Charakteristiky uhlíkových atomů, struktura, hybridizace, klasifikace

atom uhlíku Je to možná nejdůležitější a nejvýraznější symbol všech prvků, protože díky němu je existence života možná. Uzavírá v sobě nejen několik elektronů, nebo jádro s protony a neutrony, ale také hvězdný prach, který končí začleněním a formuje živé bytosti.

Atomy uhlíku jsou také nalezené v zemské kůře, ačkoli ne s množstvím srovnatelným s kovovými elementy takový jako železo, uhličitany, oxid uhličitý, olej, diamanty, uhlohydráty, etc., být díl \ t jeho fyzické a chemické projevy.

Ale jak je atom uhlíku? První nepřesný náčrtek je ten, který je pozorován na obrázku výše, jehož vlastnosti jsou popsány v následující části.

Atomy uhlíku procházejí atmosférou, mořem, podložím, rostlinami a jakýmkoliv živočišným druhem. Jeho velká chemická rozmanitost je dána vysokou stabilitou vazeb a uspořádáním v prostoru. Tak má na jedné straně hladký a mazací grafit; a na druhé, diamant, jehož tvrdost převyšuje tvrdost mnoha materiálů.

Pokud by atom uhlíku neměl vlastnosti, které by ho charakterizovaly, organická chemie by neexistovala úplně. Někteří vizionáři v něm vidí nové materiály budoucnosti, a to prostřednictvím návrhu a funkcionalizace svých allotropických struktur (uhlíkové nanotrubice, grafen, fullereny atd.).

Index

• 1 Charakteristiky atomu uhlíku
• 2 Struktura
• 3 Hybridizace
  • 3.1 sp3
  • 3.2 sp2 a sp
• 4 Klasifikace
  • 4.1 Primární
  • 4.2 Sekundární
  • 4.3 Terciární
  • 4.4 Čtvrtina
• 5 Použití
  • 5.1 Jednotka atomové hmotnosti
  • 5.2 Cyklus uhlíku a život
  • 5.3 NMR spektroskopie
• 6 Odkazy

Charakteristiky atomu uhlíku

Atom uhlíku je symbolizován písmenem C. Jeho atomové číslo Z je 6, proto má šest protonů (červené kruhy se symbolem "+" v jádře). Kromě toho má šest neutronů (žluté kruhy s písmenem "N") a nakonec šest elektronů (modré hvězdy).

Součet hmotností jejich atomových částic dává průměrnou hodnotu 12,0107 u. Atom v obraze však odpovídá izotopu 12 uhlíků (¹²C), který se skládá z d. Jiné izotopy, jako je ¹³C a ¹⁴C, méně hojné, se liší pouze počtem neutronů.

Pokud tedy tyto izotopy nakreslíte ¹³C by měl další žlutý kruh a ¹⁴C, ještě dvě. To logicky znamená, že jsou těžšími atomy uhlíku.

Jaké další charakteristiky lze v tomto ohledu zmínit? Je to čtyřmocné, to znamená, že může tvořit čtyři kovalentní vazby. Je umístěn ve skupině 14 (DPH) periodické tabulky, přesněji v bloku p.

To je také velmi univerzální atom, schopný spojit se s téměř všechny elementy periodické tabulky; zejména makromolekuly a lineární, rozvětvené a lamelární polymery.

Struktura

Jaká je struktura atomu uhlíku? Chcete-li odpovědět na tuto otázku, musíte nejprve jít do elektronické konfigurace: 1s²2s²2p² nebo [He] 2s²2p².

Proto existují tři orbitály: 1s², 2s² a 2p², každý se dvěma elektrony. Toto může také být viděno v obraze nahoře: tři prsteny se dvěma elektrony (modré hvězdy) každý (ne zaměňovat prsteny orbity: oni jsou orbital) \ t.

