АТОМ ВУГЛЕЦЮ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, СТРУКТУРА, ГІБРИДИЗАЦІЯ - ХІМІЯ - 2026

Атом вуглецю , можливо , є найбільш важливим і символічним всіх елементів, тому що завдяки йому існування життя можливо. Він охоплює в собі не лише кілька електронів, або ядро ​​з протонами та нейтронами, а й зоряний пил, який закінчується вбудованим і утворює живих істот.

Також атоми вуглецю знаходяться в земній корі, хоча вони не мають достатку, порівнянної з металевими елементами, такими як залізо, карбонати, вуглекислий газ, нафта, алмази, вуглеводи тощо, вони входять до складу її фізичні та хімічні прояви.

Джерело: Габріель Болівар

Але що таке атом вуглецю? Неточний перший ескіз - це той, який видно на зображенні вище, характеристики якого описані в наступному розділі.

Атоми вуглецю проходять через атмосферу, моря, надра, рослини та будь-які види тварин. Його велике хімічне різноманіття пояснюється високою стійкістю його зв'язків і способом їх розташування в просторі. Таким чином, у вас є, з одного боку, гладкий і мастильний графіт; а з іншого - алмаз, твердість якого перевершує твердість багатьох матеріалів.

Якби атом вуглецю не мав якостей, які його характеризують, органічна хімія існувала б не повністю. Деякі візіонери бачать у ньому нові матеріали майбутнього, через конструювання та функціоналізацію їх алотропних структур (вуглецеві нанотрубки, графен, фуллерени тощо).

Характеристика атома вуглецю

Атом вуглецю символізується буквою C. Атомне число Z дорівнює 6, тому в ньому є шість протонів (червоні кола із символом "+" у ядрі). Крім того, він має шість нейтронів (жовті кола з літерою "N") і нарешті шість електронів (сині зірки).

Сума мас його атомних частинок дає середнє значення 12,0107 u. Однак атом на зображенні відповідає ізотопу вуглецю 12 ( ¹² С), який складається з d. Інші ізотопи, такі як ¹³ С і ¹⁴ С, менш рясні, змінюються лише кількістю нейтронів.

Таким чином, якби ці ізотопи були намальовані, ¹³ С мали б додаткове жовте коло, а ¹⁴ С мали б ще два. Це логічно означає, що вони важчі атоми вуглецю.

На додаток до цього, які ще характеристики можна згадати з цього приводу? Він чотиривалентний, тобто може утворювати чотири ковалентні зв’язки. Він розташований у групі 14 (IVA) періодичної таблиці, точніше в блоці p.

Це також дуже універсальний атом, здатний зв'язуватися майже з усіма елементами періодичної таблиці; особливо з самим собою, утворюючи лінійні, розгалужені та ламінарні макромолекули та полімери.

Будова

Яка структура атома вуглецю? Щоб відповісти на це запитання, спочатку потрібно перейти до його електронної конфігурації: 1s ² 2s ² 2p ² або 2s ² 2p ² .

Тому існує три орбіталі: 1s ² , 2s ² та 2p ² , кожна з яких має два електрони. Це також можна побачити на зображенні вище: три кільця з двома електронами (сині зірки) кожне (не помиляйтесь кільцями для орбіт: вони є орбіталями).

Однак зауважте, що дві зірки мають більш темний відтінок синього, ніж інші чотири. Чому? Тому що перші два відповідають внутрішньому шару 1s ² o, який не бере участі безпосередньо у формуванні хімічних зв’язків; а електрони у зовнішній оболонці - 2s і 2p.

Орбітали s і p не мають однакової форми, тому ілюстрований атом не узгоджується з реальністю; крім великої диспропорції відстані між електронами та ядром, яке повинно бути в сотні разів більше.

Тому структура атома вуглецю складається з трьох орбіталей, де електрони «плавляться» у розмиті електронні хмари. А між ядром і цими електронами існує відстань, яка виявляє величезну "порожнечу" всередині атома.

Гібридизація

Раніше згадувалося, що атом вуглецю є чотиривалентним. Відповідно до його електронної конфігурації, його 2s електрони є парними, а 2p - парними:

Джерело: Габріель Болівар

Існує одна наявна p орбіталь, яка порожня і заповнена додатковим електроном в атомі азоту (2p ³ ).

Відповідно до визначення ковалентного зв’язку, необхідно, щоб кожен атом сприяв утворенню електрона; однак видно, що в основному стані атома вуглецю він має лише два непарних електрона (по одному в кожній орбіталі 2p). Це означає, що в такому стані це двовалентний атом, а отже, він утворює лише два зв’язки (–C–).

То як же можливо, щоб атом вуглецю утворив чотири зв’язки? Для цього потрібно просувати електрон від орбіталі 2s до орбіталі 2p вищої енергії. Це зроблено, отримані чотири орбіталі вироджуються; іншими словами, вони мають однакову енергію або стабільність (зверніть увагу, що вони вирівняні).

Цей процес відомий як гібридизація, і завдяки йому атом вуглецю тепер має чотири sp ³ орбіталі з одним електроном, утворюючи чотири зв’язки. Це пов’язано з його характеристикою бути чотиривалентною.

сп

Коли атом вуглецю має гібридизацію sp ³ , він орієнтує чотири гібридні орбіталі до вершин тетраедра, що є його електронною геометрією.

Таким чином, вуглець sp ³ можна ідентифікувати, оскільки він утворює лише чотири прості зв’язки, як у молекулі метану (CH ₄ ). І навколо цього можна спостерігати тетраедричне середовище.

