Oglekļa atomu raksturojums, struktūra, hibridizācija, klasifikācija

The oglekļa atoms Tas, iespējams, ir vissvarīgākais un simboliskākais no visiem elementiem, jo ​​pateicoties tam, ir iespējams dzīvības esamība. Tas pats ne tikai ietver dažus elektronus, vai kodolu ar protoniem un neitroniem, bet arī zvaigznes putekļus, kas beidzas ar iestrādāšanu un veido dzīvās būtnes..

Arī oglekļa atomi ir atrodami zemes garozā, lai gan ne ar pārpilnību, kas ir salīdzināma ar metāla elementiem, piemēram, dzelzi, karbonātiem, oglekļa dioksīdu, eļļu, dimantiem, ogļhidrātu utt. tās fizikālās un ķīmiskās izpausmes.

Bet kā ir oglekļa atoms? Pirmā neprecīza skice ir tā, kas redzama attēlā, kura raksturlielumi ir aprakstīti nākamajā sadaļā.

Oglekļa atomi ceļo caur atmosfēru, jūrām, grunti, augiem un jebkurām dzīvnieku sugām. Tās lielā ķīmiskā daudzveidība ir saistīta ar tās saikņu augsto stabilitāti un to, kā tās tiek pasūtītas kosmosā. Tādējādi, no vienas puses, tā ir gluda un eļļojoša grafīta; un, no otras puses, dimantu, kura cietība pārsniedz daudzu materiālu cietību.

Ja oglekļa atoms nespētu raksturot to īpašības, organiskā ķīmija nebūtu pilnīgi. Daži redzētāji tajā redz jaunus materiālus nākotnē, projektējot un funkcionalizējot tās allotropās struktūras (oglekļa nanocaurules, grafēnu, fullerēnus uc)..

Indekss

• 1 Oglekļa atoma raksturojums
• 2 Struktūra
• 3 Hibridizācija
  • 3.1 sp3
  • 3.2 sp2 un sp
• 4 Klasifikācija
  • 4.1. Primārā
  • 4.2. Sekundārā
  • 4.3. Terciārā
  • 4.4 Kvartārs
• 5 Lietojumi
  • 5.1 Atomu masas vienība
  • 5.2 Oglekļa cikls un dzīvība
  • 5.3. 13C NMR spektroskopija
• 6 Atsauces

Oglekļa atoma raksturojums

Oglekļa atomu simbolizē ar burtu C. Tā atomu skaits Z ir 6, tāpēc tam ir seši protoni (sarkani apļi ar simbolu "+" kodolā). Turklāt tam ir seši neitroni (dzelteni apļi ar burtu "N") un, visbeidzot, seši elektroni (zilas zvaigznes).

Atomu daļiņu masu summa dod vidējo vērtību 12,0107 u. Tomēr atoms attēlā atbilst 12-oglekļa izotopam (¹²C), kas sastāv no d. Citi izotopi, piemēram, ¹³C un ¹⁴C, kas ir mazāk bagāts, atšķiras tikai no neitronu skaita.

Tātad, ja jūs ievelkat šos izotopus ¹³C būtu papildu dzeltens aplis un ¹⁴C, vēl divas. Tas loģiski nozīmē, ka tie ir smagāki oglekļa atomi.

Papildus tam, kādas citas iezīmes var minēt šajā sakarā? Tas ir tetravalents, tas ir, tas var veidot četras kovalentās saites. Tas atrodas periodiskās tabulas 14. grupā (PVN), konkrētāk, blokā p.

Tas ir arī ļoti daudzpusīgs atoms, kas spēj sasaistīties ar gandrīz visiem periodiskās tabulas elementiem; īpaši ar sevi, veidojot makromolekulas un lineāros, sazarotos un lamelāros polimērus.

Struktūra

Kāda ir oglekļa atoma struktūra? Lai atbildētu uz šo jautājumu, vispirms jāiet uz savu elektronisko konfigurāciju: 1s²2s²2p² vai [Viņš] 2s²2p².

Tāpēc ir trīs orbītas: 1s², 2s² un 2p², katram ir divi elektroni. To var redzēt arī iepriekš redzamajā attēlā: trīs gredzeni ar diviem elektroniem (zilas zvaigznes) katrs (nesajauciet gredzenus ar orbītu: tie ir orbitāli).

