УГЉЕНИКОВ АТОМ: КАРАКТЕРИСТИКЕ, СТРУКТУРА, ХИБРИДИЗАЦИЈА - ХЕМИЈА - 2025

Атом угљеника је можда најважнија и симболичан свих елемената, јер је могуће захваљујући томе постојање живота. У себи садржи не само неколико електрона, односно језгро са протоновима и неутронима, већ и звездану прашину, која се на крају уклопљена и формира жива бића.

Исто тако, атоми угљеника налазе се у земљиној кори, иако не у обиљу упоредивом са металним елементима као што су гвожђе, карбонати, угљен-диоксид, уље, дијаманти, угљени хидрати итд., Они су део његове физичке и хемијске манифестације.

Извор: Габриел Боливар

Али какав је атом угљеника? Нетачна прва скица је она која се види на слици изнад, чије су карактеристике описане у следећем одељку.

Атоми угљеника пролазе кроз атмосферу, мора, подземље, биљке и било које животињске врсте. Његова велика хемијска разноликост је због високе стабилности његових веза и начина на који су распоређени у простору. Тако имате с једне стране глатки и подмазујући графит; а с друге дијаманте, чија тврдоћа прелази тврдоћу многих материјала.

Да атом угљеника не би имао особине које га карактеришу, органска хемија не би постојала у потпуности. Неки визионари у томе виде нове материјале будућности, кроз дизајн и функционализацију њихових алотропних структура (угљеничне наноцевке, графен, фулерени, итд.).

Карактеристике атома угљеника

Атом угљеника симболизује слово Ц. Његов атомски број З је 6, дакле има шест протона (црвени кругови са симболом "+" у језгру). Поред тога, има шест неутрона (жути кругови са словом "Н") и коначно шест електрона (плаве звезде).

Збир маса његових атомских честица даје просечну вредност од 12.0107 у. Међутим, атом на слици одговара изотопу угљеника 12 ( ¹² Ц), који се састоји од д. Остали изотопи, као што су ¹³ Ц и ¹⁴ Ц, мање обилни, варирају само у броју неутрона.

Према томе, ако би се извукли ови изотопи, ¹³ Ц би имало додатни жути круг, а ¹⁴ Ц још два. То логично значи да су они тежи атоми угљеника.

Поред овога, које друге карактеристике се могу поменути у вези с тим? Четверовалентна је, односно може формирати четири ковалентне везе. Налази се у групи 14 (ИВА) периодичне табеле, тачније у блоку п.

То је такође врло свестран атом, способан да се веже са готово свим елементима периодичне табеле; посебно са собом, формирајући линеарне, разгранате и ламинарне макромолекуле и полимере.

Структура

Каква је структура атома угљеника? Да бисте одговорили на ово питање, прво морате да пређете на његову електронску конфигурацију: 1с ² 2с ² 2п ² или 2с ² 2п ² .

Стога постоје три орбитале: 1с ² , 2с ² и 2п ² , свака са по два електрона. То се такође може видети на горњој слици: три прстена са по два електрона (плаве звезде) сваки (не грешите прстенове за орбите: они су орбитале).

Имајте на уму да две звезде имају тамнију плаву нијансу од преостале четири. Зашто? Зато што прва два одговарају унутрашњем слоју лс ² о, који не учествује директно у стварању хемијских веза; док електрони у спољној љусци делују, 2с и 2п.

С и п орбитале немају исти облик, тако да се илустровани атом не слаже са стварношћу; поред велике несразмјерне удаљености између електрона и језгра, која би требала бити стотина пута већа.

Стога се структура угљиковог атома састоји од три орбитале на којој се електрони „топе“ у замућене електронске облаке. А између језгра и ових електрона постоји растојање које открива огромну "празнину" унутар атома.

Хибридизација

Раније је поменуто да је атом угљеника тетравалентан. Према својој електронској конфигурацији, 2с електрона су упарени, а 2п непарни:

Извор: Габриел Боливар

Постоји једна расположива п орбитала, која је празна и напуњена додатним електроном на атому азота (2п ³ ).

Према дефиницији ковалентне везе, потребно је да сваки атом допринесе електрону за њено формирање; међутим, може се видети да у приземном стању атома угљеника има само два неспарена електрона (по један у свакој 2п орбитали). То значи да је у овом стању двовалентни атом, и зато он формира само две везе (–Ц–).

Па како је могуће да атом угљеника формира четири везе? Да бисте то учинили, морате промовисати електрон из орбите 2с у орбитал више енергије. Ово је учињено, резултирајуће четири орбите су дегенериране; другим речима, имају исту енергију или стабилност (имајте на уму да су усклађени).

Овај процес је познат као хибридизације, и захваљујући њој, атом угљеника сада има четири сп ³ орбитала са једном електронске сваком да формирају четири везе. То је због његове карактеристике да је тетравалентан.

сп

Када атом угљеника има сп ³ хибридизацију , она оријентише своје четири хибридних орбитала са теменима тетраедра, која је његов електронски геометрија.

Тако, сп ³ угљеника може да буде идентификован јер само ствара четири једноставна обвезнице, као у метана молекулу (ЦХ ₄ ). И око тога се може посматрати тетраедарско окружење.

