ATOM UHLÍKU: VLASTNOSTI, STRUKTURA, HYBRIDIZACE - CHEMIE - 2025

Atom uhlíku je možná nejdůležitější a symbolem všech prvků, protože díky ní existence života je to možné. Sama o sobě uzavírá nejen několik elektronů, nebo jádro s protony a neutrony, ale také hvězdný prach, který končí začleněním a vytváří živé bytosti.

Atomy uhlíku se také nacházejí v zemské kůře, i když ne s množstvím srovnatelným s kovovými prvky, jako je železo, uhličitany, oxid uhličitý, olej, diamanty, uhlohydráty atd., Jsou součástí jeho fyzikální a chemické projevy.

Zdroj: Gabriel Bolívar

Jaký je však atom uhlíku? Nepřesná první skica je skica na obrázku výše, jejíž vlastnosti jsou popsány v následující části.

Atómy uhlíku procházejí atmosférou, mořem, podložím, rostlinami a jakýmkoli živočišným druhem. Jeho velká chemická rozmanitost je způsobena vysokou stabilitou vazeb a způsobem, jakým jsou uspořádány v prostoru. Máte tedy na jedné straně hladký a mazací grafit; a na druhé straně diamant, jehož tvrdost převyšuje tvrdost mnoha materiálů.

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

Vlastnosti atomu uhlíku

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

Součet hmot atomových částic dává průměrnou hodnotu 12,0107 u. Atom na obrázku však odpovídá izotopu uhlíku 12 (¹² C), který se skládá z d. Jiné izotopy, jako je například ¹³ ° C a ¹⁴ ° C, v menší míře, se liší pouze v počtu neutronů.

Tak, jestliže byly vypracovány tyto izotopy, ¹³ C, bude mít další žlutý kruh, a ¹⁴ C, bude mít dva. To logicky znamená, že se jedná o těžší atomy uhlíku.

Jaké další vlastnosti lze v tomto ohledu zmínit? Je čtyřmocný, to znamená, že může tvořit čtyři kovalentní vazby. Je umístěn ve skupině 14 (IVA) periodické tabulky, konkrétněji v bloku p.

Je to také velmi všestranný atom schopný spojit se téměř se všemi prvky periodické tabulky; zvláště sám o sobě tvoří lineární, rozvětvené a laminární makromolekuly a polymery.

Struktura

Jaká je struktura atomu uhlíku? Chcete-li odpovědět na tuto otázku, musíte nejprve přejít do její elektronické konfigurace: 1s ² 2s ² 2p ² nebo 2s ² 2p ².

Proto existují tři orbitaly: 1s ², 2s ² a 2p ², každý se dvěma elektrony. To lze také vidět na obrázku výše: tři kruhy se dvěma elektrony (modré hvězdy), každý (neměňte kruhy za oběžné dráhy: jsou to orbity).

Všimněte si však, že dvě hvězdy mají tmavší odstín modré než zbývající čtyři. Proč? Vzhledem k tomu, z nichž první dvě odpovídají na vnitřní vrstvu 1 s ² o, které se přímo nepodílí na tvorbě chemických vazeb; zatímco elektrony ve vnějším plášti, 2s a 2p, ano.

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

Struktura atomu uhlíku se tedy skládá ze tří orbitálů, kde se elektrony „roztaví“ do rozmazaných elektronických mraků. A mezi jádrem a těmito elektrony je vzdálenost, která odhaluje obrovskou „prázdnotu“ uvnitř atomu.

Hybridizace

Již bylo zmíněno, že atom uhlíku je čtyřmocný. Podle jeho elektronické konfigurace jsou jeho 2s elektrony spárovány a 2p nepárovány:

Zdroj: Gabriel Bolívar

Existuje jeden dostupný orbitál, který je prázdný a naplněný dalším elektronem na atomu dusíku (2p ³).

Podle definice kovalentní vazby je nutné, aby každý atom přispíval elektronem k jeho tvorbě; je však vidět, že v základním stavu atomu uhlíku má pouze dva nepárové elektrony (jeden v každém 2p orbitálu). To znamená, že v tomto stavu jde o dvojmocný atom, a proto tvoří pouze dvě vazby (–C–).

Jak je tedy možné, aby atom uhlíku tvořil čtyři vazby? Chcete-li to provést, musíte propagovat elektron z orbitálu 2s na orbitál 2p s vyšší energií. Díky tomu jsou výsledné čtyři orbity degenerované; jinými slovy, mají stejnou energii nebo stabilitu (všimněte si, že jsou zarovnány).

Tento proces je znám jako hybridizace, a díky tomu, atom uhlíku, má nyní čtyři sp ³ orbitalů s jedním elektronem každý pro vytvoření čtyř vazeb. Toto je kvůli jeho charakteristice být tetravalent.

sp

Když atom uhlíku má sp ³ hybridizace, se orientuje její čtyři hybridní orbitaly do vrcholů čtyřstěnu, což je jejich elektronické geometrie.

Tak, sp ³ uhlíku mohou být identifikovány, protože tvoří pouze čtyři jednoduché vazby, jako je tomu v molekule methanu (CH ₄). A kolem toho lze pozorovat tetraedrické prostředí.

