Hiiliatomin ominaisuudet, rakenne, hybridisaatio, luokitus

hiiliatomi Se on ehkä kaikkien elementtien tärkein ja tunnusmerkki, koska sen ansiosta elämän olemassaolo on mahdollista. Se sulkee itsessään paitsi muutaman elektronin, tai ytimen protoneilla ja neutroneilla, mutta myös tähtipölyä, joka päätyy sulautumaan ja muodostaa eläviä olentoja.

Hiiliatomeja löytyy myös maankuoresta, vaikkakaan ei ole runsaasti vertailukelpoisia metallisia elementtejä, kuten rautaa, karbonaatteja, hiilidioksidia, öljyä, timantteja, hiilihydraatteja jne. sen fyysiset ja kemialliset ilmenemismuodot.

Mutta miten hiiliatomi on? Ensimmäinen epätarkka luonnos on se, jota havaitaan yllä olevassa kuvassa, jonka ominaisuudet on kuvattu seuraavassa osassa.

Hiiliatomit kulkevat ilmakehän, merien, maaperän, kasvien ja eläinlajien läpi. Sen suuri kemiallinen monimuotoisuus johtuu sen linkkien suuresta vakaudesta ja siitä, miten ne tilataan avaruudessa. Siten sillä on toisaalta sileä ja voiteleva grafiitti; ja toisaalta timantti, jonka kovuus ylittää monien materiaalien kovuuden.

Jos hiiliatomilla ei ollut sille ominaisia ​​ominaisuuksia, orgaanista kemiaa ei olisi täysin olemassa. Jotkut visionäärit näkevät siinä uudet tulevaisuuden materiaalit suunnittelemalla ja funktionalisoimalla sen allotrooppiset rakenteet (hiilinanoputket, grafeeni, fullereenit jne.)..

indeksi

• 1 Hiiliatomin ominaisuudet
• 2 Rakenne
• 3 Hybridisaatio
  • 3.1 sp3
  • 3.2 sp2 ja sp
• 4 Luokitus
  • 4.1 Ensisijainen
  • 4.2 Toissijainen
  • 4.3 Korkea-asteen
  • 4.4 Kvaternaari
• 5 Käyttö
  • 5.1 Atomimassayksikkö
  • 5.2 Hiilen kierto ja elämä
  • 5,3 13C NMR-spektroskopia
• 6 Viitteet

Hiiliatomin ominaisuudet

Hiiliatomia symboloi kirjain C. Sen atomiluku Z on 6, joten siinä on kuusi protonia (punainen ympyrä, jossa on symboli "+" ytimessä). Lisäksi siinä on kuusi neutronia (keltaiset ympyrät kirjaimella "N") ja lopulta kuusi elektronia (sininen tähti).

Niiden atomipartikkeleiden summa antaa keskiarvon 12,0107 u. Kuvan atomi vastaa kuitenkin 12-hiilen isotooppia (¹²C), joka koostuu d. Muut isotoopit, kuten ¹³C ja ¹⁴C, vähemmän runsaasti, vaihtelee vain neutronien lukumäärässä.

Joten, jos piirrät nämä isotoopit ¹³C: llä olisi vielä keltainen ympyrä, ja ¹⁴C, kaksi. Tämä tarkoittaa loogisesti, että ne ovat raskaampia hiiliatomeja.

Tämän lisäksi mitä muita ominaisuuksia tässä yhteydessä voidaan mainita? Se on neliarvoinen eli se voi muodostaa neljä kovalenttista sidosta. Se sijaitsee jaksollisen taulukon ryhmässä 14 (alv), tarkemmin lohkossa p.

Se on myös hyvin monipuolinen atomi, joka pystyy kytkeytymään lähes kaikkiin jaksollisen taulukon elementteihin; erityisesti itsessään, muodostaen makromolekyylejä ja lineaarisia, haarautuneita ja lamellisia polymeerejä.

rakenne

Mikä on hiiliatomin rakenne? Voit vastata tähän kysymykseen ensin siirtymällä sähköiseen kokoonpanoon: 1s²2s²2p² tai [He] 2s²2p².

Siksi on kolme orbitaalia: 1s², 2s² ja 2p², jokaisella on kaksi elektronia. Tämä näkyy myös yllä olevassa kuvassa: kolme rengasta, joissa on kaksi elektronia (sininen tähti) kukin (älä sekoita renkaita kiertoradalla: ne ovat kiertoradalla).

Huomaa kuitenkin, että kahdella tähdellä on tummempi sininen sävy kuin muut neljä. Miksi? Koska kaksi ensimmäistä vastaavat sisäkerrosta 1s² tai [Hän], joka ei osallistu suoraan kemiallisten sidosten muodostumiseen; kun ulkokerroksen elektronit, 2s ja 2p, tekevät.