Преклапање сп ³ орбитала је толико ефикасно и стабилно да једносмерна веза ЦЦ има енталпију од 345,6 кЈ / мол. Ово објашњава зашто постоје бескрајне карбонатне структуре и немерљив број органских једињења. Поред овога, атоми угљеника могу да формирају и друге врсте веза.

сп

Извор: Габриел Боливар

Угљен-атом је такође способан да усвоји друге хибридизације, што ће му омогућити да формира двоструку или чак троструку везу.

У сп ^2. хибридизацијом , као што се види на слици, постоје три дегенерисани сп ² орбитале и једна 2п орбитални остаје непромењен или "чист". Са три сп ² орбитала 120º Апарт угљеника облицима три ковалентне цртањем електронску геометрију тригонално плане; док са 2п орбиталом, окомито на остала три, формира π везу: –Ц = Ц–.

У случају сп хибридизације, две сп орбитале су једнаке 180 ° тако да цртају линеарну електронску геометрију. Овог пута имају две чисте 2п орбитале, окомито једна на другу, које омогућавају угљенику да формира троструке везе или две двоструке везе: -Ц≡Ц– или ·· Ц = Ц = Ц ·· (централни угљеник има сп хибридизацију ).

Имајте на уму да ће увек (углавном) ако се додају везе око угљеника установити да је број једнак четири. Ове информације су кључне за цртање Левисових структура или молекуларних структура. Атом угљеника који формира пет веза (= Ц≡Ц) је теоретски и експериментално недопустив.

Класификација

Како су класификовани атоми угљеника? Више од класификације по унутрашњим карактеристикама, она заправо зависи од молекуларног окружења. Односно, у молекули се његови атоми угљеника могу класификовати на следећи начин.

Примарна

Примарни угљеник је онај који је везан само за један други угљеник. На пример, етан молекул, ЦХ ₃ -ЦХ ₃ се састоји од два везаних примарне угљеника. Ово сигнализира крај или почетак угљеничног ланца.

Секундарни

Она је повезана са два угљеника. Тако, за пропан молекула, ЦХ ₃ - ЦХ ₂ -ЦХ ₃ , средњи атом угљеника секундарна (метилен група, -ЦХ ₂ -).

Терцијарни

Терцијарни угљеници се разликују од осталих по томе што из њих излазе гране главног ланца. На пример, 2-метилбутан (такође назван изопентан), ЦХ ₃ - ЦХ (ЦХ ₃ ) -ЦХ ₂ -ЦХ ₃ има терцијарно угљеника истакнут подебљаним словима.

Квартарни

И на крају, квартерни угљеници, као што им име говори, повезани су са још четири атома угљеника. Неопентан молекул, Ц (ЦХ ₃ ) _{4, има} кватернарно атом угљеника.

Апликације

Јединица атомске масе

Просечна атомска маса од ¹² Ц користи се као стандардна мера за рачунање маса осталих елемената. Дакле, водоник тежи једну дванаестину овог изотопа угљеника, који се користи за дефинисање онога што је познато као јединица атомске масе у.

Тако се остале атомске масе могу упоредити са масом од ¹² Ц и ¹ Х. На пример, магнезијум ( ²⁴ Мг) тежи приближно двоструко више од атома угљеника и 24 пута више од атома водоника.

Циклус угљеника и живот

Биљке апсорбују ЦО ₂ у процесу фотосинтезе да би ослобађале кисеоник у атмосферу и делују као биљна плућа. Кад умру, они постају угљен који након сагоревања _поново ослобађа ЦО ₂ . Један део враћа се биљкама, али други завршава у морском дну, хранећи се многим микроорганизмима.

Када микроорганизми умру, чврста супстанца која остаје након биолошког распадања седимената, а након више милиона година претвара се у оно што је познато као нафта.

Када човечанство користи ово уље као алтернативни извор енергије за сагоревање угља, оно доприноси ослобађању више ЦО ₂ (и других нежељених гасова).

Са друге стране, живот користи атоме угљеника са самог дна. То је због стабилности његових веза, што му омогућава да формира ланце и молекуларне структуре које чине макромолекуле колико су важне као ДНК.

НМР спектроскопија

¹³ Ц, мада је по много нижој пропорције ¹² Ц, њихова обиље довољно је да разјасни молекуларних структура би спектроскопија нуклеарне магнетне резонанце угљеника 13.

Захваљујући овој техници анализе могуће је утврдити који атоми окружују ¹³ Ц и којим функционалним групама припадају. Тако се може одредити карбонски костур било којег органског једињења.

Референце

1. Грахам Соломонс ТВ, Цраиг Б. Фрихле. Органска хемија. Амини. (10. издање.) Вилеи Плус.
2. Блаке Д. (4. маја 2018). Четири карактеристике угљеника. Опоравило од: сциацхинг.цом
3. Краљевско хемијско друштво. (2018). Угаљ. Преузето из: рсц.орг
4. Разумевање еволуције. (сф) Путовање атома угљеника. Опоравак од: еволутион.беркелеи.еду
5. Енцицлопӕдиа Британница. (14. марта 2018.). Угаљ. Опоравак од: британница.цом
6. Паппас С. (29. септембар 2017). Чињенице о угљенику. Опоравило од: лифециенце.цом