CARBONATOM: KARAKTERISTIKA, STRUKTUR, HYBRIDISERING - KEMI - 2025

Den carbonatom er måske den vigtigste og symbolsk for alle de elementer, for takket være det eksistensen af liv er mulig. Det omslutter i sig selv ikke kun et par elektroner eller en kerne med protoner og neutroner, men også stjernestøv, som ender med at blive integreret og danner levende væsener.

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

Kilde: Gabriel Bolívar

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

Kulstofatomer løber gennem atmosfæren, havene, undergrunden, planter og enhver dyreart. Dens store kemiske mangfoldighed skyldes den høje stabilitet af dens bindinger og den måde, hvorpå de er arrangeret i rummet. Således har du på den ene side den glatte og smørende grafit; og på den anden side diamant, hvis hårdhed overgår mange materialer.

Hvis carbonatomet ikke havde de kvaliteter, der kendetegner det, ville organisk kemi ikke eksistere fuldstændigt. Nogle visionærer ser det i fremtidens nye materialer gennem design og funktionalisering af deres allotropiske strukturer (carbon nanotubes, graphene, fullerenes, etc.).

Karakteristika for carbonatomet

Kulstofatomet symboliseres 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 til sidst seks elektroner (blå stjerner).

Summen af ​​masserne af dets atompartikler giver en gennemsnitlig værdi på 12,0107 u. Atomet i billedet svarer dog til carbon 12 (¹² C) isotop, der består af d. Andre isotoper, såsom ¹³ ° C og ¹⁴ ° C, der er mindre rigelige, varierer kun i antallet af neutroner.

Hvis disse isotoper blev trukket, ville ¹³ C således have en yderligere gul cirkel, og ¹⁴ C ville have to til. Dette betyder logisk, at de er tungere kulstofatomer.

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

Det er også et meget alsidig 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 carbonatom? For at besvare dette spørgsmål skal du først gå til dets elektroniske konfiguration: 1s ² 2s ² 2p ² eller 2s ² 2p ².

Derfor er der tre orbitaler: 1s ², 2s ² og 2p ², hver med to elektroner. Dette kan også ses på billedet ovenfor: tre ringe med to elektroner (blå stjerner) hver (ikke tag ringene i orden: de er orbitale).

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

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

Derfor består carbonatomsstrukturen af ​​tre orbitaler, hvor elektroner "smelter" til uskarpe elektroniske skyer. Og mellem kernen og disse elektroner er der en afstand, der afslører det enorme "tomrum" inde i atomet.

Hybridisering

Det blev nævnt tidligere, at carbonatomet er tetravalent. I henhold til dets elektroniske konfiguration er dets 2'ers elektroner parret og 2p parret:

Kilde: Gabriel Bolívar

Der er en tilgængelig p orbital, som er tom og fyldt med en ekstra elektron ved nitrogenatomet (2p ³).

I henhold til definitionen af ​​den kovalente binding er det nødvendigt, at hvert atom bidrager med et elektron til dets dannelse; det kan imidlertid ses, at det i kulstofatomens jordtilstand kun har to uparrede 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 et elektron fra 2s-orbital til orbital med højere energi. Dette gjort, de resulterende fire orbitaler er degenererede; med andre ord, de har den samme energi eller stabilitet (bemærk, at de er på linje).

Denne proces er kendt som hybridisering, og takket være den har carbonatomet nu fire sp ³ orbitaler med en elektron hver til dannelse af fire bindinger. Dette skyldes dets karakteristik at være tetravalent.

sp

Når carbonatomet har en sp ^3- hybridisering, orienterer det sine fire hybridbaner til vertikerne på en tetrahedron, som er dens elektroniske geometri.

Således en sp ³ kan carbon identificeres, fordi den kun danner fire enkle bindinger, som i methan molekyle (CH ₄). Og omkring dette kan der observeres et tetraedralt miljø.

Overlapningen af ​​sp ^3- orbitaler er så effektiv og stabil, at enkeltbinding CC har en entalpi på 345,6 kJ / mol. Dette forklarer, hvorfor der er uendelige karbonatstrukturer og et umådeligt antal organiske forbindelser. Derudover kan carbonatomer danne andre typer bindinger.

sp

Kilde: Gabriel Bolívar

Kulstofatomet er også i stand til at anvende andre hybridiseringer, som tillader det at danne en dobbelt- eller endda tredobbelt binding.

