CARBON ATOM: MGA KATANGIAN, ISTRAKTURA, HYBRIDIZATION - CHEMISTRY - 2024

Ang carbon atom ay marahil ang pinakamahalaga at sagisag ng lahat ng mga elemento, dahil salamat dito ang pagkakaroon ng buhay ay posible. Ito ay nakapaloob sa sarili nito hindi lamang ng ilang mga electron, o isang nucleus na may mga proton at neutron, kundi pati na rin ang alikabok ng bituin, na nagtatapos sa isinama at bumubuo ng mga nabubuhay na nilalang.

Gayundin, ang mga carbon atom ay matatagpuan sa crust ng lupa, bagaman hindi sa isang kasaganaan na maihahambing sa mga elemento ng metal tulad ng iron, carbonates, carbon dioxide, langis, diamante, karbohidrat, atbp. ang pisikal at kemikal na pagpapakita nito.

Pinagmulan: Gabriel Bolívar

Ngunit ano ang katulad ng carbon atom? Ang isang hindi tumpak na unang sketch ay ang nakikita sa imahe sa itaas, na ang mga katangian ay inilarawan sa susunod na seksyon.

Ang mga carbon atoms ay tumatakbo sa kapaligiran, dagat, subsoil, halaman at anumang hayop na hayop. Ang mahusay na pagkakaiba-iba ng kemikal ay dahil sa mataas na katatagan ng mga bono nito at ang paraan kung saan sila ay nakaayos sa espasyo. Sa gayon, nasa isang banda ang makinis at pampadulas na grapayt; at sa kabilang banda, brilyante, na ang katigasan ay higit sa mga materyales.

Kung ang carbon atom ay walang mga katangian na nagpapakilala sa ito, ang organikong kimika ay hindi magiging ganap. Ang ilang mga visionaries ay nakikita dito ang mga bagong materyales sa hinaharap, sa pamamagitan ng disenyo at paggana ng kanilang mga allotropic na istruktura (carbon nanotubes, graphene, fullerenes, atbp.).

Mga katangian ng carbon atom

Ang carbon atom ay sinasagisag ng titik C. Ang atomic number Z ay 6, samakatuwid mayroon itong anim na proton (pulang bilog na may simbolo na "+" sa nucleus). Bilang karagdagan, mayroon itong anim na neutron (dilaw na mga bilog na may titik na "N") at sa wakas ay anim na electron (asul na bituin).

Ang kabuuan ng masa ng mga atomic particle nito ay nagbibigay ng isang average na halaga ng 12.0107 u. Gayunpaman, ang atom sa imahe ay tumutugma sa carbon 12 ( ¹² C) isotope , na binubuo ng d. Ang iba pang mga isotop, tulad ng ¹³ C at ¹⁴ C, hindi gaanong sagana, ay nag-iiba lamang sa bilang ng mga neutron.

Kaya, kung ang mga isotop na ito ay iginuhit, ang ¹³ C ay magkakaroon ng karagdagang dilaw na bilog, at ang ¹⁴ C ay magkakaroon pa ng dalawa. Ang lohikal na ito ay nangangahulugan na sila ay mas mabibigat na mga atomo ng carbon.

Bilang karagdagan sa ito, ano ang iba pang mga katangian na maaaring mabanggit sa bagay na ito? Ito ay tetravalent, iyon ay, maaari itong bumuo ng apat na mga covalent bond. Matatagpuan ito sa pangkat 14 (IVA) ng pana-panahong talahanayan, na mas partikular sa block p.

Ito rin ay isang maraming nalalaman atom, na may kakayahang mag-bonding sa halos lahat ng mga elemento ng pana-panahong talahanayan; lalo na sa sarili nito, na bumubuo ng linear, branched at laminar macromolecules at polymers.

Istraktura

Ano ang istraktura ng isang carbon atom? Upang masagot ang tanong na ito, kailangan mong pumunta sa elektronikong pagsasaayos nito: 1s ² 2s ² 2p ² o 2s ² 2p ² .

Samakatuwid, mayroong tatlong orbitals: 1s ² , 2s ^2, at 2p ² , bawat isa ay may dalawang elektron. Maaari rin itong makita sa imahe sa itaas: tatlong singsing na may dalawang elektron (asul na bituin) bawat isa (huwag magkakamali sa mga singsing para sa mga orbit: sila ay mga orbit).

Gayunpaman, tandaan na ang dalawa sa mga bituin ay may isang mas madidilim na lilim ng asul kaysa sa natitirang apat. Bakit? Dahil ang unang dalawang tumutugma sa panloob na layer 1s ² o, na hindi nakikilahok nang direkta sa pagbuo ng mga bono ng kemikal; habang ang mga electron sa panlabas na shell, 2s at 2p, gawin.