Ņemiet vērā, ka divām zvaigznēm ir tumšāks zilā tonis nekā pārējiem četriem. Kāpēc? Tā kā pirmie divi atbilst iekšējam slānim 1s² vai [Viņš], kas tieši nepiedalās ķīmisko saišu veidošanā; kamēr elektroni ārējā slānī, 2s un 2p, dara.

S un p orbitālēm nav vienādas formas, tāpēc ilustrētais atoms nav saskaņā ar realitāti; papildus lielajam attālumam starp elektroniem un kodolu, kas būtu simtiem reižu lielāks.

Tāpēc oglekļa atomu struktūra sastāv no trim orbitālēm, kur elektroni "izkus" izkliedētos elektroniskos mākoņos. Un starp kodolu un šiem elektroniem ir attālums, kas ļauj mums ieskatīties milzīgo "tukšumu" atoma iekšpusē..

Hibridizācija

Iepriekš tika minēts, ka oglekļa atoms ir tetravalents. Saskaņā ar tās elektronisko konfigurāciju tās 2s elektroni ir savienoti pārī un 2p elektroni ir nesavienoti:

Tur paliek pieejams orbitāls, kas ir tukšs un piepildīts ar papildu elektronu slāpekļa atomā (2p³).

Saskaņā ar kovalentās saiknes definīciju katram atomam ir nepieciešams veidot elektronu; Tomēr to var novērot bazālais stāvoklis no oglekļa atoma, tas tikko ir divi nesavienoti elektroni (viens katram 2p orbitālam). Tas nozīmē, ka šajā stāvoklī tas ir divvērtīgs atoms, un tāpēc tas veido tikai divas saites (-C-).

Tātad, kā ir iespējams, ka oglekļa atoms veido četras saites? Lai to izdarītu, jums ir jāveicina elektronu no 2s orbitālā līdz 2p augstākajai enerģijas orbitālai. Tas notika, četras radušās orbītas ir deģenerēta; citiem vārdiem sakot, viņiem ir tāda pati enerģija vai stabilitāte (ņemiet vērā, ka tie ir saskaņoti).

Šis process ir pazīstams kā hibridizācija, un, pateicoties tam, oglekļa atomam ir četri orbitālie sp³ ar vienu elektronu, lai izveidotu četras saites. Tas ir tāpēc, ka tas ir tetravalents.

sp³

Kad oglekļa atomam piemīt spibridizācija³, Orientējiet savus četrus hibrīda orbitālus uz tetraedra virsotnēm, kas ir tās elektroniskā ģeometrija.

Tātad, jūs varat identificēt oglekļa sp³ jo tā veido tikai četras vienkāršas saites, kā metāna molekulā (CH₄). Un ap šo var novērot tetraedru vidi.

Sp orbitāļu pārklāšanās³ tā ir tik efektīva un stabila, ka vienkārša C-C saite ir entalpija 345,6 kJ / mol. Tas izskaidro, kāpēc ir bezgalīgas oglekļa struktūras un nenovērtējams organisko savienojumu skaits. Turklāt oglekļa atomi var veidot cita veida obligācijas.

sp² un sp

Oglekļa atoms spēj pieņemt arī citus hibridizējumus, kas ļaus veidot dubultu vai pat trīskāršu saiti.

Spibridizācijā², Kā redzams attēlā, ir trīs sp orbitāli² deģenerēta un 2p orbītā paliek nemainīga vai „tīra”. Ar trim sp orbitālēm² atdalīts 120º, ogleklis veido trīs kovalentās saites, pievelkot trigonālās plaknes elektronisko ģeometriju; kamēr ar 2p orbitāli, perpendikulāri pārējiem trim, tas veido saiti π: -C = C-.

Spibridizācijas gadījumā ir divi sp orbitāli, kas ir atdalīti 180º, lai tie iegūtu lineāru elektronisko ģeometriju. Šoreiz viņiem ir divas tīra 2p orbītas, kas ir perpendikulāras viena otrai, kas ļauj ogleklim veidot trīskāršas saites vai divas divkāršas saites: -C≡C- vai · C = C = C ·· (centrālajam ogleklim ir spibridizācija) ).

Ņemiet vērā, ka vienmēr (parasti), ja pievienojat saites ap oglekli, jūs atradīsiet, ka numurs ir vienāds ar četriem. Šī informācija ir būtiska, veidojot Lewis struktūras vai molekulārās struktūras. Oglekļa atoms, kas veido piecas saites (= C atomC), teorētiski un eksperimentāli nav pieļaujams.