Перекриття орбіталей sp ³ настільки ефективно і стабільно, що одинарна зв'язок СС має ентальпію 345,6 кДж / моль. Це пояснює, чому існують нескінченні карбонатні структури та незмірна кількість органічних сполук. Крім цього, атоми вуглецю можуть утворювати зв’язки інших типів.

сп

Джерело: Габріель Болівар

Атом вуглецю також здатний приймати інші гібридизації, що дозволить йому сформувати подвійну або навіть потрійну зв’язок.

У гібридизації sp ² , як видно з зображення, є три вироджених орбіталі sp ^2, а одна орбітальна 2p залишається незмінною або "чистою". З трьох орбіталей sp ^{2 на} відстані 120º, вуглець утворює три ковалентні зв’язки, що малюють трикутну електронну геометрію площини; а при орбіталі 2p, перпендикулярній до інших трьох, вона утворює π зв’язок: –C = C–.

У разі sp-гібридизації є дві орбіталі sp на 180º один від одного, таким чином, що вони малюють лінійну електронну геометрію. Цього разу вони мають дві чисті 2p орбіталі, перпендикулярні одна до одної, які дозволяють вуглецю утворювати потрійні зв’язки або дві подвійні зв’язки: –C≡C– або ·· C = C = C ·· (центральний вуглець має sp гібридизацію ).

Зауважте, що завжди (як правило), якщо зв’язки навколо вуглецю додаються, буде встановлено, що число дорівнює чотирма. Ця інформація є важливою при малюванні Льюїсових структур або молекулярних структур. Атом вуглецю, що утворює п'ять зв’язків (= C≡C), теоретично та експериментально неприпустимий.

Класифікація

Як класифікуються атоми вуглецю? Більше, ніж класифікація за внутрішніми характеристиками, вона насправді залежить від молекулярного середовища. Тобто, в межах молекули її атоми вуглецю можна класифікувати відповідно до наступного.

Первинний

Первинний вуглець - це той, який пов'язаний лише один з одним вуглецем. Наприклад, молекула етану СН ₃ -СН ₃ складається з двох пов'язаних первинних вуглеців. Це сигналізує про кінець або початок вуглецевого ланцюга.

Вторинні

Він пов'язаний з двома вуглецями. Таким чином, для молекули пропану CH ₃ - CH ₂ –CH ₃ середній атом вуглецю є вторинним (метиленова група –CH ₂ -).

Третинний

Третинний вуглець відрізняється від решти тим, що з них виходять гілки основного ланцюга. Наприклад, 2-метилбутан (також його називають ізопентаном), CH ₃ - CH (CH ₃ ) -CH ₂ -CH ₃ має третинний вуглець, виділений жирним шрифтом.

Четвертинний

І нарешті, четвертинні вуглеці, як випливає з їх назви, пов'язані з чотирма іншими атомами вуглецю. Молекула неопентану, C (CH ₃ ) _4, має четвертинний атом вуглецю.

Програми

Одиниця атомної маси

Середня атомна маса ¹² С використовується як стандартний показник для обчислення маси інших елементів. Таким чином, водень важить одну дванадцяту частину цього ізотопу вуглецю, який використовується для визначення того, що відоме як атомна одиниця маси u.

Таким чином, інші атомні маси можна порівняти з масою ¹² С і ¹ Н. Наприклад, магній ( ²⁴ Мг) важить приблизно вдвічі більше, ніж атом вуглецю, і в 24 рази більше, ніж атом водню.

Вуглецевий цикл і життя

Рослини поглинають СО ₂ в процесі фотосинтезу, щоб вивільнити кисень в атмосферу і діяти як легені рослин. Коли вони гинуть, вони стають деревним вугіллям, яке після спалювання _знову виділяє CO ₂ . Одна частина повертається до рослин, а інша опиняється на морських руслах, живлячи багато мікроорганізмів.

Коли мікроорганізми гинуть, тверда речовина, що залишається після його біологічного розкладання, відкладається, і через мільйони років воно перетворюється на те, що відомо як нафта.

Коли людство використовує цю нафту як альтернативне джерело енергії для спалювання вугілля, вона сприяє викиду більше CO ₂ (та інших небажаних газів).

З іншого боку, життя використовує атоми вуглецю з самого дна. Це пов’язано зі стабільністю її зв’язків, що дозволяє їй утворювати ланцюги та молекулярні структури, що складають макромолекули настільки ж важливі, як ДНК.

ЯМР спектроскопія

¹³ С, хоча при значно нижча пропорція ¹² С, їх чисельність достатня для з'ясування молекулярних структур вуглецю спектроскопії ядерного магнітного резонансу 13.

Завдяки цій техніці аналізу можна визначити, які атоми оточують ¹³ С і до яких функціональних груп вони належать. Таким чином, можна визначити карбоновий каркас будь-якої органічної сполуки.

Список літератури

1. Грем Соломон TW, Крейг Б. Фріхле. Органічна хімія. Аміни. (10-е видання.) Wiley Plus.
2. Блейк Д. (4 травня 2018 р.). Чотири характеристики вуглецю. Відновлено: sciaching.com
3. Королівське хімічне товариство. (2018). Вугілля. Взято від: rsc.org
4. Розуміння еволюції. (sf). Подорож атома вуглецю. Відновлено з: evolution.berkeley.edu
5. Encyclopædia Britannica. (14 березня 2018 р.). Вугілля. Відновлено: britannica.com
6. Паппас С. (29 вересня 2017 р.). Факти про вуглець. Відновлено з сайту: lifecience.com