KARBONATOM: EGENSKAPER, STRUKTUR, HYBRIDISERING - KJEMI - 2025

Den karbonatom er kanskje den viktigste og mest illustrerende for alle elementene, fordi takket være det eksistensen av liv er mulig. Den omslutter i seg selv ikke bare noen få elektroner, eller en kjerne med protoner og nøytroner, men også stjernestøv, som ender opp med å innlemme og danner levende vesener.

På samme måte finnes karbonatomer i jordskorpen, selv om de ikke er i en overflod som kan sammenlignes med metalliske elementer som jern, karbonater, karbondioksid, olje, diamanter, karbohydrater, etc., de er en del av dets fysiske og kjemiske manifestasjoner.

Kilde: Gabriel Bolívar

Men hvordan er karbonatomet? En unøyaktig første skisse er den som er vist på bildet over, hvis egenskaper er beskrevet i neste avsnitt.

Karbonatomer renner gjennom atmosfæren, havene, undergrunnen, planter og alle dyrearter. Det store kjemiske mangfoldet skyldes den høye stabiliteten i bindingen og måten de er plassert på i rommet. Dermed har du på den ene siden den glatte og smørende grafitten; og på den andre diamant, hvis hardhet overgår mange materialer.

Hvis karbonatomet ikke hadde de egenskapene som kjennetegner det, ville organisk kjemi ikke eksistert fullstendig. Noen visjonære ser på fremtidens nye materialer gjennom design og funksjonalisering av deres allotropiske strukturer (karbon nanorør, grafen, fullerener, etc.).

Kjennetegn på karbonatom

Karbonatomet er symbolisert med bokstaven C. Atomnummeret Z er 6, derfor har det seks protoner (røde sirkler med symbolet "+" i kjernen). I tillegg har den seks nøytroner (gule sirkler med bokstaven "N") og til slutt seks elektroner (blå stjerner).

Summen av massene av atompartiklene gir en gjennomsnittsverdi på 12,0107 u. Atomet i bildet tilsvarer imidlertid karbon 12 ( ¹² C) isotop , som består av d. Andre isotoper, for eksempel ¹³ C og ¹⁴ C, mindre rikelig, varierer bare i antall nøytroner.

Således, hvis disse isotoper ble trukket, ville ¹³ C ha en ekstra gul sirkel, og ¹⁴ C ville ha to til. Dette betyr logisk at de er tyngre karbonatomer.

I tillegg til dette, hvilke andre kjennetegn kan nevnes i denne forbindelse? Det er tetravalent, det vil si at det kan danne fire kovalente bindinger. Den er lokalisert i gruppe 14 (IVA) i det periodiske systemet, nærmere bestemt i blokk p.

Det er også et veldig allsidig atom, som er i stand til å binde seg til nesten alle elementene i det periodiske systemet; spesielt med seg selv, og danner lineære, forgrenede og laminære makromolekyler og polymerer.

Struktur

Hva er strukturen til et karbonatom? For å svare på dette spørsmålet, må du først gå til den elektroniske konfigurasjonen: 1s ² 2s ² 2p ² eller 2s ² 2p ² .

Derfor er det tre orbitaler: 1s ² , 2s ² og 2p ² , hver med to elektroner. Dette kan også sees på bildet over: tre ringer med to elektroner (blå stjerner) hver (ikke ta feil av ringene for baner: de er orbitaler).

Vær imidlertid oppmerksom på at to av stjernene har en mørkere nyanse av blå enn de fire gjenværende. Hvorfor? Fordi de to første tilsvarer det indre laget 1s ² o, som ikke deltar direkte i dannelsen av kjemiske bindinger; mens elektronene i det ytre skallet, 2s og 2p, gjør det.

S og p-orbitalene har ikke samme form, så det illustrerte atomet stemmer ikke overens med virkeligheten; i tillegg til den store uforholdsmessige avstanden mellom elektronene og kjernen, som burde være hundrevis av ganger større.

Derfor består strukturen til karbonatomet av tre orbitaler der elektroner "smelter" til uskarpe elektroniske skyer. Og mellom kjernen og disse elektronene er det en avstand som avslører det enorme "tomrommet" inne i atomet.

hybridisering

Det ble nevnt tidligere at karbonatomet er tetravalent. I henhold til den elektroniske konfigurasjonen er de to sekundære elektronene sammenkoblet og 2p parret:

Kilde: Gabriel Bolívar

Det er en tilgjengelig p orbital, som er tom og fylt med et ekstra elektron ved nitrogenatomet (2p ³ ).

I henhold til definisjonen av den kovalente bindingen er det nødvendig at hvert atom bidrar med et elektron for dens dannelse; Imidlertid kan det sees at det i karbonatomens grunntilstand bare har to uparmerte elektroner (en i hver 2p-bane). Dette betyr at i denne tilstanden er det et toverdig atom, og derfor danner det bare to bindinger (–C–).

Så hvordan er det mulig for karbonatomet å danne fire bindinger? For å gjøre dette, må du promotere et elektron fra 2s orbital til 2p orbital med høyere energi. Dette gjort, de resulterende fire orbitalene er degenererte; med andre ord, de har samme energi eller stabilitet (merk at de er på linje).

Denne prosessen er kjent som hybridisering, og takket være den har karbonatomet nå fire sp ³ orbitaler med ett elektron hver for å danne fire bindinger. Dette skyldes at det er kjennetegn ved å være tetravalent.

sp

Når karbonatomet har en sp ^3- hybridisering , orienterer det de fire hybridbunnene til vertikatene til et tetraeder, som er dens elektroniske geometri.

