюються тільки за кількістю нейтронів.

Отже, якщо ви намалюєте ці ізотопи ¹³C буде мати додаткове жовте коло, і ¹⁴С, ще два. Це логічно означає, що вони є більш важкими атомами вуглецю.

На додаток до цього, які інші характеристики можна згадати в цьому відношенні? Він чотиривалентний, тобто він може утворювати чотири ковалентні зв'язки. Він розташований в групі 14 (ПДВ) періодичної таблиці, більш конкретно в блоці p.

Він також є дуже універсальним атомом, здатним зв'язуватися практично з усіма елементами періодичної таблиці; особливо з самим собою, утворюючи макромолекули і лінійні, розгалужені і пластинчасті полімери.

Структура

Яка структура атома вуглецю? Щоб відповісти на це питання, спочатку потрібно перейти до електронної конфігурації: 1s²2s²2p² або [He] 2s²2p².

Тому існують три орбіталі: 1s², 2s² і 2p², кожен з двома електронами. Це також можна побачити на зображенні вище: три кільця з двома електронами (сині зірки) кожна (не плутайте кільця орбітами: вони орбітальні).

Зауважте, однак, що дві зірки мають темний відтінок синього кольору, ніж інші чотири. Чому? Оскільки перші два відповідають внутрішньому шару 1s² або [Він], який не бере безпосередньої участі у формуванні хімічних зв'язків; в той час як електрони у зовнішньому шарі, 2s і 2p, роблять.

S і p орбіталі не мають однакової форми, тому ілюстрований атом не відповідає дійсності; крім великої диспропорції відстані між електронами і ядром, які повинні бути в сотні разів більше.

Тому структура атома вуглецю складається з трьох орбіталей, де електрони «розплавляються» в дифузні електронні хмари. А між ядром і цими електронами є відстань, яка дозволяє нам побачити величезну "порожнечу" всередині атома.

Гібридизація

Раніше згадувалося, що атом вуглецю чотиривалентний. Відповідно до його електронної конфігурації, його 2s електрони спарені, а 2p-електрони непарні:

Залишається наявна p-орбіталь, яка порожня і заповнена додатковим електроном в атомі азоту (2р³).

Згідно з визначенням ковалентного зв'язку, необхідно, щоб кожен атом вносив електрон для його формування; Однак можна помітити, що в базальний стан атома вуглецю, він ледве має два непарних електрони (один в кожній 2p орбіталі). Це означає, що в цьому стані він є двовалентним атомом, і тому він утворює тільки дві зв'язки (-C-)..

Отже, як можливо, що атом вуглецю утворює чотири зв'язки? Для цього необхідно просунути електрон з орбіти 2s до орбіти вищої енергії 2p. Це зроблено, чотири отримані орбіталі вироджується; іншими словами, вони мають однакову енергію або стабільність (зауважте, що вони вирівняні).

Цей процес відомий як гібридизація, і завдяки йому, тепер атом вуглецю має чотири орбітальні sp³ один електрон кожен для формування чотирьох ланок. Це пов'язано з його характеристикою, що є чотиривалентною.

sp³

Коли атом вуглецю володіє sp гібридизацією³, Орієнтуйте його чотири гібридні орбіталі на вершини тетраедра, що є його електронною геометрією.

Таким чином, можна ідентифікувати вуглець sp³ оскільки вона утворює лише чотири прості зв'язку, як у молекулі метану (СН₄). І навколо цього можна спостерігати тетраедричне середовище.

Перекриття sp орбіталей³ вона настільки ефективна і стабільна, що проста C-C зв'язок має ентальпію 345,6 кДж / моль. Це пояснює, чому існують нескінченні вуглецеві структури і незмірна кількість органічних сполук. Крім цього, атоми вуглецю можуть утворювати інші типи зв'язків.

sp² і sp

Атом вуглецю також здатний приймати інші гібридизації, що дозволить їй утворити подвійну або навіть потрійну зв'язок.

У гібридизації², Як видно на зображенні, є три sp орбіталі² вироджена і орбітальна 2p залишається незмінною або "чистою". З трьома sp орбіталями² розділені на 120º, вуглець утворює три ковалентні зв'язки за допомогою електронної геометрії тригональної площини; тоді як з орбітальною 2p, перпендикулярною до трьох інших, вона утворює зв'язок π: -C = C-.