S- ja p-orbitaaleilla ei ole samaa muotoa, joten kuvitettu atomi ei ole todellisuuden mukainen; elektronien ja ytimen välisen etäisyyden suuren epäsuhtaisuuden lisäksi, jonka pitäisi olla satoja kertoja suurempi.

Siksi hiiliatomin rakenne koostuu kolmesta kiertoradasta, joissa elektronit "sulavat" hajautetuiksi elektronisiksi pilveiksi. Ja ytimen ja näiden elektronien välillä on etäisyys, jonka avulla voimme vilkaista valtavaa "tyhjyyttä" atomin sisällä.

hybridisaatio

Aiemmin mainittiin, että hiiliatomi on neliarvoinen. Elektronisen kokoonpanonsa mukaan sen 2s-elektronit on paritettu ja 2p-elektronit ovat parittomia:

Jäljellä on käytettävissä oleva p orbitaali, joka on tyhjä ja joka on täytetty lisäelektronilla typpiatomissa (2p³).

Kovalenttisen sidoksen määritelmän mukaan on välttämätöntä, että jokainen atomi edistää elektronia sen muodostamiseksi; On kuitenkin havaittavissa, että perusasento hiiliatomista, sillä on tuskin kaksi paritonta elektronia (yksi kussakin 2p: n kiertoradassa). Tämä tarkoittaa, että tässä tilassa se on kaksiarvoinen atomi, ja siksi se muodostaa vain kaksi sidosta (-C-).

Miten siis on mahdollista, että hiiliatomi muodostaa neljä sidosta? Tätä varten sinun on edistettävä elektronia 2s: n kiertoradalta 2p: n korkeammalle energialähteelle. Tämä on tehty, neljä tuloksena olevaa kiertorataa ovat degeneroitunut; toisin sanoen heillä on sama energia tai vakaus (huomaa, että ne ovat linjassa).

Tätä prosessia kutsutaan hybridisaatioon, ja sen ansiosta hiiliatomilla on nyt neljä orbitaalista sp³ yksi elektroni muodostaa neljä linkkiä. Tämä johtuu siitä, että se on tetravalentti.

sp³

Kun hiiliatomilla on sp-hybridisaatio³, Suuntaa sen neljä hybridi-orbitaalia tetraedronin huippuihin, jotka ovat sen elektroninen geometria.

Voit siis tunnistaa hiilen sp³ koska se muodostaa vain neljä yksinkertaista sidosta, kuten metaanimolekyylissä (CH₄). Ja tämän ympärillä voidaan havaita tetraedrinen ympäristö.

Sp orbitaalien päällekkäisyys³ se on niin tehokas ja stabiili, että yksinkertaisen C-C-sidoksen entalpia on 345,6 kJ / mol. Tämä selittää, miksi on loputtomia hiilipitoisia rakenteita ja mittaamattoman määrän orgaanisia yhdisteitä. Tämän lisäksi hiiliatomit voivat muodostaa muun tyyppisiä sidoksia.

sp² ja sp

Hiiliatomi pystyy myös ottamaan vastaan ​​muita hybridisaatioita, jotka sallivat sen muodostaa kaksinkertaisen tai jopa kolminkertaisen sidoksen.

Sp-hybridisaatiossa², Kuten kuvassa näkyy, on kolme sp orbitaalia² rappeutunut ja 2p-kiertorata pysyy muuttumattomana tai "puhdas". Kolme sp orbitaalia² erotettu 120 °, hiili muodostaa kolme kovalenttista sidosta vetämällä trigonaalisen tason elektronisen geometrian; kun taas 2p: n kiertoradalla, joka on kohtisuorassa muihin kolmeen kohtaan, se muodostaa sidoksen π: -C = C-.

Sp-hybridisaation tapauksessa on kaksi sp orbitaalia, jotka on erotettu 180º, niin että ne vetävät lineaarisen elektronisen geometrian. Tällä kertaa niillä on kaksi toisiinsa nähden kohtisuoraa puhdasta 2p-orbitaalia, jotka mahdollistavat hiilen muodostumisen kolmoissidoksiksi tai kahdeksi kaksoissidokseksi: -C = C- tai ·· C = C = C · (keskushiilellä on sp-hybridisaatio) ).

