Đặc tính nguyên tử carbon, cấu trúc, lai hóa, phân loại



các nguyên tử carbon Nó có lẽ là quan trọng nhất và biểu tượng của tất cả các yếu tố, bởi vì nhờ nó mà sự tồn tại của cuộc sống là có thể. Nó bao bọc trong chính nó không chỉ một vài electron, hoặc một hạt nhân với các proton và neutron, mà còn cả bụi sao, cuối cùng kết hợp và tạo thành các sinh vật sống.

Ngoài ra, các nguyên tử carbon được tìm thấy trong lớp vỏ trái đất, mặc dù không có sự phong phú tương đương với các nguyên tố kim loại như sắt, cacbonat, carbon dioxide, dầu, kim cương, carbohydrate, v.v., là một phần của biểu hiện vật lý và hóa học của nó.

Nhưng nguyên tử carbon như thế nào? Một bản phác thảo không chính xác đầu tiên là bản phác thảo được quan sát trong hình trên, có đặc điểm được mô tả trong phần sau.

Các nguyên tử carbon đi qua bầu khí quyển, biển, lòng đất, thực vật và bất kỳ loài động vật nào. Sự đa dạng hóa học tuyệt vời của nó là do tính ổn định cao của các liên kết của nó và cách chúng được đặt hàng trong không gian. Do đó, nó có một mặt là than chì mịn và bôi trơn; và mặt khác, viên kim cương, có độ cứng vượt trội so với nhiều vật liệu.

Nếu nguyên tử carbon không có phẩm chất đặc trưng cho nó, hóa học hữu cơ sẽ không tồn tại hoàn toàn. Một số người nhìn xa trông thấy trong đó các vật liệu mới của tương lai, thông qua việc thiết kế và chức năng hóa các cấu trúc đẳng hướng của nó (ống nano carbon, graphene, fullerene, v.v.).

Chỉ số

  • 1 Đặc điểm của nguyên tử carbon
  • 2 cấu trúc
  • 3 lai
    • 3,1 sp3
    • 3,2 sp2 và sp
  • 4 Phân loại
    • 4.1 Chính
    • 4.2 Trung học
    • 4.3 Đệ tam
    • 4.4 Đệ tứ
  • 5 công dụng
    • 5.1 Đơn vị khối lượng nguyên tử
    • 5.2 Chu trình và tuổi thọ carbon
    • Quang phổ 5,3 13C NMR
  • 6 tài liệu tham khảo

Đặc điểm của nguyên tử carbon

Nguyên tử carbon được ký hiệu bằng chữ C. Số nguyên tử Z của nó là 6, do đó, nó có sáu proton (vòng tròn màu đỏ có ký hiệu "+" trong hạt nhân). Ngoài ra, nó có sáu neutron (vòng tròn màu vàng có chữ "N") và cuối cùng là sáu electron (các ngôi sao màu xanh).

Tổng khối lượng của các hạt nguyên tử của chúng cho giá trị trung bình là 12,0107 u. Tuy nhiên, nguyên tử trong ảnh tương ứng với đồng vị 12 carbon (12C), bao gồm d. Các đồng vị khác, như 13C và 14C, ít phong phú hơn, chỉ khác nhau về số lượng neutron.

Vì vậy, nếu bạn vẽ những đồng vị này trên 13C sẽ có thêm một vòng tròn màu vàng và 14C, hai nữa. Điều này có nghĩa là chúng là các nguyên tử carbon nặng hơn.

Ngoài vấn đề này, những đặc điểm khác có thể được đề cập trong vấn đề này? Nó là tetravalent, nghĩa là nó có thể tạo thành bốn liên kết cộng hóa trị. Nó nằm trong nhóm 14 (VAT) của bảng tuần hoàn, cụ thể hơn là trong khối p.

Nó cũng là một nguyên tử rất linh hoạt, có thể liên kết với hầu hết các yếu tố của bảng tuần hoàn; đặc biệt là với chính nó, hình thành các đại phân tử và polyme tuyến tính, phân nhánh và lamellar.

Cấu trúc

Cấu trúc của một nguyên tử carbon là gì? Để trả lời câu hỏi này, trước tiên bạn phải chuyển đến cấu hình điện tử của mình: 1s22s22p2 hoặc [Anh] 2s22p2.

Do đó, có ba quỹ đạo: 1s2, 2s2 và 2p2, mỗi hạt có hai electron. Điều này cũng có thể được nhìn thấy trong hình trên: ba vòng có hai electron (sao xanh) mỗi vòng (đừng nhầm lẫn các vòng theo quỹ đạo: chúng là quỹ đạo).