Přesah sp ³ orbitalů je tak účinný a stabilní, že jednoduchou vazbu CC má entalpii 345,6 kJ / mol. To vysvětluje, proč existují nekonečné uhličitanové struktury a nespočetné množství organických sloučenin. Kromě toho mohou atomy uhlíku tvořit další typy vazeb.

sp

Zdroj: Gabriel Bolívar

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

V sp ² hybridizaci, jak je vidět na obrázku, jsou tři degenerované sp ² orbitaly a jeden 2p orbitální zůstává beze změny, nebo „čisté“. S oběma orbitaly sp ² od sebe vzdálenými 120 ° tvoří uhlík tři kovalentní vazby nakreslující elektronickou geometrii trigonální roviny; zatímco s 2p orbitalem, kolmým k ostatním třem, tvoří π vazbu: –C = C–.

V případě hybridizace sp jsou dvě spirály orbity 180 ° od sebe tak, že nakreslují lineární elektronickou geometrii. Tentokrát mají dva čisté 2p orbity, kolmé na sebe, které umožňují uhlíku tvořit trojné vazby nebo dvě dvojné vazby: –C –C– nebo ·· C = C = C ·· (centrální uhlík má hybridizaci sp).

Všimněte si, že vždy (obecně), pokud jsou přidány vazby kolem uhlíku, bude zjištěno, že počet je roven čtyřem. Tato informace je nezbytná při kreslení Lewisových struktur nebo molekulárních struktur. Atom uhlíku tvořící pět vazeb (= C≡C) je teoreticky a experimentálně nepřípustný.

Klasifikace

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

Hlavní

Primární uhlík je uhlík vázaný pouze na jeden další uhlík. Například, ethan molekula, CH ₃ -CH ₃ se skládá ze dvou spojených primárních uhlíků. To signalizuje konec nebo začátek uhlíkového řetězce.

Sekundární

Je to ten, který je spojen se dvěma uhlíky. Tak, pro propan molekulu, CH ₃ - CH ₂ -CH ₃, prostřední atom uhlíku je sekundární (methylenová skupina, -CH ₂ -).

Terciární

Terciární uhlíky se liší od ostatních, protože z nich vycházejí větve hlavního řetězce. Například, 2-methylbutan (také nazývaný isopentanu), CH ₃ - CH (CH ₃) -CH ₂ -CH ₃ má terciární atom uhlíku zvýrazněny tučným písmem.

Kvartérní

A konečně, kvartérní uhlíky, jak naznačuje jejich název, jsou spojeny se čtyřmi dalšími atomy uhlíku. Neopentan molekula, C (CH ₃) _4, má kvartérní uhlíkový atom.

Aplikace

Atomová hmotnostní jednotka

Průměr atomové hmotnosti ¹² C se používá jako standard pro výpočet hmotností ostatních prvků. Vodík tedy váží jednu dvanáctinu tohoto izotopu uhlíku, který se používá k definování toho, co se nazývá atomová hmotnostní jednotka u.

Ostatní atomové hmotnosti lze tedy porovnat s hmotností ¹² ° C a ¹ H. Například hořčík (²⁴ Mg) váží přibližně dvakrát hmotnost atomu uhlíku a 24krát více než atom vodíku.

Uhlíkový cyklus a život

Rostliny absorbují CO ₂ v procesu fotosyntézy uvolňovat kyslík do atmosféry a působí jako rostlinné plic. Když zemřou, stanou se dřevěným uhlím, které po spálení _znovu uvolňuje CO ₂. Jedna část se vrací k rostlinám, ale druhá končí v mořském dně a vyživuje mnoho mikroorganismů.

Když mikroorganismy umírají, pevná látka zůstává v biologickém rozkladu sedimentů a po milionech let je přeměněna na tzv. Olej.

Když lidstvo používá tento olej jako alternativní zdroj energie ke spalování uhlí, přispívá k uvolňování více CO ₂ (a dalších nežádoucích plynů).

Na druhé straně život používá atomy uhlíku od samého dna. Je to kvůli stabilitě jejích vazeb, což mu umožňuje vytvářet řetězce a molekulární struktury, které vytvářejí makromolekuly stejně důležité jako DNA.

NMR spektroskopie

¹³ ° C, i když je při mnohem nižší podíl na ¹² ° C, jejich výskyt je dostatečné pro objasnění molekulárních struktur podle NMR spektroskopie uhlíku 13.

Díky této analýzy techniky je možné určit, které atomy obklopují ¹³ C a které funkční skupiny patří. Lze tedy určit uhlíkovou kostru jakékoli organické sloučeniny.

Reference

1. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. Organická chemie. Amines. (10. vydání.) Wiley Plus.
2. Blake D. (4. května 2018). Čtyři vlastnosti uhlíku. Obnoveno z: sciencing.com
3. Královská společnost chemie. (2018). Uhlí. Převzato z: rsc.org
4. Pochopení evoluce. (sf). Cesta atomu uhlíku. Obnoveno z: evolution.berkeley.edu
5. Encyclopædia Britannica. (14. března 2018). Uhlí. Obnoveno z: britannica.com
6. Pappas S. (29. září 2017). Fakta o uhlíku. Obnoveno z: livescience.com