Všimněte si však, že dvě hvězdy mají tmavší odstín modré než ostatní čtyři. Proč? Protože první dvě odpovídají vnitřní vrstvě 1s² nebo [On], který se nepodílí přímo na tvorbě chemických vazeb; zatímco elektrony vnější vrstvy, 2s a 2p, dělají.

Orbitály s a p nemají stejný tvar, takže ilustrovaný atom není v souladu s realitou; kromě velké disproporce vzdálenosti mezi elektrony a jádrem, která by měla být stokrát větší.

Proto se struktura atomu uhlíku skládá ze tří orbitálů, kde se elektrony "roztaví" do rozptýlených elektronických mraků. Mezi jádrem a těmito elektrony je vzdálenost, která nám umožňuje nahlédnout do nesmírné "prázdnoty" uvnitř atomu..

Hybridizace

Bylo zmíněno dříve, že atom uhlíku je čtyřmocný. Podle jeho elektronické konfigurace, jeho 2s elektrony jsou spárovány a 2p elektrony jsou nepárové:

Tam zůstane dostupný p orbital, který je prázdný a naplněný dalším elektronem v atomu dusíku (2p³).

Podle definice kovalentní vazby je nezbytné, aby každý atom přispěl elektronem pro jeho tvorbu; Nicméně, to může být pozorováno, že v bazální stav atomu uhlíku sotva má dva nepárové elektrony (jeden v každém 2p orbitálu). To znamená, že v tomto stavu jde o divalentní atom, a proto tvoří pouze dvě vazby (-C-).

Jak je tedy možné, že atom uhlíku tvoří čtyři vazby? K tomu musíte podporovat elektron z orbitálu 2s na orbitál s vyšší energií 2p. Tímto způsobem jsou čtyři výsledné orbity degenerovat; jinými slovy, mají stejnou energii nebo stabilitu (všimněte si, že jsou zarovnány).

Tento proces je znám jako hybridizace a díky němu má nyní atom uhlíku čtyři orbitální sp³ s jedním elektronem, z nichž každý tvoří čtyři články. Toto je kvůli jeho charakteristice bytí tetravalent.

sp³

Když atom uhlíku má sp hybridizaci³, Orientujte své čtyři hybridní orbitály na vrcholy čtyřstěnu, což je jeho elektronická geometrie.

Takže můžete identifikovat uhlík sp³ protože tvoří pouze čtyři jednoduché vazby, jako v molekule metanu (CH₄). A kolem toho lze pozorovat tetraedrické prostředí.

Překrývání sp orbitálů³ je tak účinná a stabilní, že jednoduchá vazba C-C má entalpii 345,6 kJ / mol. To vysvětluje, proč existují nekonečné uhlíkové struktury a nezměrné množství organických sloučenin. Kromě toho mohou atomy uhlíku tvořit další typy vazeb.

sp² a sp

Atom uhlíku je také schopen přijmout další hybridizace, které mu umožní vytvořit dvojnou nebo dokonce trojnou vazbu.

V sp hybridizaci², Jak je vidět na obrázku, existují tři sp orbitály² degenerovaný a orbitál 2p zůstává nezměněn nebo "čistý". Se třemi sp orbitály² oddělený 120 °, uhlík tvoří tři kovalentní vazby tím, že nakreslí elektronovou geometrii trigonální roviny; zatímco s orbitálem 2p, kolmým k ostatním třem, tvoří vazbu π: -C = C-.

Pro případ sp hybridizace, tam jsou dva sp orbitals oddělený 180º, tak že oni kreslí lineární elektronickou geometrii. Tentokrát mají dva čisté 2p orbitály, kolmé k sobě, které umožňují uhlíku vytvořit trojné vazby nebo dvě dvojné vazby: -C = C- nebo ·· C = C = C ·· (centrální uhlík má sp hybridizaci) ).

Všimněte si, že vždy (obvykle), pokud přidáte odkazy kolem uhlíku, zjistíte, že číslo se rovná čtyřem. Tyto informace jsou nezbytné při kreslení Lewisových struktur nebo molekulárních struktur. Atom uhlíku tvořícího pět vazeb (= C≡C) je teoreticky i experimentálně nepřípustný.