Tuy nhiên, lưu ý rằng hai trong số các ngôi sao có màu xanh lam đậm hơn bốn ngôi sao còn lại. Tại sao? Bởi vì hai cái đầu tiên tương ứng với lớp 1 bên trong2 hoặc [He], không tham gia trực tiếp vào sự hình thành liên kết hóa học; trong khi các electron ở lớp ngoài cùng, 2 giây và 2p, làm.

Các quỹ đạo s và p không có hình dạng giống nhau, vì vậy nguyên tử được minh họa không theo thực tế; ngoài sự không cân xứng lớn về khoảng cách giữa các electron và hạt nhân, nó phải lớn hơn hàng trăm lần.

Do đó, cấu trúc của nguyên tử carbon bao gồm ba quỹ đạo trong đó các electron "tan chảy" thành các đám mây điện tử khuếch tán. Và giữa hạt nhân và các electron này có một khoảng cách cho phép chúng ta nhìn thoáng qua "sự trống rỗng" to lớn bên trong nguyên tử.

Lai tạo

Nó đã được đề cập trước đó rằng nguyên tử carbon là tetravalent. Theo cấu hình điện tử của nó, các electron 2s của nó được ghép nối và các electron 2p không ghép đôi:

Vẫn còn một quỹ đạo p có sẵn, trống rỗng và chứa đầy một electron bổ sung trong nguyên tử nitơ (2p3).

Theo định nghĩa của liên kết cộng hóa trị, mỗi nguyên tử đóng góp một electron cho sự hình thành của nó là cần thiết; Tuy nhiên, có thể thấy rằng trong trạng thái cơ bản của nguyên tử carbon, nó hầu như không có hai electron chưa ghép cặp (một trong mỗi quỹ đạo 2p). Điều này có nghĩa là ở trạng thái này, nó là một nguyên tử hóa trị hai, và do đó, nó chỉ tạo thành hai liên kết (-C-).

Vì vậy, làm thế nào có thể nguyên tử carbon hình thành bốn liên kết? Để làm điều này, bạn phải thúc đẩy một electron từ quỹ đạo 2s lên quỹ đạo năng lượng cao hơn 2p. Điều này được thực hiện, bốn quỹ đạo kết quả là thoái hóa; nói cách khác, chúng có cùng năng lượng hoặc sự ổn định (lưu ý rằng chúng được căn chỉnh).

Quá trình này được gọi là lai hóa, và nhờ nó, bây giờ nguyên tử carbon có bốn quỹ đạo sp3 với một electron mỗi cái để tạo thành bốn liên kết. Điều này là do đặc tính của nó là tetravalent.

sp3

Khi nguyên tử carbon sở hữu một phép lai sp3, Định hướng bốn quỹ đạo lai của nó với các đỉnh của một khối tứ diện, đó là hình học điện tử của nó.

Vì vậy, bạn có thể xác định một carbon sp3 bởi vì nó chỉ tạo thành bốn liên kết đơn giản, như trong phân tử metan (CH4). Và xung quanh này người ta có thể quan sát một môi trường tứ diện.

Sự chồng chéo của quỹ đạo sp3 nó hiệu quả và ổn định đến mức liên kết C-C đơn giản có entanpy là 345,6 kJ / mol. Điều này giải thích tại sao có các cấu trúc carbon vô tận và một số lượng lớn các hợp chất hữu cơ. Ngoài ra, các nguyên tử carbon có thể hình thành các loại liên kết khác.

sp2 và sp

Nguyên tử carbon cũng có khả năng áp dụng các phép lai khác, điều này sẽ cho phép nó tạo thành liên kết đôi hoặc thậm chí gấp ba.

Trong lai tạo sp2, Như đã thấy trong hình, có ba quỹ đạo sp2 thoái hóa và quỹ đạo 2p vẫn không thay đổi hoặc "nguyên chất". Với ba quỹ đạo sp2 cách nhau 120 ,, carbon tạo thành ba liên kết cộng hóa trị bằng cách vẽ hình học điện tử mặt phẳng lượng giác; trong khi với quỹ đạo 2p, vuông góc với ba phần còn lại, nó tạo thành một liên kết π: -C = C-.

Đối với trường hợp lai hóa sp, có hai quỹ đạo sp cách nhau 180 độ, để chúng vẽ một hình học điện tử tuyến tính. Lần này, chúng có hai quỹ đạo 2p tinh khiết, vuông góc với nhau, cho phép carbon hình thành liên kết ba hoặc hai liên kết đôi: -C≡C- hoặc · // C = C = C ·· (carbon trung tâm có lai hóa sp) ).

Lưu ý rằng luôn luôn (thường) nếu bạn thêm các liên kết xung quanh carbon, bạn sẽ thấy rằng số đó bằng bốn. Thông tin này rất cần thiết khi vẽ cấu trúc Lewis hoặc cấu trúc phân tử. Một nguyên tử carbon hình thành năm liên kết (= C≡C) về mặt lý thuyết và thực nghiệm là không thể chấp nhận được.

