Ciri-ciri atom karbon, struktur, hibridisasi, klasifikasi

The atom karbon Ia mungkin yang paling penting dan lambang dari semua elemen, kerana terima kasih kepada kewujudan kehidupan itu mungkin. Ia melekat bukan sahaja beberapa elektron, atau nukleus dengan proton dan neutron, tetapi juga habuk bintang, yang akhirnya dibentuk dan membentuk makhluk hidup.

Juga, atom karbon berada di dalam kerak bumi walaupun tidak setanding elemen banyak logam seperti besi, karbonat, karbon dioksida, minyak, berlian, karbohidrat, dan lain-lain, adalah sebahagian daripada manifestasi fizikal dan kimia.

Tetapi bagaimana atom karbon? Lakaran pertama yang tidak tepat adalah yang diperhatikan dalam imej di atas, yang ciri-cirinya diterangkan dalam bahagian yang berikut.

Atom karbon bergerak melalui atmosfer, lautan, tanah bawah, tumbuh-tumbuhan dan sebarang spesies haiwan. Kepelbagaian kimianya yang hebat adalah kerana kestabilannya yang tinggi dan bagaimana ia diperintahkan dalam ruang. Oleh itu, ia mempunyai satu grafit licin dan pelincir; dan pada yang lain, berlian, yang kekerasan melampaui banyak bahan.

Sekiranya atom karbon tidak mempunyai sifat yang mencirikannya, kimia organik tidak akan wujud sepenuhnya. Beberapa penglihatan melihatnya bahan-bahan baru masa depan, melalui reka bentuk dan fungsian struktur allotropic (nanotube karbon, graphene, fullerenes, dan lain-lain).

Indeks

• 1 Ciri-ciri atom karbon
• 2 Struktur
• 3 Hibridisasi
  • 3.1 sp3
  • 3.2 sp2 dan sp
• 4 Klasifikasi
  • 4.1 Primer
  • 4.2 Menengah
  • 4.3 Terserti
  • 4.4 Quaternary
• 5 Kegunaan
  • 5.1 Unit jisim atom
  • 5.2 Kitaran karbon dan kehidupan
  • 5.3 Spektroskopi 13C NMR
• 6 Rujukan

Ciri-ciri atom karbon

Atom karbon dilambangkan dengan huruf C. Nombor atomnya Z ialah 6, oleh itu, ia mempunyai enam proton (lingkaran merah dengan simbol "+" dalam nukleus). Di samping itu, ia mempunyai enam neutron (bulatan kuning dengan huruf "N") dan akhirnya enam elektron (bintang biru).

Jumlah massa zarah atom mereka memberikan nilai purata 12.0107 u. Walau bagaimanapun, atom dalam imej sepadan dengan isotop 12-karbon (¹²C), yang terdiri daripada d. Isotop lain, seperti ¹³C dan ¹⁴C, kurang melimpah, hanya bervariasi dalam jumlah neutron.

Jadi, jika anda menarik isotop ini ¹³C akan mempunyai bulatan kuning tambahan, dan ¹⁴C, dua lagi. Ini secara logik bermakna bahawa ia adalah atom karbon yang lebih berat.

Di samping itu, apa ciri-ciri lain yang boleh disebut dalam hal ini? Ia adalah tetravalent, iaitu, ia boleh membentuk empat ikatan kovalen. Ia terletak dalam kumpulan 14 (VAT) jadual berkala, lebih khusus di blok p.

Ia juga adalah atom yang sangat serba boleh, dapat menghubungkan dengan hampir semua elemen jadual berkala; terutamanya dengan sendirinya, membentuk makromolekul dan polimer bercabang, bercabang dan lamela.

Struktur

Apakah struktur atom karbon? Untuk menjawab soalan ini, pertama anda mesti pergi ke konfigurasi elektronik anda: 1s²2s²2p² atau [Dia] 2s²2p².

Oleh itu, terdapat tiga orbital: 1s², 2s² dan 2p², masing-masing mempunyai dua elektron. Ini juga boleh dilihat dalam gambar di atas: tiga cincin dengan dua elektron (bintang biru) masing-masing (jangan mengelirukan cincin oleh orbit: mereka adalah orbit).