Således, en sp ³ kan karbon tilsettes identifiseres fordi det bare danner fire enkle bindinger, som i molekylet metan (CH ₄ ). Og rundt dette kan et tetraederisk miljø observeres.

Overlappingen av sp ^3- orbitalene er så effektiv og stabil at enkeltbinding CC har en entalpi på 345,6 kJ / mol. Dette forklarer hvorfor det er uendelige karbonatstrukturer og et uendelig antall organiske forbindelser. Foruten dette kan karbonatomer danne andre typer bindinger.

sp

Kilde: Gabriel Bolívar

Karbonatomet er også i stand til å ta i bruk andre hybridiseringer, som vil tillate det å danne en dobbelt- eller til og med trippelbinding.

Ved sp ^2- hybridisering , som det er vist på bildet, er det tre degenererte sp ^2- orbitaler, og en 2p-bane forblir uendret eller "ren". Med de tre sp ^2- orbitalene 120º fra hverandre, danner karbonet tre kovalente bindinger som tegner en trigonalplan elektronisk geometri; mens den med 2p-bane, vinkelrett på de tre andre, danner en π-binding: –C = C–.

Når det gjelder sp-hybridisering, er det to sp-orbitaler som er 180º fra hverandre, på en slik måte at de tegner en lineær elektronisk geometri. Denne gangen har de to rene 2p orbitaler, vinkelrett på hverandre, som lar karbonet danne trippelbindinger eller to dobbeltbindinger: –C≡C– eller ·· C = C = C ·· (det sentrale karbonet har sp hybridisering ).

Merk at alltid (generelt) hvis bindingene rundt karbonet blir lagt til, vil det bli funnet at tallet er lik fire. Denne informasjonen er viktig når du tegner Lewis-strukturer eller molekylstrukturer. Et karbonatom som danner fem bindinger (= C≡C) er teoretisk og eksperimentelt utilgjengelig.

Klassifisering

Hvordan klassifiseres karbonatomer? Mer enn en klassifisering etter interne egenskaper, avhenger det faktisk av molekylmiljøet. Det vil si at i et molekyl kan karbonatomer klassifiseres i henhold til følgende.

Hoved

Et primært karbon er et som bare er bundet til ett annet karbon. For eksempel, etan molekylet, CH ₃ -CH ₃ består av to sammenføyde primære karbonatomer. Dette signaliserer slutten eller begynnelsen av en karbonkjede.

sekundær

Det er en som er knyttet til to karbon. Dermed, for propan molekylet, CH ₃ - CH ₂ CH ₃ , den midterste karbonatom er sekundært (metylengruppen, -CH ₂ -).

tertiær

De tertiære kullene skiller seg fra resten fordi grener av hovedkjeden kommer ut fra dem. For eksempel, 2-metylbutan (også kalt isopentan), CH ₃ - CH (CH ₃ ) CH ₂ CH ₃ har et tertiært karbon uthevet med fet skrift.

kvartær

Og til slutt er kvartære karbonatomer, som navnet tilsier, knyttet til fire andre karbonatomer. Den neopentan molekylet, C (CH ₃ ) _4, har et kvartært karbonatom.

applikasjoner

Atomen masseenhet

Den gjennomsnittlige atommassen på ¹² C brukes som et standardmål for å beregne massene til de andre elementene. Dermed veier hydrogen en tolvdeledel av denne isotopen av karbon, som brukes til å definere det som er kjent som atomenmassenheten u.

Således kan de andre atommassene sammenlignes med den på ¹² ° C og ¹ H. For eksempel veier magnesium ( ²⁴ mg) omtrent det dobbelte av et karbonatom, og 24 ganger mer enn et hydrogenatom.

Karbonsyklus og liv

Planter absorberer CO ₂ i fotosynteseprosessen for å frigjøre oksygen i atmosfæren og fungere som plantelunger. Når de dør, blir de kull, som etter brenning frigjør CO _{2 igjen} . Den ene delen kommer tilbake til plantene, men en annen havner i havbunnene og gir næring til mange mikroorganismer.

Når mikroorganismer dør, blir det faste stoffet igjen i dets biologiske nedbrytningssedimenter, og etter millioner av år blir det omdannet til det som kalles olje.

Når menneskeheten bruker denne oljen som en alternativ energikilde for å brenne kull, bidrar den til frigjøring av mer CO ₂ (og andre uønskede gasser).

På den annen side bruker livet karbonatomer helt fra bunnen. Dette skyldes stabiliteten i dens bindinger, som gjør at den kan danne kjeder og molekylære strukturer som utgjør makromolekyler som er like viktige som DNA.

NMR-spektroskopi

Den ¹³ C, selv om det er ved en mye lavere andel av ¹² C, er tilstrekkelig til å klargjøre molekylstrukturer ved kjernemagnetisk resonansspektroskopi karbon 13 deres overflod.

Takket være denne analyseteknikken er det mulig å bestemme hvilke atomer omgir ¹³ C og hvilke funksjonelle grupper som de tilhører. Dermed kan karbonskjelettet til en hvilken som helst organisk forbindelse bestemmes.

referanser

1. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. Organisk kjemi. Aminer. (10. utgave.) Wiley Plus.
2. Blake D. (4. mai 2018). Fire kjennetegn på karbon. Gjenopprettet fra: sciencing.com
3. Royal Society of Chemistry. (2018). Kull. Hentet fra: rsc.org
4. Forstå evolusjon. (SF). Reise av et karbonatom. Gjenopprettet fra: evolution.berkeley.edu
5. Encyclopædia Britannica. (14. mars 2018). Kull. Gjenopprettet fra: britannica.com
6. Pappas S. (29. september 2017). Fakta om karbon. Gjenopprettet fra: livescience.com