UGLJIKOV ATOM: KARAKTERISTIKE, STRUKTURA, HIBRIDIZACIJA - KEMIJA - 2026

Ugljikov atom je možda najvažniji i simbolom svih elemenata, jer je zahvaljujući njemu postojanje života je moguće. Obuhvaća u sebi ne samo nekoliko elektrona ili jezgru protona i neutrona, već i zvjezdanu prašinu, koja se na kraju uklopljena i tvori živa bića.

Također, atomi ugljika nalaze se u zemljinoj kori, iako ne u obilju koji se može usporediti s metalnim elementima kao što su željezo, karbonati, ugljični dioksid, ulje, dijamanti, ugljikohidrati itd., Oni su dio njegove fizičke i kemijske manifestacije.

Izvor: Gabriel Bolívar

Ali kakav je ugljikov atom? Netočna prva skica je ona koja se vidi na slici iznad, čije su karakteristike opisane u sljedećem odjeljku.

Ugljikovi atomi prolaze kroz atmosferu, mora, podzemlje, biljke i bilo koje životinjske vrste. Njegova velika kemijska raznolikost je zbog visoke stabilnosti njegovih veza i načina na koji su raspoređeni u prostoru. Dakle, imate s jedne strane glatki i podmazujući grafit; s druge strane dijamant, čija tvrdoća prelazi tvrdoću mnogih materijala.

Da atom ugljika ne bi imao osobine koje ga karakteriziraju, organska kemija ne bi postojala u potpunosti. Neki vidovnjaci u tome vide nove materijale budućnosti, kroz dizajn i funkcionalizaciju njihovih alotropnih struktura (ugljikove nanocjevčice, grafen, fulereni, itd.).

Karakteristike atoma ugljika

Atom ugljika simbolizira slovo C. Njegov atomski broj Z je 6, dakle ima šest protona (crveni krugovi sa simbolom "+" u jezgri). Pored toga, ima šest neutrona (žuti krugovi sa slovom "N") i napokon šest elektrona (plave zvijezde).

Zbroj masa njegovih atomskih čestica daje prosječnu vrijednost od 12.0107 u. Međutim, atom na slici odgovara izotopu ugljika 12 (¹² C), koji se sastoji od d. Ostali izotopi, poput ¹³ ° C i ¹⁴ ° C, manje obilni, variraju samo u broju neutrona.

Ako bi se izvukli ovi izotopi, ¹³ C imalo bi dodatni žuti krug, a ¹⁴ C još dva. To logično znači da su oni teži ugljikovi atomi.

Pored ovoga, koje se druge značajke mogu spomenuti u vezi s tim? Četverovalentna je, odnosno može tvoriti četiri kovalentne veze. Smješten je u grupi 14 (IVA) periodične tablice, točnije u bloku p.

To je također vrlo svestran atom, sposoban za vezanje s gotovo svim elementima periodičke tablice; posebno sa sobom, tvoreći linearne, razgranate i laminarne makromolekule i polimere.

Struktura

Kakva je struktura ugljikovog atoma? Da biste odgovorili na ovo pitanje, prvo morate prijeći na njegovu elektroničku konfiguraciju: 1s ² 2s ² 2p ² ili 2s ² 2p ².

Stoga postoje tri orbitale: 1s ², 2s ² i 2p ², a svaka ima po dva elektrona. To se može vidjeti i na gornjoj slici: tri prstena s dva elektrona (plave zvijezde) svaki (ne zabunite prstenove za orbite: oni su orbitale).

Imajte na umu da dvije zvijezde imaju tamniju nijansu plave od preostale četiri. Zašto? Budući da prva dva odgovaraju unutarnjem sloju ls ² o, koji ne sudjeluje izravno u stvaranju kemijskih veza; dok elektroni u vanjskoj ljusci rade 2s i 2p.