Klasifikace

Jak jsou atomy uhlíku klasifikovány? Více než klasifikace vnitřními charakteristikami závisí ve skutečnosti na molekulárním prostředí. To znamená, že v molekule mohou být jeho atomy uhlíku klasifikovány podle následujícího.

Primární

Primární uhlík je uhlík, který je vázán pouze na jiný uhlík. Například molekula ethanu, CH₃-CH₃ sestává ze dvou vázaných primárních uhlíků. To signalizuje konec nebo začátek uhlíkového řetězce.

Sekundární

Je to ten, který je spojen se dvěma uhlíky. Pro molekulu propanu CH₃-CH₂-CH₃, atom uhlíku v médiu je sekundární (methylenová skupina, -CH₂-).

Terciární

Terciární uhlíky se od ostatních liší, protože z nich vznikají větve hlavního řetězce. Například 2-methylbutan (také nazývaný isopentan), CH₃-CH(CH₃) -CH₂-CH₃ Má terciární uhlík zvýrazněný tučně.

Čtvrtletí

A konečně, kvarterní uhlíky, jak název napovídá, jsou spojeny se čtyřmi dalšími atomy uhlíku. Molekula neopentanu, C(CH₃)₄ má kvarterní atom uhlíku.

Použití

Atomová hmotnostní jednotka

Průměrná atomová hmotnost ¹²C se používá jako standardní opatření pro výpočet hmotností ostatních prvků. Vodík tak váží dvanáctinu tohoto izotopu uhlíku, který se používá k definování toho, co je známo jako atomová hmotnostní jednotka u.

Ostatní atomové hmoty tak mohou být porovnány s hmotností ¹²C a ¹H. Například hořčík (²⁴Mg) váží asi dvakrát tolik než atom uhlíku a 24 krát více než atom vodíku.

Cyklus uhlíku a život

Rostliny absorbují CO₂ v procesu fotosyntézy uvolňovat kyslík do atmosféry a působit jako rostlinné plíce. Když zemřou, stanou se dřevěným uhlím, které po hoření uvolňuje CO₂. Jedna část se vrací k rostlinám, ale další končí v mořských postelích a vyživuje mnoho mikroorganismů.

Když mikroorganismy zemřou, zbývající pevná látka do svých biologických rozkladných sedimentů a po milionech let se přemění na to, co je známé jako olej.

Když lidstvo používá tento olej jako alternativní zdroj energie pro spalování uhlí, přispívá k uvolňování více CO₂ (a další nežádoucí plyny).

Na druhé straně, život využívá atomy uhlíku z nejhlubších jeho základů. Je to dáno stabilitou jeho vazeb, což umožňuje vytvářet řetězce a molekulární struktury, které tvoří makromolekuly stejně důležité jako DNA..

NMR spektroskopie ¹³C

¹³C, i když je v mnohem menším poměru než u ¹²C, jeho množství je dostatečné k objasnění molekulárních struktur prostřednictvím nukleární magnetické rezonanční spektroskopie.

Díky této analytické technice lze určit, které atomy obklopují ¹³C a ke kterým funkčním skupinám patří. Tak může být stanovena uhlíková kostra jakékoliv organické sloučeniny.

Odkazy

1. Graham Solomons T.W., Craig B. Fryhle. Organická chemie. Aminy (10. vydání.) Wiley Plus.
2. Blake D. (4. května 2018). Čtyři charakteristiky uhlíku. Zdroj: sciencing.com
3. Královská chemická společnost. (2018). Uhlík. Převzato z: rsc.org
4. Pochopení evoluce. (s.f.). Cesta uhlíkového atomu. Citováno z: evolution.berkeley.edu
5. Encyclopædia Britannica. (14. března 2018). Uhlík. Zdroj: britannica.com
6. Pappas S. (29. září 2017). Fakta o uhlíku. Zdroj: livescience.com