Walau bagaimanapun, perhatikan bahawa dua bintang mempunyai warna biru lebih gelap daripada empat yang lain. Mengapa? Kerana dua pertama sepadan dengan lapisan 1s dalam² atau [Dia], yang tidak terlibat langsung dalam pembentukan ikatan kimia; manakala elektron di lapisan luar, 2s dan 2p, lakukan.

Orbital s dan p tidak mempunyai bentuk yang sama, jadi atom yang digambarkan tidak mengikut realiti; sebagai tambahan kepada ketidaksepakatan yang besar jarak antara elektron dan nukleus, yang sepatutnya beratus kali lebih besar.

Oleh itu, struktur atom karbon terdiri daripada tiga orbital di mana elektron "meleleh" ke dalam awan elektronik yang tersebar. Dan di antara nukleus dan elektron ini terdapat jarak yang membolehkan kita melihat "kekosongan" yang sangat besar di dalam atom.

Hibridisasi

Telah disebutkan sebelumnya bahawa atom karbon adalah tetravalen. Menurut konfigurasi elektroniknya, elektron 2s dipasangkan dan elektron 2p tidak berpasangan:

Masih ada orbital p yang tersedia, yang kosong dan dipenuhi dengan elektron tambahan dalam atom nitrogen (2p³).

Menurut takrif ikatan kovalen, setiap atom menyumbang elektron untuk pembentukannya; Walau bagaimanapun, ia boleh diperhatikan bahawa dalam keadaan basal daripada atom karbon, ia hampir tidak mempunyai dua elektron yang tidak berpasangan (satu dalam setiap orbit 2p). Ini bermakna bahawa dalam keadaan ini ia adalah atom divalen, dan oleh itu, ia membentuk hanya dua ikatan (-C-).

Jadi, bagaimana mungkin atom karbon membentuk empat ikatan? Untuk melakukan ini, anda mesti mempromosikan elektron dari orbit 2 ke orbit 2p tenaga yang lebih tinggi. Ini dilakukan, empat orbital yang dihasilkan adalah merosot; dalam erti kata lain, mereka mempunyai tenaga atau kestabilan yang sama (perhatikan bahawa mereka sejajar).

Proses ini dikenali sebagai hibridisasi, dan terima kasih, sekarang atom karbon mempunyai empat sp orbital³ dengan satu elektron masing-masing untuk membentuk empat pautan. Ini disebabkan sifatnya sebagai tetravalen.

sp³

Apabila atom karbon mempunyai hibridisasi sp³, Orient keempat orbital hibridnya ke simpang tetrahedron, yang merupakan geometri elektroniknya.

Oleh itu, anda boleh mengenal pasti sp karbon³ kerana ia hanya membentuk empat ikatan mudah, seperti dalam molekul metana (CH₄). Dan di sekelilingnya kita dapat melihat persekitaran tetrahedral.

Tumpuan sp orbital³ ia sangat berkesan dan stabil bahawa bon C-C mudah mempunyai entalpi 345.6 kJ / mol. Ini menjelaskan mengapa terdapat struktur karbon yang tidak berkesudahan dan sebilangan besar sebatian organik. Di samping itu, atom-atom karbon boleh membentuk jenis-jenis bon lain.

sp² dan sp

Atom karbon juga mampu mengadaptasi hibridisasi lain, yang akan membolehkannya membentuk ikatan rangkap dua atau bahkan tiga.

Dalam hibridisasi sp², Seperti yang dilihat dalam imej, terdapat tiga orbital sp² degenerasi dan orbit 2p kekal tidak berubah atau "tulen". Dengan tiga orbital sp² dipisahkan 120º, karbon membentuk tiga ikatan kovalen dengan melukis geometri elektronik satah trigonal; manakala dengan orbit 2p, serenjang dengan tiga yang lain, ia membentuk ikatan π: -C = C-.

Dalam kes sp penghibridan, sp orbit dua 180 ° selain, supaya menarik geometri elektron linear. Kali ini, mempunyai dua tulen 2p orbital serenjang antara satu sama lain, yang membolehkan bentuk karbon bon tiga atau dua ikatan kembar: atau -C≡C- ·· C = C = C ·· (karbon pusat telah sp hybridized ).

Perhatikan bahawa selalu (biasanya) jika anda menambah pautan di sekeliling karbon, anda akan mendapati nombor itu bersamaan dengan empat. Maklumat ini penting apabila menarik struktur Lewis atau struktur molekul. Atom karbon yang membentuk lima ikatan (= C≡C) secara teoritis dan eksperimen tidak dapat diterima.