Ang mga or at p orbitals ay walang magkakaparehong hugis, kaya ang inilalarawan na atom ay hindi sumasang-ayon sa katotohanan; bilang karagdagan sa mahusay na disproporsyon ng distansya sa pagitan ng mga elektron at ng nucleus, na dapat na daan-daang beses na mas malaki.

Samakatuwid, ang istraktura ng carbon atom ay binubuo ng tatlong orbitals kung saan ang "electron" natutunaw "sa mga blurred electronic cloud. At sa pagitan ng nucleus at mga electron na ito ay may distansya na nagpapakita ng napakalawak na "walang bisa" sa loob ng atom.

Hybridization

Nabanggit kanina na ang carbon atom ay tetravalent. Ayon sa elektronikong pagsasaayos nito, ang mga 2s electron ay ipinapares at ang 2p na walang bayad:

Pinagmulan: Gabriel Bolívar

Mayroong isang magagamit na orbital, na walang laman at puno ng isang karagdagang elektron sa nitrogen atom (2p ³ ).

Ayon sa kahulugan ng covalent bond, kinakailangan na ang bawat atom ay nag-aambag ng isang elektron para sa pagbuo nito; gayunpaman, makikita na sa estado ng lupa ng carbon atom, mayroon lamang itong dalawang hindi bayad na mga elektron (isa sa bawat orbital na 2p). Nangangahulugan ito na sa estado na ito ito ay isang divalent atom, at samakatuwid, bumubuo lamang ito ng dalawang bono (–C-).

Kaya paano posible para sa carbon atom na bumubuo ng apat na mga bono? Upang gawin ito, dapat mong itaguyod ang isang elektron mula sa orbital ng 2s hanggang sa mas mataas na lakas na 2p orbital. Natapos ito, ang nagreresultang apat na orbitals ay lumala; sa madaling salita, mayroon silang parehong enerhiya o katatagan (tandaan na nakahanay sila).

Ang prosesong ito ay kilala bilang hybridization, at salamat dito, ang carbon atom ay mayroon na ngayong apat na sp ³ orbitals na may isang elektron bawat isa upang mabuo ang apat na mga bono. Ito ay dahil sa katangian nito sa pagiging tetravalent.

sp

Kapag ang carbon atom ay mayroong sp ³ hybridization , orients ito ng apat na hybrid orbitals nito sa mga vertices ng isang tetrahedron, na kung saan ay ang electronic geometry nito.

Sa gayon, ang isang sp ³ carbon ay maaaring makilala sapagkat bumubuo lamang ito ng apat na simpleng mga bono, tulad ng sa molekula ng mitein (CH ₄ ). At sa paligid nito ay maaaring sundin ang isang tetrahedral na kapaligiran.

Ang overlap ng sp ³ orbitals ay napakabisa at matatag na ang solong bono CC ay may isang enthalpy na 345.6 kJ / mol. Ipinapaliwanag nito kung bakit walang katapusang mga istruktura ng carbonate at isang hindi mababago na bilang ng mga organikong compound. Bukod dito, ang mga carbon atom ay maaaring mabuo ng iba pang mga uri ng mga bono.

sp

Pinagmulan: Gabriel Bolívar

Ang carbon atom ay may kakayahang mag-ampon ng iba pang mga hybridisasyon, na magpapahintulot na mabuo ang isang doble o kahit na triple bond.

Sa sp ² hybridization , tulad ng nakikita sa imahe, mayroong tatlong degenerate sp ² orbitals at isang 2p orbital ay nananatiling hindi nagbabago o "puro". Sa pamamagitan ng tatlong sp ² orbitals 120º, ang carbon ay bumubuo ng tatlong mga covalent bond na gumuhit ng isang trigonal na eroplano na geometry; habang sa 2p orbital, patayo sa iba pang tatlo, ito ay bumubuo ng isang π bond: –C = C–.

Sa kaso ng sp hybridization, mayroong dalawang sp orbitals na 180º, sa isang paraan na gumuhit sila ng isang linear electronic geometry. Sa oras na ito, mayroon silang dalawang purong 2p orbitals, patayo sa bawat isa, na nagpapahintulot sa carbon na bumubuo ng triple bond o dalawang dobleng bono: –C≡C– or ·· C = C = C ·· (ang gitnang carbon ay may sp hybridization ).

Tandaan na laging (sa pangkalahatan) kung ang mga bono sa paligid ng carbon ay idinagdag ay matatagpuan na ang bilang ay katumbas ng apat. Mahalaga ang impormasyong ito kapag gumuhit ng mga istruktura ng Lewis o mga istrukturang molekular. Ang isang carbon atom na bumubuo ng limang mga bono (= C≡C) ay pawang teoretikal at hindi pinapapasok ng eksperimento.

Pag-uuri

Paano naiuri ang mga atomo ng carbon? Higit sa isang pag-uuri ng mga panloob na katangian, aktwal na nakasalalay ito sa kapaligiran ng molekular. Iyon ay, sa loob ng isang molekula ang mga carbon atoms ay maaaring maiuri ayon sa mga sumusunod.

