OGLJIKOV ATOM: ZNAČILNOSTI, STRUKTURA, HIBRIDIZACIJA - KEMIJA - 2026

Atom ogljika je morda najpomembnejša in simbol vseh elementov, saj je možno zaradi nje obstoj življenja. V sebi ne zajema le nekaj elektronov ali jedra s protoni in nevtroni, temveč tudi zvezdni prah, ki se končno vključi in tvori živa bitja.

Ogljikovi atomi najdemo tudi v zemeljski skorji, čeprav ne z obilico, ki je primerljiva s kovinskimi elementi, kot so železo, karbonati, ogljikov dioksid, olje, diamanti, ogljikovi hidrati itd., So del njegove fizikalne in kemijske manifestacije.

Vir: Gabriel Bolívar

Toda kakšen je atom ogljika? Napačna prva skica je tista, ki jo vidimo na zgornji sliki, katere značilnosti so opisane v naslednjem razdelku.

Ogljikovi atomi tečejo skozi ozračje, morja, podzemlje, rastline in katero koli živalsko vrsto. Njegova velika kemijska raznolikost je posledica visoke stabilnosti vezi in načina, kako so razporejene v vesolju. Tako imate na eni strani gladek in mazljiv grafit; na drugi strani pa diamant, katerega trdota presega trdnost mnogih materialov.

Če ogljikov atom ne bi imel lastnosti, ki ga označujejo, organska kemija ne bi obstajala v celoti. Nekateri vizionarji vidijo v njem nove materiale prihodnosti, in sicer z zasnovo in funkcionalizacijo svojih alotropnih struktur (ogljikove nanocevke, grafen, fulereni itd.).

Značilnosti atoma ogljika

Ogljikov atom simbolizira črka C. Njegova atomska številka Z je 6, zato ima šest jedrov (rdeči krogi s simbolom "+" v jedru). Poleg tega ima šest nevtronov (rumeni krogi s črko "N") in končno šest elektronov (modre zvezde).

Vsota mase njegovih atomskih delcev daje povprečno vrednost 12.0107 u. Vendar atom na sliki ustreza izotopu ogljika 12 ( ¹² C), ki ga sestavlja d. Drugi izotopi, kot sta ¹³ C in ¹⁴ C, manj obilni, se razlikujejo le v številu nevtronov.

Če bi bili izotopi narisani, bi imel ¹³ C dodatni rumeni krog, ¹⁴ C pa še dva. To logično pomeni, da so težji ogljikovi atomi.

Poleg tega, katere druge značilnosti lahko omenimo v zvezi s tem? Je tetravalentna, torej lahko tvori štiri kovalentne vezi. Nahaja se v skupini 14 (IVA) periodične tabele, natančneje v bloku p.

Je tudi zelo vsestranski atom, ki se lahko veže s skoraj vsemi elementi periodične tabele; zlasti pri sebi, ki tvorijo linearne, razvejene in laminarne makromolekule in polimere.

Struktura

Kakšna je struktura ogljikovega atoma? Če želite odgovoriti na to vprašanje, morate najprej preiti na njegovo elektronsko konfiguracijo: 1s ² 2s ² 2p ² ali 2s ² 2p ² .

Zato obstajajo tri orbitale: 1s ² , 2s ² in 2p ² , vsaka z dvema elektronoma. To je mogoče videti tudi na zgornji sliki: trije obroči z dvema elektronoma (modre zvezde) vsak (ne zmotite obročev za orbite: so orbitali).

Upoštevajte pa, da imata dve zvezdi temnejši odtenek modrega od preostalih štirih. Zakaj? Ker prva dva ustrezata notranji plasti 1s ² o, ki ne sodeluje neposredno pri nastajanju kemičnih vezi; medtem ko elektroni v zunanji lupini delujeta 2s in 2p.

Orbitali s in p nimata enake oblike, zato se ponazorjeni atom ne strinja z resničnostjo; poleg velike nesorazmernosti razdalje med elektroni in jedrom, ki naj bi bila stokrat večja.

Zato strukturo ogljikovega atoma sestavljajo tri orbite, kjer se elektroni "topijo" v zamegljene elektronske oblake. In med jedrom in temi elektroni je razdalja, ki razkrije neizmerno "praznino" znotraj atoma.

Hibridizacija

Prej je bilo omenjeno, da je atom ogljika tetravalenten. Glede na elektronsko konfiguracijo sta njegova elektrona 2s seznanjena in 2p neprimerna:

Vir: Gabriel Bolívar

Na voljo je ena p orbitala, ki je prazna in napolnjena z dodatnim elektronom na dušikovem atomu (2p ³ ).

Po definiciji kovalentne vezi je potrebno, da vsak atom prispeva elektron za njegovo tvorbo; vendar je razvidno, da ima v zemeljskem stanju ogljikovega atoma le dva parna elektrona (po en v vsaki 2p orbitali). To pomeni, da je v tem stanju dvovalentni atom, zato tvori le dve vezi (–C–).

Kako je torej mogoče, da ogljikov atom tvori štiri vezi? Če želite to narediti, morate spodbujati elektron iz orbite 2s do orbitale 2p z višjo energijo. Pri tem so štiri orbite izrojene; z drugimi besedami, imajo enako energijo ali stabilnost (upoštevajte, da so poravnani).

Ta postopek poznamo kot hibridizacijo in zahvaljujoč njemu ima ogljikov atom zdaj štiri sp ³ orbitale z enim elektronom, ki tvorijo štiri vezi. To je posledica njegove značilnosti, da je tetravalenten.

sp

Če ima atom ogljika sp ³ hibridizacijo , da usmeri svoje štiri hibridne orbitalami z ogli tetraedra, ki je njena elektronska geometrijo.