Pengkelasan

Bagaimana atom karbon dikelaskan? Lebih daripada klasifikasi dengan ciri-ciri dalaman, ia bergantung kepada realiti pada persekitaran molekul. Maksudnya, bahawa dalam molekul atom karbonnya boleh dikelaskan mengikut yang berikut.

Utama

Satu karbon utama adalah satu yang hanya dikaitkan dengan karbon lain. Sebagai contoh, molekul etana, CH₃-CH₃ terdiri daripada dua karbon utama terikat. Ini menandakan akhir atau permulaan rantai karbon.

Sekunder

Ia adalah satu yang dikaitkan dengan dua karbon. Oleh itu, untuk molekul propana, CH₃-CH₂-CH₃, atom karbon sederhana adalah sekunder (kumpulan metilena, -CH₂-).

Tertiari

Karbon tersier berbeza daripada selebihnya kerana dari mereka muncul cabang dari rantai utama. Sebagai contoh, 2-metilbutane (juga dipanggil isopentana), CH₃-CH(CH₃) -CH₂-CH₃ Ia mempunyai karbon tertiari yang ditonjolkan berani.

Quaternary

Dan akhirnya, karbonan kuarum, seperti namanya, dikaitkan dengan empat atom karbon lain. Molekul neopentana, C(CH₃)₄ mempunyai atom karbon kuarum.

Kegunaan

Unit jisim atom

Jisim atom purata ¹²C digunakan sebagai ukuran standard untuk pengiraan massa unsur-unsur lain. Oleh itu, hidrogen menimbang kedua belas isotop karbon ini, yang digunakan untuk menentukan apa yang dikenali sebagai unit jisim atom u.

Oleh itu, jisim atom lain boleh dibandingkan dengan ¹²C dan ¹H. Sebagai contoh, magnesium (²⁴Mg) seberat dua kali lebih banyak daripada atom karbon, dan 24 kali lebih banyak daripada atom hidrogen.

Kitaran karbon dan kehidupan

Tumbuhan menyerap CO₂ dalam proses fotosintesis untuk melepaskan oksigen ke atmosfera dan bertindak sebagai paru tumbuhan. Apabila mereka mati, mereka menjadi arang, yang selepas membakar, mengeluarkan CO₂. Satu bahagian kembali ke tumbuh-tumbuhan, tetapi satu lagi berakhir di katil laut, banyak mikroorganisma berkhasiat.

Apabila mikroorganisma mati, sisa pepejal kepada sedimen penguraian biologi, dan selepas berjuta-juta tahun, ia berubah menjadi apa yang dikenali sebagai minyak.

Apabila manusia menggunakan minyak ini sebagai sumber tenaga alternatif kepada pembakaran arang batu, ia menyumbang kepada pembebasan lebih banyak CO₂ (dan lain-lain gas yang tidak diingini).

Sebaliknya, kehidupan menggunakan atom karbon dari asasnya yang terdalam. Ini disebabkan oleh kestabilan ikatannya, yang membolehkan ia membentuk rantai dan struktur molekul yang membentuk makromolekul sama pentingnya dengan DNA.

Spektroskopi NMR ¹³C

The ¹³C, walaupun dalam bahagian yang lebih kecil berbanding dengan ¹²C, kelimpahannya mencukupi untuk menjelaskan struktur molekul melalui spektroskopi resonans magnetik karbon-13.

Terima kasih kepada teknik analisis ini, dapat ditentukan atom mana yang mengelilinginya ¹³C dan kumpulan fungsian yang mereka ada. Oleh itu, rangka karbon dari mana-mana sebatian organik boleh ditentukan.

Rujukan

1. Graham Solomons T.W, Craig B. Fryhle. Kimia Organik. Amines (Edisi ke-10.) Wiley Plus.
2. Blake D. (4 Mei 2018). Empat Ciri Karbon. Diperolehi daripada: sciencing.com
3. Royal Society of Chemistry. (2018). Karbon. Diambil dari: rsc.org
4. Memahami Evolusi. (s.f.). Perjalanan atom karbon. Diperolehi daripada: evolution.berkeley.edu
5. Encyclopædia Britannica. (14 Mac, 2018). Karbon. Diperolehi daripada: britannica.com
6. Pappas S. (29 September 2017). Fakta Mengenai Karbon. Diperolehi daripada: livescience.com