Pangunahing

Ang isang pangunahing carbon ay isa na nakasalalay lamang sa isa pang carbon. Halimbawa, ang molekula ng ethane, ang CH ₃ -CH _{3 ay} binubuo ng dalawang mga naka-bonded na pangunahing carbon. Sinasabi nito ang pagtatapos o simula ng isang carbon chain.

Pangalawa

Ito ay isa na naka-link sa dalawang mga carbons. Kaya, para sa propane molekula, CH ₃ - CH ₂ –CH ₃ , ang gitnang carbon atom ay pangalawa (ang pangkat na methylene, –CH ₂ -).

Tertiary

Ang mga tertiary carbons ay naiiba sa iba dahil ang mga sanga ng pangunahing kadena ay lumitaw mula sa kanila. Halimbawa, ang 2-methylbutane (tinatawag ding isopentane), CH ₃ - CH (CH ₃ ) –CH ₂ –CH ₃ ay mayroong isang tersiyaryong carbon na naka-highlight nang buong tapang.

Quaternary

At sa wakas, ang mga quaternary carbons, tulad ng ipinapahiwatig ng kanilang pangalan, ay naka-link sa apat na iba pang mga carbon atoms. Ang molekong neopentane, C (CH ₃ ) _4, ay mayroong isang quaternary carbon atom.

Aplikasyon

Atomic mass unit

Ang average na atomic mass ng ¹² C ay ginagamit bilang isang pamantayan para sa pagkalkula ng masa ng iba pang mga elemento. Sa gayon, ang hydrogen ay tumimbang ng isang ikalabindalawang bahagi ng isotopang ito ng carbon, na ginagamit upang tukuyin kung ano ang kilala bilang ang yunit ng atomic u.

Kaya, ang iba pang mga atomic masa ay maihahambing sa ¹² C at ¹ H. Halimbawa, ang magnesium ( ²⁴ Mg) ay tumitimbang ng dalawang beses sa isang atom na carbon, at 24 beses na higit pa kaysa sa isang hydrogen atom.

Ikot ng carbon at buhay

Ang mga halaman ay sumisipsip ng CO ₂ sa proseso ng fotosintesis upang palayain ang oxygen sa kapaligiran at kumilos bilang mga baga sa halaman. Kapag namatay sila, nagiging uling sila, na pagkatapos ng pagkasunog, pinalabas _{muli ang} CO ₂ . Ang isang bahagi ay bumalik sa mga halaman, ngunit ang isa pang natatapos sa mga kama ng dagat, na nagpapalusog ng maraming mga microorganism.

Kapag namatay ang mga microorganism, ang solidong natitira sa mga biological na pagbagsak ng biological, at pagkatapos ng milyun-milyong taon, ito ay nabago sa kung ano ang kilala bilang langis.

Kapag ginagamit ng sangkatauhan ang langis na ito bilang isang alternatibong mapagkukunan ng enerhiya sa pagsusunog ng karbon, nag-aambag ito sa pagpapakawala ng higit pang CO ₂ (at iba pang hindi kanais-nais na gas).

Sa kabilang banda, ang buhay ay gumagamit ng mga carbon atoms mula sa pinakadulo. Ito ay dahil sa katatagan ng mga bono nito, na nagbibigay-daan sa ito upang makabuo ng mga kadena at mga molekular na istruktura na bumubuo ng macromolecules bilang mahalaga tulad ng DNA.

Spectroscopy ng NMR

Ang ¹³ C, bagaman ito ay nasa mas mababang sukat ng ¹² C, ang kanilang kasaganaan ay sapat upang mapagbuti ang mga istruktura ng molekular sa pamamagitan ng nuclear magnetic resonance spectroscopy carbon 13.

Salamat sa diskarteng ito ng pagsusuri posible upang matukoy kung aling mga atomo ang pumapalibot sa ¹³ C at kung aling mga kagamitang pang-aari na kanilang kinabibilangan. Kaya, ang carbon skeleton ng anumang organikong compound ay maaaring matukoy.

Mga Sanggunian

1. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. Kemikal na Organiko. Amines. (Ika-10 edisyon.) Wiley Plus.
2. Blake D. (Mayo 4, 2018). Apat na Katangian ng Carbon. Nabawi mula sa: sciencing.com
3. Royal Society of Chemistry. (2018). Coal. Kinuha mula sa: rsc.org
4. Pag-unawa sa Ebolusyon. (sf). Paglalakbay ng isang carbon atom. Nabawi mula sa: evolution.berkeley.edu
5. Encyclopædia Britannica. (Marso 14, 2018). Coal. Nabawi mula sa: britannica.com
6. Pappas S. (Setyembre 29, 2017). Mga Katotohanan Tungkol sa Carbon. Nabawi mula sa: livescience.com