Plik atom węgla jest chyba najważniejszym i najbardziej emblematycznym ze wszystkich elementów, bo dzięki niemu możliwe jest istnienie życia. Otacza w sobie nie tylko kilka elektronów lub jądro z protonami i neutronami, ale także pył gwiezdny, który ostatecznie 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 częścią jej fizycznych i chemicznych przejawów..
Ale jaki jest atom węgla? Pierwszy niedokładny 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 jest miękki i smarny 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.).
Indeks artykułów
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 (12C), który składa się z d. Inne izotopy, takie jak 13C i 14C, mniej występujące, różnią się tylko liczbą neutronów.
Tak więc, jeśli te izotopy zostały narysowane, plik 13C miałby dodatkowe żółte kółko, a 14C, 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 też atomem bardzo wszechstronnym, zdolnym do wiązania się z prawie wszystkimi pierwiastkami układu okresowego; zwłaszcza ze sobą, tworząc liniowe, rozgałęzione i laminarne makrocząsteczki i polimery.
Jaka jest budowa atomu węgla? Aby odpowiedzieć na to pytanie, najpierw musisz przejść do jego konfiguracji elektronicznej: 1sdwa2sdwa2 Pdwa lub [He] 2sdwa2 Pdwa.
Dlatego istnieją trzy orbitale: jedynkidwa, 2sdwa i 2pdwa, każdy z dwoma elektronami. Można to również zobaczyć na powyższym obrazku: trzy pierścienie z dwoma elektronami (niebieskie gwiazdy) każdy (nie pomyl pierścieni z orbitami: są to orbitale).
Zwróć jednak uwagę, że dwie z gwiazd mają ciemniejszy odcień niebieskiego niż pozostałe cztery. Dlaczego? Ponieważ pierwsze dwa odpowiadają warstwie wewnętrznej 1sdwa albo [He], który nie uczestniczy bezpośrednio w tworzeniu wiązań chemicznych; podczas gdy elektrony zewnętrznej powłoki, 2s i 2p, robią.
Orbitale s i p nie mają tego samego kształtu, więc przedstawiony atom nie jest zgodny z rzeczywistością; w dodatku do dużej dysproporcji 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 zamazane chmury elektronowe. A między jądrem a tymi elektronami jest odległość, która ujawnia ogromną „próżnię” wewnątrz atomu..
Wspomniano wcześniej, że atom węgla jest czterowartościowy. Zgodnie z jego konfiguracją elektroniczną, jego 2s elektrony są sparowane, a 2p elektrony niesparowane:
Dostępny jest jeden orbital p, który jest pusty i wypełniony dodatkowym elektronem na atomie azotu (2p3).
Zgodnie z definicją wiązania kowalencyjnego konieczne jest, aby każdy atom wnosił elektron do jego powstania; jednak widać, że w stan bazowy atomu 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-).
Więc jak to możliwe, że atom węgla utworzył 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 zdegenerowany; innymi słowy, mają tę samą energię lub stabilność (zwróć uwagę, że są wyrównane).
Ten proces jest znany jako hybrydyzacja i dzięki temu atom węgla ma teraz cztery orbitale sp3 z jednym elektronem w celu utworzenia czterech wiązań. Wynika to z jego właściwości czterowartościowej.
Kiedy atom węgla ma hybrydyzację sp3, kieruje swoje cztery orbitale hybrydowe do wierzchołków czworościanu, który jest jego geometrią elektroniczną.
W ten sposób można zidentyfikować węgiel sp3 ponieważ tworzy tylko cztery proste wiązania, jak w cząsteczce metanu (CH4). A wokół niego można zaobserwować czworościenne środowisko.
Nakładanie się orbitali sp3 jest tak skuteczny i stabilny, że pojedyncze wiązanie C-C ma entalpię 345,6 kJ / mol. To wyjaśnia, dlaczego istnieją nieskończone struktury węglanowe i niezmierzona liczba związków organicznych. Oprócz tego atomy węgla mogą tworzyć inne typy wiązań.
Atom węgla jest również zdolny do przyjmowania innych hybrydyzacji, które pozwolą mu na utworzenie podwójnego lub nawet potrójnego wiązania.
W hybrydyzacji spdwa, jak widać na obrazku, istnieją trzy orbitale spdwa zdegenerowany, a orbital 2p pozostaje niezmieniony lub „czysty”. Z trzema orbitaliami spdwa 120 ° od siebie węgiel tworzy trzy wiązania kowalencyjne, rysując 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 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.
Jak klasyfikowane są atomy węgla? To więcej niż klasyfikacja według cech wewnętrznych, w rzeczywistości zależy od środowiska molekularnego. Oznacza to, że w cząsteczce jej atomy węgla można sklasyfikować w następujący sposób.
Węgiel pierwotny to taki, który jest związany tylko z jednym innym węglem. Na przykład cząsteczka etanu, CH3-CH3 Składa się z dwóch wiązanych pierwotnych węgli. To sygnalizuje koniec lub początek łańcucha węglowego.
Jest to taki, który jest powiązany z dwoma atomami węgla. Zatem w przypadku cząsteczki propanu CH3-CHdwa-CH3, środkowy atom węgla jest drugorzędowy (grupa metylenowa, -CHdwa-).
Trzeciorzędowe węgle różnią się od pozostałych, ponieważ wychodzą z nich gałęzie głównego łańcucha. Na przykład 2-metylobutan (zwany także izopentanem), CH3-CH(CH3) -CHdwa-CH3 ma trzeciorzędowy węgiel wyróżniony pogrubioną czcionką.
I wreszcie, czwartorzędowe węgle, jak sugeruje ich nazwa, są połączone z czterema innymi atomami węgla. Cząsteczka neopentanu, do(CH3)4 posiada czwartorzędowy atom węgla.
Średnia masa atomowa 12C jest używana jako standardowa miara do obliczania mas innych pierwiastków. Zatem wodór waży jedną dwunastą tego izotopu węgla, który służy do określenia tego, co jest znane jako jednostka masy atomowej u.
W ten sposób inne masy atomowe można porównać z masami 12C i 1H. Na przykład magnez (24Mg) waży około dwa razy więcej niż atom węgla i 24 razy więcej niż atom wodoru.
Rośliny pochłaniają COdwa w procesie fotosyntezy, aby uwolnić tlen do atmosfery i działać jak płuca roślin. Kiedy umierają, zamieniają się w węgiel drzewny, który po spaleniu ponownie uwalnia COdwa. Jedna część wraca do roślin, ale inna trafia do dna morskiego, odżywiając wiele mikroorganizmów.
Kiedy mikroorganizmy giną, ciało stałe pozostające w osadach rozkładu biologicznego, a po milionach lat zostaje przekształcone w tak zwany olej..
Kiedy ludzkość wykorzystuje tę ropę jako alternatywne źródło energii do spalania węgla, przyczynia się to do uwalniania większej ilości COdwa (i inne niepożądane gazy).
Z drugiej strony życie wykorzystuje atomy węgla z głębi. Wynika to ze stabilności jego wiązań, co pozwala mu tworzyć łańcuchy i struktury molekularne, które tworzą makrocząsteczki tak ważne jak DNA..
Plik 13C, chociaż jest w znacznie mniejszym stosunku niż w przypadku 12C, jego obfitość jest wystarczająca do wyjaśnienia struktur molekularnych za pomocą spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego węgla 13.
Dzięki tej technice analizy możliwe jest określenie, które atomy otaczają 13C i do jakich grup funkcyjnych należą. W ten sposób można określić szkielet węglowy dowolnego związku organicznego..
Jeszcze bez komentarzy