atom de carbon este poate cel mai important și emblematic dintre toate elementele, deoarece datorită ei este posibilă existența vieții. Înglobează în sine nu doar câțiva electroni, sau un nucleu cu protoni și neutroni, ci și praf de stele, care se termină încorporat și formează ființe vii.
De asemenea, atomii de carbon se găsesc în scoarța terestră, deși nu într-o abundență comparabilă cu elementele metalice precum fierul, carbonații, dioxidul de carbon, uleiul, diamantele, carbohidrații etc., fac parte din manifestările sale fizice și chimice..
Dar cum este atomul de carbon? O primă schiță inexactă este cea văzută în imaginea de mai sus, ale cărei caracteristici sunt descrise în secțiunea următoare.
Atomii de carbon străbat atmosfera, mările, subsolul, plantele și orice specie de animal. Marea sa diversitate chimică se datorează stabilității ridicate a legăturilor sale și a modului în care acestea sunt aranjate în spațiu. Astfel, pe de o parte există grafit moale și lubrifiant; iar pe de altă parte, diamantul, a cărui duritate îl depășește pe cel al multor materiale.
Dacă atomul de carbon nu ar avea calitățile care îl caracterizează, chimia organică nu ar exista complet. Unii vizionari văd în el noile materiale ale viitorului, prin proiectarea și funcționalizarea structurilor lor alotrope (nanotuburi de carbon, grafen, fullerene etc.).
Indice articol
Atomul de carbon este simbolizat prin litera C. Numărul său atomic Z este 6, prin urmare are șase protoni (cercuri roșii cu simbolul „+” în nucleu). În plus, are șase neutroni (cercuri galbene cu litera „N”) și în cele din urmă șase electroni (stele albastre).
Suma maselor particulelor sale atomice dă o valoare medie de 12,0107 u. Cu toate acestea, atomul din imagine corespunde izotopului de carbon 12 (12C), care constă din d. Alți izotopi, cum ar fi 13C și 14C, mai puțin abundent, variază doar în ceea ce privește numărul de neutroni.
Astfel, dacă acești izotopi ar fi atrași 13C ar avea un cerc galben suplimentar și 14C, încă două. Acest lucru înseamnă logic că sunt atomi de carbon mai grei..
În plus, ce alte caracteristici pot fi menționate în acest sens? Este tetravalent, adică poate forma patru legături covalente. Se află în grupa 14 (IVA) a tabelului periodic, mai precis în blocul p.
Este, de asemenea, un atom foarte versatil, capabil să se lege cu aproape toate elementele din tabelul periodic; mai ales cu sine însuși, formând macromolecule și polimeri liniari, ramificați și laminari.
Care este structura unui atom de carbon? Pentru a răspunde la această întrebare, trebuie mai întâi să mergeți la configurația sa electronică: 1sDouă2sDouă2 PDouă sau [El] 2sDouă2 PDouă.
Prin urmare, există trei orbitali: 1sDouă, 2sDouă iar 2pDouă, fiecare cu doi electroni. Acest lucru poate fi văzut și în imaginea de mai sus: trei inele cu câte doi electroni (stele albastre) fiecare (nu confundați inelele cu orbite: sunt orbitali).
Rețineți, însă, că două dintre stele au o nuanță mai închisă de albastru decât celelalte patru. De ce? Deoarece primele două corespund stratului interior 1sDouă sau [He], care nu participă direct la formarea legăturilor chimice; în timp ce electronii învelișului exterior, 2s și 2p, fac.
Orbitalele s și p nu au aceeași formă, deci atomul ilustrat nu este de acord cu realitatea; pe lângă marea disproporție a distanței dintre electroni și nucleu, care ar trebui să fie de sute de ori mai mare.
Prin urmare, structura atomului de carbon este formată din trei orbitali în care electronii se „topesc” în nori electronici încețoșați. Și între nucleu și acești electroni există o distanță care dezvăluie imensul "vid" din interiorul atomului..
S-a menționat mai devreme că atomul de carbon este tetravalent. Conform configurației sale electronice, electronii săi 2s sunt împerecheați, iar electronii 2p nepereche:
Este disponibil un orbital p, care este gol și este umplut cu un electron suplimentar pe atomul de azot (2p3).
Conform definiției legăturii covalente, este necesar ca fiecare atom să contribuie cu un electron pentru formarea sa; cu toate acestea, se poate observa că în starea de bază din atomul de carbon, are doar doi electroni nepereche (unul în fiecare orbital 2p). Aceasta înseamnă că în această stare este un atom divalent și, prin urmare, formează doar două legături (-C-).
Deci, cum este posibil ca atomul de carbon să formeze patru legături? Pentru a face acest lucru, trebuie să promovați un electron de la orbitalul 2s la orbitalul 2p cu energie mai mare. Făcut acest lucru, cei patru orbitali rezultați sunt degenerat; cu alte cuvinte, au aceeași energie sau stabilitate (rețineți că sunt aliniate).
Acest proces este cunoscut sub numele de hibridizare și, datorită acestuia, atomul de carbon are acum patru sp orbitali3 cu câte un electron fiecare pentru a forma patru legături. Acest lucru se datorează caracteristicii sale de a fi tetravalent.