Phân loại

Các nguyên tử carbon được phân loại như thế nào? Hơn một phân loại theo đặc điểm bên trong, nó phụ thuộc vào thực tế vào môi trường phân tử. Điều đó có nghĩa là, trong một phân tử, các nguyên tử carbon của nó có thể được phân loại theo các điều sau đây.

Tiểu học

Một carbon chính là một liên kết chỉ với một carbon khác. Ví dụ, phân tử ethane, CH3-CH3 bao gồm hai nguyên tử cacbon ngoại quan. Điều này báo hiệu sự kết thúc hoặc bắt đầu của chuỗi carbon.

Trung học

Nó là một trong đó được liên kết với hai nguyên tử cacbon. Vì vậy, đối với phân tử propan, CH3-CH2-CH3, nguyên tử carbon của môi trường là thứ cấp (nhóm methylene, -CH2-).

Đại học

Các nguyên tử bậc ba khác với phần còn lại vì từ chúng nổi lên các nhánh của chuỗi chính. Ví dụ, 2-methylbutane (còn được gọi là isopentane), CH3-CH(CH3) -CH2-CH3 Nó có một carbon thứ ba được tô đậm.

Đệ tứ

Và cuối cùng, các nguyên tử cacbon bậc bốn, đúng như tên gọi của nó, được liên kết với bốn nguyên tử carbon khác. Phân tử của tân sinh, C(CH3)4 có một nguyên tử carbon bậc bốn.

Công dụng

Đơn vị khối lượng nguyên tử

Khối lượng nguyên tử trung bình của 12C được sử dụng như một thước đo tiêu chuẩn để tính toán khối lượng của các yếu tố khác. Do đó, hydro nặng bằng một phần mười hai đồng vị carbon này, được sử dụng để xác định cái được gọi là đơn vị khối lượng nguyên tử u.

Do đó, các khối lượng nguyên tử khác có thể được so sánh với 12C và 1H. Ví dụ: magiê (24Mg) nặng gấp đôi so với nguyên tử carbon và gấp 24 lần so với nguyên tử hydro.

Chu kỳ carbon và cuộc sống

Cây hấp thụ CO2 trong quá trình quang hợp để giải phóng oxy vào khí quyển và hoạt động như phổi thực vật. Khi chết, chúng trở thành than, sau khi đốt, giải phóng CO2. Một phần quay trở lại thực vật, nhưng phần khác kết thúc ở đáy biển, nuôi dưỡng nhiều vi sinh vật.

Khi các vi sinh vật chết đi, chất rắn còn lại trong trầm tích phân hủy sinh học của nó và sau hàng triệu năm, nó được chuyển thành chất được gọi là dầu.

Khi loài người sử dụng loại dầu này như một nguồn năng lượng thay thế cho việc đốt than, nó sẽ góp phần giải phóng nhiều CO hơn2 (và các loại khí không mong muốn khác).

Mặt khác, sự sống sử dụng các nguyên tử carbon từ nơi sâu nhất của nền tảng của nó. Điều này là do sự ổn định của các liên kết của nó, cho phép nó tạo thành chuỗi và cấu trúc phân tử tạo nên các đại phân tử quan trọng như DNA.

Quang phổ NMR 13C

các 13C, mặc dù nó có tỷ lệ nhỏ hơn nhiều so với 12C, sự phong phú của nó đủ để làm sáng tỏ các cấu trúc phân tử thông qua quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân carbon-13.

Nhờ kỹ thuật phân tích này, người ta có thể xác định được các nguyên tử nào bao quanh 13C và thuộc nhóm chức năng nào. Do đó, bộ xương carbon của bất kỳ hợp chất hữu cơ có thể được xác định.

Tài liệu tham khảo

  1. Graham Solomons T.W., Craig B. Fryhle. Hóa hữu cơ. Amin (Phiên bản thứ 10.) Wiley Plus.
  2. Blake D. (ngày 4 tháng 5 năm 2018). Bốn đặc tính của carbon. Lấy từ: sciences.com
  3. Hội hóa học hoàng gia. (2018). Carbon. Lấy từ: rsc.org
  4. Hiểu về sự tiến hóa. (s.f.). Hành trình của một nguyên tử carbon. Lấy từ: Evolution.ber siêu.edu
  5. Bách khoa toàn thư Britannica. (Ngày 14 tháng 3 năm 2018). Carbon. Lấy từ: britannica.com
  6. Pappas S. (ngày 29 tháng 9 năm 2017). Sự thật về Carbon. Lấy từ: lifecience.com