S i p orbitale nemaju isti oblik, tako da se ilustrirani atom ne slaže sa stvarnošću; pored velike nesrazmjerne udaljenosti između elektrona i jezgre koja bi trebala biti stotina puta veća.

Stoga se struktura ugljikovog atoma sastoji od tri orbitale gdje se elektroni "tope" u zamućene elektronske oblake. A između jezgre i tih elektrona postoji udaljenost koja otkriva neizmjernu „prazninu“ unutar atoma.

Hibridizacija

Ranije je spomenuto da je ugljikov atom tetravantan. Prema svojoj elektroničkoj konfiguraciji, 2s su mu elektroni upareni, a 2p neparni:

Izvor: Gabriel Bolívar

Postoji jedna dostupna p orbitala, koja je prazna i napunjena dodatnim elektronom na atomu dušika (2p ³).

Prema definiciji kovalentne veze, potrebno je da svaki atom daje doprinos elektronu za njegovo stvaranje; međutim, može se vidjeti da u prizemnom stanju atoma ugljika ima samo dva nesparena elektrona (po jedan u svakoj 2p orbiti). To znači da je u ovom stanju dvovalentni atom, te stoga tvori samo dvije veze (–C–).

Pa kako je moguće da ugljikov atom formira četiri veze? Da biste to učinili, morate promovirati elektron iz orbite 2s u orbital više energije. Ovo je učinjeno, rezultirajuće četiri orbitale su degenerirane; drugim riječima, imaju istu energiju ili stabilnost (imajte na umu da su usklađeni).

Ovaj proces je poznat kao hibridizacija, a zahvaljujući tome, ugljikov atom sada ima četiri sp ³ orbitale s jednim elektronskim svaki za formiranje četiri veze. To je zbog njegove karakteristike da je tetravalentan.

sp

Kada atom ugljika ima sp ³ hibridizacije, što usmjerava na četiri hibridne orbitale na vrhovima tetraedra, što je njegov elektronski geometrija.

Prema tome, sp ³ ugljika mogu se identificirati jer tvori samo četiri jednostavna veza, kao što je metan molekule (CH ₄). A oko toga se može promatrati tetraedarsko okruženje.

Preklapanje sp ³ orbitala je toliko učinkovito i stabilno da jednostruka veza CC ima entalpiju od 345,6 kJ / mol. To objašnjava zašto postoje beskrajne karbonatne strukture i neizmjeran broj organskih spojeva. Pored toga, ugljikovi atomi mogu tvoriti i druge vrste veza.

sp

Izvor: Gabriel Bolívar

Ugljikov atom može usvojiti i druge hibridizacije, što će mu omogućiti da formira dvostruku ili čak trostruku vezu.

U sp ² hibridizacije, kao što se vidi na slici, postoje tri degenerirani sp ² orbitale i jedan 2p orbitalne ostaje nepromijenjena ili „čisti”. S tri sp ² orbitala 120º odvojeno, su oblici atoma tri kovalentne veze crtež u trokutasti ravnina elektronski geometriju; dok s 2p orbitalom, okomito na ostala tri, on tvori π vezu: –C = C–.

U slučaju sp hibridizacije, dvije su orbitale sp 180 jednake na takav način da crtaju linearnu elektroničku geometriju. Ovog puta imaju dvije čiste 2p orbitale, okomito jedna na drugu, koje omogućuju da ugljik formira trostruke veze ili dvije dvostruke veze: -C≡C– ili ·· C = C = C ·· (središnji ugljik ima sp hibridizaciju).

Imajte na umu da će uvijek (općenito) ako se dodaju veze oko ugljika ustanoviti da je broj jednak četiri. Ove su informacije ključne za crtanje Lewisovih struktura ili molekularnih struktura. Atom ugljika koji tvori pet veza (= C≡C) je teoretski i eksperimentalno nedopustiv.