Для випадку гібридизації sp існують дві sp orbitals розділені 180º, так що вони малюють лінійну електронну геометрію. На цей раз вони мають дві чисті 2p орбіталі, перпендикулярні один одному, які дозволяють вуглецю утворювати потрійні зв'язки або дві подвійні зв'язки: -C or C- або ·· C = C = C ·· (центральний вуглець має sp-гібридизацію) ).

Зверніть увагу, що завжди (зазвичай), якщо ви додаєте посилання навколо вуглецю, ви побачите, що число дорівнює чотирьом. Ця інформація є істотною при малюванні структур Льюїса або молекулярних структур. Атом вуглецю, що утворює п'ять зв'язків (= C≡C), теоретично і експериментально неприпустимий.

Класифікація

Як класифікуються атоми вуглецю? Більше, ніж класифікація за внутрішніми характеристиками, вона реально залежить від молекулярного середовища. Тобто, в межах молекули його вуглецеві атоми можуть бути класифіковані згідно з наступним.

Первинна

Первинним вуглецем є той, який пов'язаний тільки з іншим вуглецем. Наприклад, молекула етану, СН₃-CH₃ складається з двох пов'язаних первинних атомів вуглецю. Це сигналізує про закінчення або початок вуглецевого ланцюга.

Вторинна

Це той, який пов'язаний з двома атомами вуглецю. Так, для молекули пропану, СН₃-CH₂-CH₃, атом вуглецю середовища вторинний (метиленова група, -CH₂-).

Третинний

Третинний вуглець відрізняється від інших, оскільки з них виходять гілки головного ланцюга. Наприклад, 2-метилбутан (також званий ізопентан), СН₃-CH(CH₃) -CH₂-CH₃ Він має третинний вуглець, виділений жирним шрифтом.

Четвертинний

І, нарешті, четвертинні вуглеводи, як випливає з назви, пов'язані з чотирма іншими атомами вуглецю. Молекула неопентана, C(CH₃)₄ має четвертинний атом вуглецю.

Використання

Атомна одиниця маси

Середня атомна маса Росії ¹²С використовується як стандартна міра для розрахунку мас інших елементів. Таким чином, водень важить дванадцяту частину цього ізотопу вуглецю, який використовується для визначення того, що відомо як атомна одиниця маси u.

Таким чином, інші атомні маси можна порівняти з іншими ¹²С і ¹H. Наприклад, магній (²⁴Mg) важить приблизно в два рази більше, ніж атом вуглецю, і в 24 рази більше, ніж атом водню.

Вуглецевий цикл і життя

Рослини абсорбують СО₂ в процесі фотосинтезу виділяють кисень в атмосферу і діють як рослинні легені. Коли вони помирають, вони стають деревним вугіллям, яке після горіння випускає CO₂. Одна частина повертається до рослин, але інша закінчується в морських дно, живить багато мікроорганізмів.

Коли мікроорганізми вмирають, що залишилися тверді до його біологічних відкладень розпаду, і після мільйонів років, вона перетворюється на те, що відоме як нафта.

Коли людство використовує цю нафту як альтернативний джерело енергії для спалювання вугілля, вона сприяє вивільненню більшої кількості СО₂ (та інші небажані гази).

З іншого боку, життя використовує атоми вуглецю з найглибших його основ. Це пов'язано зі стабільністю її зв'язків, що дозволяє формувати ланцюги і молекулярні структури, які утворюють макромолекули так само важливі, як ДНК.

ЯМР-спектроскопія ¹³C

The ¹³C, навіть якщо вона знаходиться у значно меншій пропорції, ніж у ¹²C, його достатності достатньо для з'ясування молекулярних структур через вуглець-13 ядерну магнітно-резонансну спектроскопію.

Завдяки цій техніці аналізу можна визначити, які атоми оточують ¹³До яких функціональних груп вони належать. Таким чином, може бути визначений вуглецевий скелет будь-якої органічної сполуки.

Список літератури

1. Грем Соломонс Т.В., Крейг Б. Фріле. Органічна хімія. Аміни (10-е видання.) Wiley Plus.
2. Блейк Д. (4 травня 2018). Чотири характеристики вуглецю. Отримано з: sciencing.com
3. Королівське хімічне товариство. (2018). Вуглець. Взяті з: rsc.org
4. Розуміння еволюції. (s.f.). Подорож атома вуглецю. Отримано з: evolution.berkeley.edu
5. Енциклопедія Британіка. (14 березня 2018). Вуглець. Отримано з: britannica.com
6. Паппас С. (29 вересня 2017 р.). Факти про вуглець. Отримано з: livescience.com