Klasifikācija

Kā tiek klasificēti oglekļa atomi? Vairāk nekā klasifikācija pēc iekšējām īpašībām faktiski ir atkarīga no molekulārās vides. Tas nozīmē, ka molekulā tās oglekļa atomus var klasificēt pēc sekojošiem.

Primārā

Primārais ogleklis ir saistīts tikai ar citu oglekli. Piemēram, etāna molekula, CH₃-CH₃ sastāv no diviem primāriem oglekliem. Tas norāda uz oglekļa ķēdes beigām vai sākumu.

Sekundārā

Tas ir saistīts ar diviem oglekļiem. Tātad, propāna molekulai CH₃-CH₂-CH₃, vidēja oglekļa atoms ir sekundārs (metilēngrupa, -CH₂-).

Terciārā

Terciārās ogles atšķiras no pārējās, jo no tām rodas galvenās ķēdes filiāles. Piemēram, 2-metilbutāns (saukts arī par izopentānu), CH₃-CH(CH₃) -CH₂-CH₃ Tai ir terciārs ogleklis, kas iezīmēts treknrakstā.

Kvartārs

Un, visbeidzot, kvaternālie oglekļi, kā norāda nosaukums, ir saistīti ar četriem citiem oglekļa atomiem. Neopentāna molekula, C(CH₃)₄ ir kvaternārs oglekļa atoms.

Lietojumi

Atomu masas vienība

Vidējā atomu masa. \ T ¹²C tiek izmantots kā standarta pasākums citu elementu masu aprēķināšanai. Tādējādi ūdeņradis sver divpadsmito daļu no šī oglekļa izotopa, ko izmanto, lai noteiktu to, kas ir pazīstams kā atomu masas vienība u.

Tādējādi citas atomu masas var salīdzināt ar ¹²C un ¹H. Piemēram, magnija (²⁴Mg) sver apmēram divreiz vairāk nekā oglekļa atoms un 24 reizes vairāk nekā ūdeņraža atoms.

Oglekļa cikls un dzīve

Augi absorbē CO₂ fotosintēzes procesā, lai atbrīvotu skābekli atmosfērā un darbotos kā augu plaušas. Kad viņi mirst, tie kļūst par kokogli, kas pēc dedzināšanas izdala CO₂. Viena daļa atgriežas augos, bet cits nonāk jūras gultnē, barojot daudzus mikroorganismus.

Kad mikroorganismi mirst, atlikušo cieto vielu bioloģiskās sadalīšanās nogulsnēs un pēc miljoniem gadu tas tiek pārveidots par eļļu..

Kad cilvēce izmanto šo eļļu kā alternatīvu enerģijas avotu ogļu dedzināšanai, tā veicina vairāk CO izdalīšanos₂ (un citas nevēlamas gāzes).

No otras puses, dzīve izmanto oglekļa atomus no tās dziļākajiem pamatiem. Tas ir saistīts ar tās obligāciju stabilitāti, kas ļauj veidot ķēdes un molekulāras struktūras, kas veido tikpat svarīgas makromolekulas kā DNS.

NMR spektroskopija ¹³C

The ¹³C, pat ja tā ir daudz mazākā proporcijā nekā. \ T ¹²C, tās pārpilnība ir pietiekama, lai izskaidrotu molekulārās struktūras ar oglekļa-13 kodolmagnētiskās rezonanses spektroskopijas palīdzību.

Pateicoties šai analīzes metodei, var noteikt, kuri atomi ieskauj ¹³C un uz kurām funkcionālajām grupām tās pieder. Tādējādi var noteikt jebkura organiskā savienojuma oglekļa skeletu.

Atsauces

1. Graham Solomons T.W., Craig B. Fryhle. Organiskā ķīmija. Amīni (10. izdevums.) Wiley Plus.
2. Blake D. (2018. gada 4. maijs). Četras oglekļa īpašības. Saturs iegūts no: sciencing.com
3. Karaliskā ķīmijas biedrība. (2018). Ogleklis. Uzņemts no: rsc.org
4. Izpratne par evolūciju. (s.f.). Oglekļa atoma. Saturs iegūts no: evolution.berkeley.edu
5. Encyclopædia Britannica. (2018. gada 14. marts). Ogleklis. Saturs iegūts no: britannica.com
6. Pappas S. (2017. gada 29. septembris). Fakti par oglekli. Saturs iegūts no: livescience.com