Klasifikacija

Kako su klasificirani ugljikovi atomi? Više nego klasifikacija po unutarnjim karakteristikama, ona zapravo ovisi o molekularnom okruženju. Odnosno, unutar molekule njegovi se atomi ugljika mogu klasificirati na sljedeći način.

osnovni

Primarni ugljik je onaj koji je vezan samo za jedan drugi ugljik. Na primjer, etan molekula, CH ₃ -CH ₃ sastoji se od dvije povezane primarne ugljika. To signalizira kraj ili početak ugljikovog lanca.

sporedan

Ona je povezana s dva ugljika. Tako, za propan molekule, CH ₃ - CH ₂ CH ₃, srednji ugljikov atom sekundarni (metilen skupina, -CH ₂ -).

Tercijarni

Tercijarni ugljikovi se razlikuju od ostalih po tome što iz njih izlaze grane glavnog lanca. Na primjer, 2-metilbutan (također nazvan izopentana), CH ₃ - CH (CH ₃) CH ₂ CH ₃ ima tercijarni ugljik podebljane.

kvartarni

I na kraju, kvarterni ugljikovi, kao što im ime govori, povezani su s četiri druga atoma ugljika. Neopentan molekula, C (CH ₃) _4, ima kvaterni atom ugljika.

Prijave

Jedinica atomske mase

Prosječna atomska masa od ¹² C koristi se kao standardna mjera za izračun mase ostalih elemenata. Dakle, vodik teži jednu dvanaestinu ovog izotopa ugljika, koji se koristi za definiranje onoga što je poznato kao jedinica atomske mase u.

Tako se ostale atomske mase mogu usporediti s onima od ¹² C i ¹ H. Na primjer, magnezij (²⁴ Mg) teži približno dvostruko više od atoma ugljika i 24 puta više od atoma vodika.

Ciklus ugljika i život

Biljke apsorbiraju CO ₂ u procesu fotosinteze kako bi oslobađale kisik u atmosferu i djelovale kao biljna pluća. Kad umru, oni postaju ugljen koji nakon izgaranja _ponovo otpušta CO ₂. Jedan dio vraća se biljkama, ali drugi završava u morskim dnima, hraneći mnoge mikroorganizme.

Kad mikroorganizmi umiru, kruta tvar ostaje nakon biološkog raspadanja sedimenata, a nakon milijuna godina, pretvara se u ono što je poznato kao ulje.

Kada čovječanstvo koristi ovo ulje kao alternativni izvor energije za sagorijevanje ugljena, ono doprinosi oslobađanju više CO ₂ (i drugih nepoželjnih plinova).

S druge strane, život koristi ugljikove atome sa samog dna. To je zbog stabilnosti njegovih veza, što mu omogućava da formira lance i molekularne strukture koje čine makromolekule važne poput DNK.

NMR spektroskopija

¹³ ° C, iako se u mnogo nižim udio ¹² ° C, njihove obilje je dovoljan za objašnjenje molekularnih struktura od nuklearne magnetske rezonancije ugljika 13.

Zahvaljujući ovoj tehnici analize moguće je utvrditi koji atomi okružuju ¹³ C i kojima funkcionalne skupine pripadaju. Dakle, ugljikov kostur bilo kojeg organskog spoja može se odrediti.

Reference

1. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. Organska kemija. Amini. (10. izdanje.) Wiley Plus.
2. Blake D. (4. svibnja 2018.). Četiri karakteristike ugljika. Oporavilo od: sciaching.com
3. Kraljevsko društvo za kemiju. (2018.). Ugljen. Preuzeto iz: rsc.org
4. Razumijevanje evolucije. (SF). Putovanje ugljikovim atomom. Oporavak od: evolution.berkeley.edu
5. Encyclopædia Britannica. (14. ožujka 2018.). Ugljen. Oporavilo od: britannica.com
6. Pappas S. (29. rujna 2017.). Činjenice o ugljiku. Oporavilo od: lifecience.com