I sp ² hybridisering, som ses på billedet, er der tre degenererede sp ² orbitaler og en 2p orbitale rester uændrede eller "rene". Med de tre sp ² orbitaler, der er 120 ° fra hinanden, danner kulstof tre kovalente bindinger, der tegner en trigonalplan elektronisk geometri; mens den med 2p-orbitalen, vinkelret på de andre tre, danner en π-binding: –C = C–.

I tilfælde af sp-hybridisering er der to sp-orbitaler, der er 180 ° fra hinanden, så de tegner en lineær elektronisk geometri. Denne gang har de to rene 2p orbitaler, vinkelret på hinanden, som gør det muligt for carbonet at danne tredobbeltbindinger eller to dobbeltbindinger: –C≡C– eller ·· C = C = C ·· (det centrale kulstof har sp hybridisering).

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

Klassifikation

Hvordan klassificeres kulstofatomer? Mere end en klassificering efter interne karakteristika afhænger faktisk af det molekylære miljø. Det vil sige, inden i 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 ethan molekyle, CH ₃ -CH ₃ består af to sammenbundne primære carbonatomer. Dette signaliserer slutningen eller begyndelsen af ​​en kulstofkæde.

Sekundær

Det er en, der er knyttet til to kulhydrater. Således for propan molekyle, CH ₃ - CH ₂ CH ₃, den midterste carbonatom er sekundær (methylengruppen, -CH ₂ -).

Tertiære

De tertiære kulhydrater adskiller sig fra resten, fordi grene af hovedkæden kommer ud af dem. For eksempel 2-methylbutan (også kaldet isopentan), CH ₃ - CH (CH ₃) -CH ₂ -CH ₃ fremhævet har en tertiær carbon med fed skrift.

Kvartær

Og endelig er kvartære kulhydrater, som deres navn antyder, knyttet til fire andre carbonatomer. Den neopentan molekyle, C (CH ₃) _4, har et kvaternært carbonatom.

Applikationer

Atomen masse

Den gennemsnitlige atommasse på ¹² C bruges som et standardmål til beregning af masserne af de andre elementer. Således vejer brint en tolvtedel af denne isotop af carbon, der bruges til at definere, hvad der er kendt som atommassenheden u.

Således kan de andre atommasser sammenlignes med den på ¹² C og ¹ H. For eksempel vejer magnesium (²⁴ mg) ca. dobbelt så meget som for et carbonatom og 24 gange mere end et hydrogenatom.

Kulstofcyklus og liv

Planter absorberer CO ₂ i fotosynteseprocessen for at frigive ilt i atmosfæren og fungere som plantelunger. Når de dør, bliver de trækul, som efter afbrænding frigiver CO _{2 igen}. Den ene del vender tilbage til planterne, men den anden ender i havbundene og nærer mange mikroorganismer.

Når mikroorganismerne dør, forbliver det faste stof tilbage 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 brænde kul, bidrager det til frigivelse af mere CO ₂ (og andre uønskede gasser).

På den anden side bruger livet kulstofatomer helt fra bunden. Dette skyldes stabiliteten af ​​dets bindinger, som tillader det at danne kæder og molekylære strukturer, der udgør makromolekyler lige så vigtige som DNA.

NMR-spektroskopi

Den ¹³ C, selv om det er ved en langt lavere andel af ¹² C, deres overflod er tilstrækkelig til at belyse molekylære strukturer ved kernemagnetisk resonansspektroskopi kulstof-13.

Takket være denne analyseteknik er det muligt at bestemme, hvilke atomer omgiver ¹³ C, og som funktionelle grupper de tilhører. Således kan kulstofskelettet af en hvilken som helst organisk forbindelse bestemmes.

Referencer

1. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. Organisk kemi. Aminer. (10. udgave.) Wiley Plus.
2. Blake D. (4. maj 2018). Fire egenskaber ved kulstof. Gendannes fra: sciencing.com
3. Royal Society of Chemistry. (2018). Kul. Taget fra: rsc.org
4. Forståelse af evolution. (Sf). Rejse til et kulstofatom. Gendannes fra: evolution.berkeley.edu
5. Encyclopædia Britannica. (14. marts 2018). Kul. Gendannes fra: britannica.com
6. Pappas S. (29. september 2017). Fakta om kulstof. Gendannes fra: livescience.com