Huomaa, että aina (yleensä), jos lisäät linkit hiilen ympärille, huomaat, että numero on neljä. Tämä informaatio on välttämätöntä Lewis-rakenteiden tai molekyylirakenteiden piirtämisessä. Hiiliatomi, joka muodostaa viisi sidosta (= C = C), on teoreettisesti ja kokeellisesti hyväksyttävä.

luokitus

Miten hiiliatomit luokitellaan? Enemmän kuin sisäisten ominaisuuksien luokittelu, se riippuu todellisuudessa molekyyliympäristöstä. Toisin sanoen molekyylissä sen hiiliatomit voidaan luokitella seuraavien mukaisesti.

ensisijainen

Ensisijainen hiili on sellainen, joka liittyy vain toiseen hiileen. Esimerkiksi etaanin molekyyli, CH₃-CH₃ koostuu kahdesta sidotusta primaarihiilestä. Tämä merkitsee hiiliketjun loppua tai alkua.

toissijainen

Se on yksi, joka liittyy kahteen hiileen. Niinpä propaanimolekyylille CH₃-CH₂-CH₃, väliaineen hiiliatomi on toissijainen (metyleeniryhmä, -CH₂-).

tertiäärinen

Tertiääriset hiiliat poikkeavat lopusta, koska niistä syntyy pääketjun haaroja. Esimerkiksi 2-metyylibutaani (jota kutsutaan myös isopentaaniksi), CH₃-CH(CH₃) -CH₂-CH₃ Siinä on kolminkertainen hiili, joka on merkitty lihavoituna.

kvaternaariset

Ja lopuksi, kvaternaariset hiiliat, kuten nimikin viittaa, on liitetty neljään muuhun hiiliatomiin. Neopentaanin molekyyli, C(CH₃)₄ on kvaternaarinen hiiliatomi.

sovellukset

Atomimassayksikkö

Keskimääräinen atomimassa on ¹²C: tä käytetään vakiona muiden elementtien massojen laskemiseen. Täten vety painaa kahdestoistaosan tästä hiilen isotoopista, jota käytetään määrittämään mitä kutsutaan nimellä atomimassayksikkö u.

Näin ollen muita atomimasseja voidaan verrata ¹²C ja ¹H. Esimerkiksi magnesium (²⁴Mg) painaa noin kaksi kertaa niin paljon kuin hiiliatomi ja 24 kertaa enemmän kuin vetyatomi.

Hiilen kierto ja elämä

Kasvit imevät CO: ta₂ fotosynteesin aikana vapauttaa happea ilmakehään ja toimia kasvien keuhkoina. Kun he kuolevat, heistä tulee puuhiiltä, ​​joka polttamisen jälkeen vapauttaa hiilidioksidia₂. Yksi osa palaa kasveihin, mutta toinen päätyy merenpohjaan ja ravitsee monia mikro-organismeja.

Kun mikro-organismit kuolevat, jäljelle jäävä kiinteä aine sen biologisiin hajoamis sedimentteihin ja miljoonien vuosien kuluttua se muuttuu öljyksi..

Kun ihmiskunta käyttää tätä öljyä vaihtoehtoisena energialähteenä kivihiilen polttamiseen, se edistää enemmän hiilidioksidipäästöjä₂ (ja muut ei-toivotut kaasut).

Toisaalta elämä käyttää hiiliatomeja sen perustasoista. Tämä johtuu sen joukkovelkakirjojen vakaudesta, jonka ansiosta se voi muodostaa ketjuja ja molekyylirakenteita, jotka muodostavat yhtä tärkeitä makromolekyylejä kuin DNA.

NMR-spektroskopia ¹³C

¹³C, vaikka se on paljon pienempi kuin ¹²C, sen runsaus on riittävä molekyylirakenteiden selvittämiseksi hiilidioksidi- magneettisen magneettiresonanssispektroskopian avulla.

Tämän analyysimenetelmän ansiosta voidaan määrittää, mitkä atomit ympäröivät ¹³C ja mihin funktionaalisiin ryhmiin ne kuuluvat. Näin ollen voidaan määrittää minkä tahansa orgaanisen yhdisteen hiilirunko.

viittaukset

1. Graham Solomons T.W., Craig B. Fryhle. Orgaaninen kemia. Amiineja. (10. painos.) Wiley Plus.
2. Blake D. (4. toukokuuta 2018). Neljä hiilen ominaisuutta. Haettu osoitteesta: sciencing.com
3. Royal Society of Chemistry. (2018). Hiiltä. Otettu: rsc.org
4. Evolutionin ymmärtäminen. (N.D.). Hiiliatomin matka. Haettu osoitteesta evolution.berkeley.edu
5. Encyclopædia Britannica. (14. maaliskuuta 2018). Hiiltä. Haettu osoitteesta: britannica.com
6. Pappas S. (29. syyskuuta 2017). Tietoja hiilestä. Haettu osoitteesta livescience.com