Tako sp ³ lahko ogljika treba identificirati , ker tvori le štiri preproste vezi, kot v metan molekule (CH ₄ ). In okoli tega je mogoče opaziti tetraedrsko okolje.

Prekrivanje orbitale sp ³ je tako učinkovito in stabilno, da ima enojna vez CC entalpija 345,6 kJ / mol. To pojasnjuje, zakaj obstajajo neskončne karbonatne strukture in neizmerno število organskih spojin. Poleg tega lahko ogljikovi atomi tvorijo druge vrste vezi.

sp

Vir: Gabriel Bolívar

Ogljikov atom je sposoben sprejeti tudi druge hibridizacije, kar mu bo omogočilo, da tvori dvojno ali celo trojno vez.

V hibridizaciji sp ² , kot je prikazano na sliki, obstajajo tri degenerirane sp ² orbitale in ena 2p orbitala ostane nespremenjena ali "čista". S tri sp ² orbitale na razdalji 120 ° karbon tvori tri kovalentne vezi, ki narišejo trigonalno ravninsko elektronsko geometrijo; medtem ko z 2p orbitalo, pravokotno na ostale tri, tvori π vez: –C = C–.

Pri sp-hibridizaciji sta dve orbitali sp 180 narazen, tako da narišeta linearno elektronsko geometrijo. Tokrat imajo dve čisti 2 orbitali, pravokotni drug na drugega, ki omogočata ogljiku, da tvori trojne vezi ali dve dvojni vezi: –C≡C– ali ·· C = C = C ·· (osrednji ogljik ima sp hibridizacijo ).

Upoštevajte, da bomo vedno (na splošno), če se dodajo vezi okoli ogljika, ugotovili, da je število enako štirim. Te informacije so bistvene pri risanju Lewisovih struktur ali molekulskih struktur. Atom ogljika, ki tvori pet vezi (= C≡C), je teoretično in eksperimentalno nedopustno.

Razvrstitev

Kako so razvrščeni atomi ogljika? Bolj kot razvrstitev po notranjih značilnostih je pravzaprav odvisna od molekularnega okolja. To pomeni, da se znotraj molekule lahko njeni ogljikovi atomi razvrstijo po naslednjem.

Primarno

Primarni ogljik je tisti, ki je vezan samo na drug ogljik. Na primer, etan molekula CH ₃ CH ₃ sestoji iz dveh lepljenih primarni ogljikov. To signalizira konec ali začetek ogljikove verige.

Sekundarni

Je tista, ki je povezana z dvema ogljikoma. Tako je za molekulo propan, CH ₃ - CH ₂ CH ₃ , srednji atom ogljika je sekundarna (metilen, -CH ₂ -).

Terciarno

Terciarni ogljiki se razlikujejo od preostalih, ker iz njih izhajajo veje glavne verige. Na primer, 2-metilbutan (imenovan tudi izopentana), CH ₃ - CH (CH ₃ ) CH ₂ CH ₃ ima terciarni ogljika v krepkem tisku.

Kvartar

In končno, kvarterni ogljiki, kot pove že njihovo ime, so povezani s štirimi drugimi ogljikovimi atomi. Neopentan molekula, C (CH ₃ ) _4, kvarterni atom ogljika.

Prijave

Enota za atomsko maso

Povprečna atomska masa ¹² C se uporablja kot standardni ukrep za izračun mase drugih elementov. Tako vodik tehta eno dvanajstino tega izotopa ogljika, ki se uporablja za določanje tistega, kar je znano kot atomska masna enota u.

Tako lahko druge atomske mase primerjamo z maso ¹² C in ¹ H. Na primer, magnezij ( ²⁴ Mg) tehta približno dvakratno kot atom ogljika in 24-krat več kot atom vodika.

Ogljikov cikel in življenje

Rastline absorbirajo CO ₂ v procesu fotosinteze, da sprosti kisik v ozračje in deluje kot pljučna rastlina. Ko umrejo, postanejo oglje, ki po gorenju _spet sprošča CO ₂ . En del se vrne rastlinam, drugi pa konča v morskih dnih in hrani številne mikroorganizme.

Ko mikroorganizmi odmrejo, ostane trdna snov v svojih bioloških razkrojnih usedlinah in se po milijonih let spremeni v tisto, kar je znano kot olje.

Ko človeštvo to olje uporablja kot alternativni vir energije za kurjenje premoga, prispeva k sproščanju več CO ₂ (in drugih nezaželenih plinov).

Po drugi strani pa življenje uporablja atome ogljika od samega dna. To je posledica stabilnosti njegovih vezi, ki mu omogoča, da tvori verige in molekularne strukture, ki sestavljajo makromolekule, pomembne kot DNK.

NMR spektroskopija

Čeprav je ¹³ C v veliko nižjem deležu od ¹² C, njihova številčnost zadostuje za razjasnitev molekulskih struktur z jedrsko magnetnoresonančno spektroskopijo ogljik 13.

Zahvaljujoč tej tehniki analize je mogoče določiti, kateri atomi obkrožajo ¹³ C in katere funkcionalne skupine pripadajo. Tako je mogoče določiti ogljikov okostje katere koli organske spojine.

Reference

1. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. Organska kemija. Amini. (10. izdaja.) Wiley Plus.
2. Blake D. (4. maja 2018). Štiri značilnosti ogljika. Pridobljeno: sciaching.com
3. Royal Society of Chemistry. (2018). Premog. Vzeto iz: rsc.org
4. Razumevanje evolucije. (sf). Potovanje ogljikovega atoma. Pridobljeno: evolution.berkeley.edu
5. Encyclopædia Britannica. (14. marec 2018). Premog. Pridobljeno: britannica.com
6. Pappas S. (29. september 2017). Dejstva o ogljiku. Pridobljeno od: lifecience.com