Kulstofatomkarakteristika, struktur, hybridisering

1326
Sherman Hoover
Kulstofatomkarakteristika, struktur, hybridisering

Det kulstofatom det er måske det vigtigste og mest symbolske af alle elementerne, fordi takket være det er livets eksistens mulig. Det omslutter i sig selv ikke kun nogle få elektroner eller en kerne med protoner og neutroner, men også stjernestøv, som ender med at blive inkorporeret og danner levende væsener.

Ligeledes findes kulstofatomer i jordskorpen, skønt de ikke er i overflod, der kan sammenlignes med metalelementer som jern, carbonater, kuldioxid, olie, diamanter, kulhydrater osv., Men de er en del af dets fysiske og kemiske manifestationer.

Kilde: Gabriel Bolívar

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

Kulstofatomer løber gennem atmosfæren, havene, undergrunden, planterne og enhver dyreart. Dens store kemiske mangfoldighed skyldes den høje stabilitet af dens bindinger og den måde, hvorpå de er arrangeret i rummet. Således er der på den ene side blød og smørende grafit; og på den anden side diamanten, hvis hårdhed overgår mange materialers.

Hvis kulstofatomet ikke havde de kvaliteter, der kendetegner det, ville organisk kemi ikke eksistere fuldstændigt. Nogle visionærer ser i det fremtidens nye materialer gennem design og funktionalisering af deres allotropiske strukturer (kulstofnanorør, grafen, fullerener osv.).

Artikelindeks

  • 1 Karakteristika for kulstofatomet
  • 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 Kulstofcyklus og levetid
    • 5.3 13C NMR-spektroskopi
  • 6 Referencer

Karakteristika for kulstofatomet

Kulstofatomet er symboliseret med bogstavet 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 (blå stjerner).

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

Således blev disse isotoper trukket 13C ville have en ekstra gul cirkel, og 14C, to mere. Dette betyder logisk, at de er tungere kulstofatomer..

Ud over dette, hvilke andre egenskaber kan nævnes i denne henseende? Det er tetravalent, dvs. det kan danne fire kovalente bindinger. Det er placeret i gruppe 14 (IVA) i det periodiske system, mere specifikt i blok p.

Det er også et meget alsidigt atom, der er i stand til at binde sig til næsten alle elementerne i det periodiske system. især med sig selv, der danner lineære, forgrenede og laminære makromolekyler og polymerer.

Struktur

Hvad er strukturen i et kulstofatom? For at besvare dette spørgsmål skal du først gå til dets elektroniske konfiguration: 1sto2sto2 sto eller [He] 2sto2 sto.

Derfor er der tre orbitaler: 1'erneto, 2'erneto og 2pto, hver med to elektroner. Dette kan også ses på billedet ovenfor: tre ringe med to elektroner (blå stjerner) hver (tag ikke fejl af ringene for baner: de er orbitaler).

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

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

Derfor består strukturen i kulstofatomet af tre orbitaler, hvor elektroner "smelter" i slørede elektroniske skyer. Og mellem kernen og disse elektroner er der en afstand, der afslører det enorme "vakuum" inde i atomet..

Hybridisering

Det blev tidligere nævnt, at kulstofatomet er firværdigt. Ifølge sin elektroniske konfiguration er dens 2s elektroner parret, og de 2p elektroner ikke parret:

Kilde: Gabriel Bolívar

En p orbital er tilgængelig, som er tom og fyldt med en ekstra elektron på nitrogenatomet (2p3).

Ifølge definitionen af ​​den kovalente binding er det nødvendigt, at hvert atom bidrager med en elektron til dets dannelse; Det kan dog ses, at i basislinjetilstand af kulstofatomet har det kun to ikke-parrede elektroner (en i hver 2p orbital). Dette betyder, at det i denne tilstand er et divalent atom, og derfor danner det kun to bindinger (-C-).

Så hvordan er det muligt for carbonatomet at danne fire bindinger? For at gøre dette skal du promovere en elektron fra 2s-orbital til 2-orbital med højere energi. Dette er gjort, de resulterende fire orbitaler er degenererede; med andre ord, de har samme energi eller stabilitet (bemærk at de er justeret).

Denne proces er kendt som hybridisering, og takket være den har carbonatomet nu fire sp orbitaler3 med en elektron hver til at danne fire bindinger. Dette skyldes dets egenskab ved at være tetravalent.

sp3

Når carbonatomet har en SP-hybridisering3, orienterer sine fire hybridorbitaler til hjørnerne i en tetraeder, hvilket er dens elektroniske geometri.

Man kan således identificere en carbon sp3 fordi det kun danner fire enkle bindinger, som i methanmolekylet (CH4). Og omkring det kan der observeres et tetraedermiljø.