Când atomul de carbon are o hibridizare sp3, își orientează cei patru orbitali hibrizi către vârfurile unui tetraedru, care este geometria sa electronică.
Astfel, se poate identifica un carbon sp3 deoarece formează doar patru legături simple, ca și în molecula de metan (CH4). Și în jurul său se poate observa un mediu tetraedric.
Suprapunerea orbitalilor sp3 este atât de eficient și stabil încât legătura C-C simplă are o entalpie de 345,6 kJ / mol. Aceasta explică de ce există structuri interminabile de carbonat și un număr incomensurabil de compuși organici. În plus, atomii de carbon pot forma alte tipuri de legături.
Atomul de carbon este, de asemenea, capabil să adopte alte hibridizări, care îi vor permite să formeze o legătură dublă sau chiar triplă.
În hibridizarea spDouă, așa cum se vede în imagine, există trei orbitali spDouă degenerează și un orbital 2p rămâne neschimbat sau „pur”. Cu cei trei orbitali spDouă La o distanță de 120 °, carbonul formează trei legături covalente trasând o geometrie electronică plan trigonal; în timp ce cu orbitalul 2p, perpendicular pe celelalte trei, formează o legătură π: -C = C-.
În cazul hibridizării sp, există doi orbitali sp distanți la 180 °, astfel încât să deseneze o geometrie electronică liniară. De această dată, au doi orbitali 2p puri, perpendiculari unul pe celălalt, care permit carbonului să formeze triple legături sau două legături duble: -C≡C- sau ·· C = C = C ·· (carbonul central are hibridizare sp ).
Rețineți că întotdeauna (în general) dacă se adaugă legăturile din jurul carbonului, se va constata că numărul este egal cu patru. Aceste informații sunt esențiale atunci când desenăm structuri Lewis sau structuri moleculare. Un atom de carbon care formează cinci legături (= C≡C) este inadmisibil teoretic și experimental.
Cum sunt clasificați atomii de carbon? Mai mult decât o clasificare pe caracteristici interne, depinde de fapt de mediul molecular. Adică, în cadrul unei molecule, atomii săi de carbon pot fi clasificați după cum urmează.
Un carbon primar este unul care este legat doar de un alt carbon. De exemplu, molecula de etan, CH3-CH3 Se compune din doi atomi de carbon primari legati. Aceasta semnalează sfârșitul sau începutul unui lanț de carbon.
Este unul care este legat de doi carboni. Astfel, pentru molecula de propan, CH3-CHDouă-CH3, atomul mediu de carbon este secundar (gruparea metilen, -CHDouă-).
Carbonii terțiari diferă de restul, deoarece ramurile lanțului principal ies din ele. De exemplu, 2-metilbutan (numit și izopentan), CH3-CH(CH3) -CHDouă-CH3 are un carbon terțiar evidențiat cu caractere aldine.
Și, în cele din urmă, carbonii cuaternari, după cum sugerează și numele lor, sunt legați de alți patru atomi de carbon. Molecula de neopentan, C(CH3)4 posedă un atom de carbon cuaternar.
Masa atomică medie a 12C este folosit ca măsură standard pentru calcularea maselor celorlalte elemente. Astfel, hidrogenul cântărește o doisprezecime din acest izotop de carbon, care este utilizat pentru a defini ceea ce este cunoscut sub numele de unitate de masă atomică u.
Astfel, celelalte mase atomice pot fi comparate cu cea a 12C și 1H. De exemplu, magneziul (24Mg) cântărește aproximativ de două ori greutatea unui atom de carbon și de 24 de ori mai mult decât un atom de hidrogen.
Plantele absorb CODouă în procesul de fotosinteză pentru a elibera oxigen în atmosferă și a acționa ca plămâni de plante. Când mor, se transformă în cărbune care, după ardere, eliberează din nou CODouă. O parte se întoarce la plante, dar alta ajunge în fundul mării, hrănind multe microorganisme.
Când microorganismele mor, solidul rămân în sedimentele sale de descompunere biologică și, după milioane de ani, este transformat în ceea ce este cunoscut sub numele de petrol..
Când omenirea folosește acest petrol ca sursă de energie alternativă la arderea cărbunelui, contribuie la eliberarea de mai mult CODouă (și alte gaze nedorite).
Pe de altă parte, viața folosește atomi de carbon din adâncul interior. Acest lucru se datorează stabilității legăturilor sale, care îi permite să formeze lanțuri și structuri moleculare care alcătuiesc macromoleculele la fel de importante ca ADN-ul..
13C, deși este într-o proporție mult mai mică decât cea a 12C, abundența sa este suficientă pentru a elucida structurile moleculare prin spectroscopie de rezonanță magnetică nucleară de carbon 13.
Datorită acestei tehnici de analiză este posibil să se determine ce atomi înconjoară 13C și la ce grupuri funcționale aparțin. Astfel, poate fi determinat scheletul de carbon al oricărui compus organic..
Nimeni nu a comentat acest articol încă.