Overlapningen af ​​sp-orbitaler3 det er så effektivt og stabilt, at den enkelte CC-binding har en entalpi på 345,6 kJ / mol. Dette forklarer, hvorfor der er uendelige carbonatstrukturer og et umådeligt antal organiske forbindelser. Ud over dette kan kulstofatomer danne andre typer bindinger.

spto og sp

Kilde: Gabriel Bolívar

Kulstofatomet er også i stand til at vedtage andre hybridiseringer, som gør det muligt at danne en dobbelt eller endda tredobbelt binding.

In sp hybridiseringto, som det ses på billedet, er der tre sp-orbitalerto degenereret, og en 2p orbital forbliver uændret eller "ren". Med de tre sp-orbitalerto 120º fra hinanden danner kulstof tre kovalente bindinger, der tegner en elektronisk geometri i trigonalplanet; mens det med 2p-orbitalen vinkelret på de andre tre danner en π-binding: -C = C-.

I tilfælde af sp-hybridisering er der to sp-orbitaler 180 ° fra hinanden på en sådan måde, at de tegner en lineær elektronisk geometri. Denne gang har de to rene 2p orbitaler, vinkelret på hinanden, som tillader kulstof at danne tredobbelte bindinger eller to dobbeltbindinger: -C≡C- eller ·· C = C = C ·· (det centrale kulstof har sp hybridisering ).

Bemærk, at altid (generelt) hvis bindingerne omkring kulstoffet tilsættes, vil det blive fundet, at antallet er lig med fire. Denne information er vigtig, når man tegner Lewis-strukturer eller molekylære strukturer. Et carbonatom, der danner fem bindinger (= C≡C), kan teoretisk og eksperimentelt afvises.

Klassifikation

Hvordan klassificeres kulstofatomer? Mere end en klassificering efter interne egenskaber, det afhænger faktisk af det molekylære miljø. Det vil sige, inden for et molekyle kan dets carbonatomer klassificeres i henhold til det følgende.

Primær

Et primært kulstof er et, der kun er bundet til et andet kulstof. For eksempel molekylet ethan, CH3-CH3 Den består af to bundne primære kulstoffer. Dette signalerer slutningen eller starten på en kulstofkæde.

Sekundær

Det er et, der er knyttet til to carbonatomer. Således, for propanmolekylet, CH3-CHto-CH3, det midterste carbonatom er sekundært (methylengruppen, -CHto-).

Tertiære

De tertiære kularter adskiller sig fra resten, fordi grene af hovedkæden kommer ud af dem. For eksempel 2-methylbutan (også kaldet isopentan), CH3-CH(CH3) -CHto-CH3 har et tertiært kulstof fremhævet med fed skrift.

Kvartær

Og endelig er kvaternære carbonatomer, som deres navn antyder, forbundet med fire andre kulstofatomer. Neopentanmolekylet, C(CH3)4 har et kvaternært carbonatom.

Ansøgninger

Atommasseenhed

Den gennemsnitlige atommasse af 12C bruges som et standardmål for beregning af masserne af de andre elementer. Således vejer hydrogen en tolvtedel af denne isotop af kulstof, som bruges til at definere, hvad der er kendt som atommasseenhed u.

Således kan de andre atommasser sammenlignes med den for 12C og 1H. For eksempel magnesium (24Mg) vejer cirka det dobbelte af et carbonatom og 24 gange mere end et hydrogenatom.

Kulstofcyklus og liv

Planter absorberer COto i fotosynteseprocessen for at frigive ilt i atmosfæren og fungere som plantelunger. Når de dør, bliver de til trækul, som efter brænding frigiver CO igento. En del vender tilbage til planterne, men en anden ender i havbunden og nærer mange mikroorganismer.

Når mikroorganismerne dør, forbliver det faste stof i dets biologiske nedbrydningssedimenter, og efter millioner af år omdannes det til det, der kaldes olie..

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

På den anden side bruger livet kulstofatomer dybt inde. 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

Det 13C, selvom det er i en meget mindre andel end det for 12C, er dens overflod tilstrækkelig til at belyse molekylære strukturer ved carbon 13 nuklear magnetisk resonansspektroskopi.

Takket være denne analyseteknik er det muligt at bestemme, hvilke atomer der omgiver 13C og 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 egenskaber ved kulstof. Gendannet fra: sciencing.com
  3. Royal Society of Chemistry. (2018). Kul. Hentet fra: rsc.org
  4. Forståelse af evolution. (s.f.). Rejsen af ​​et kulstofatom. Gendannet fra: evolution.berkeley.edu
  5. Encyclopædia Britannica. (14. marts 2018). Kul. Gendannet fra: britannica.com
  6. Pappas S. (29. september 2017). Fakta om kulstof. Gendannet fra: livescience.com

Endnu ingen kommentarer