OGLEKĻA ATOMS: RAKSTURLIELUMI, STRUKTŪRA, HIBRIDIZĀCIJA - ĶĪMIJA - 2025

Oglekļa atoms ir iespējams, vissvarīgākais un simbolisku no visiem elementiem, jo, pateicoties tam, ka pastāv dzīve ir iespējama. Tas pats par sevi norobežo ne tikai dažus elektronus vai kodolu ar protoniem un neitroniem, bet arī zvaigžņu putekļus, kas galu galā ir iestrādāti un veido dzīvās būtnes.

Arī oglekļa atomi ir sastopami zemes garozā, kaut arī tie nav ar pārpilnību, kas salīdzināma ar metāliskiem elementiem, piemēram, dzelzi, karbonātiem, oglekļa dioksīdu, eļļu, dimantiem, ogļhidrātiem utt., Tie ir daļa no tā fizikālās un ķīmiskās izpausmes.

Avots: Gabriel Bolívar

Bet kāds ir oglekļa atoms? Kļūdaina pirmā skice ir tāda, kas redzama iepriekš attēlā, kuras īpašības ir aprakstītas nākamajā sadaļā.

Oglekļa atomi izplūst caur atmosfēru, jūrām, zemes dzīlēm, augiem un visām dzīvnieku sugām. Tā lielā ķīmiskā daudzveidība ir saistīta ar tā saišu augsto stabilitāti un veidu, kādā tās ir izvietotas telpā. Tādējādi jums, no vienas puses, ir gluds un eļļojošs grafīts; un, no otras puses, dimants, kura cietība pārsniedz daudzu materiālu cietību.

Ja oglekļa atomam nebūtu to raksturojošo īpašību, organiskā ķīmija pilnībā nepastāvētu. Daži vizionāri tajā redz jaunos nākotnes materiālus, izstrādājot un funkcionējot to allotropās struktūras (oglekļa nanocaurules, grafēns, fullēni utt.).

Oglekļa atoma raksturojums

Oglekļa atomu simbolizē burts C. Tā atoma skaitlis Z ir 6, tāpēc tam ir seši protoni (kodolā sarkani apļi ar simbolu "+"). Turklāt tam ir seši neitroni (dzelteni apļi ar burtu "N") un visbeidzot seši elektroni (zilas zvaigznes).

Tā atomu daļiņu masu summa dod vidējo vērtību 12.0107 u. Tomēr atoms attēlā atbilst oglekļa 12 ( ¹² C) izotopam , kas sastāv no d. Citi izotopi, piemēram, ¹³ C un ¹⁴ C, mazāk bagātīgi, atšķiras tikai ar neitronu skaitu.

Tādējādi, ja šie izotopi tiktu uzzīmēti, ¹³ C būtu papildu dzeltens aplis, un ¹⁴ C būtu vēl divi. Tas loģiski nozīmē, ka tie ir smagāki oglekļa atomi.

Kādas citas pazīmes šajā sakarā var minēt? Tas ir tetravalents, tas ir, tas var veidot četras kovalentas saites. Tas atrodas periodiskās tabulas 14. grupā (IVA), precīzāk p.

Tas ir arī ļoti universāls atoms, kas spēj sasaistīties ar gandrīz visiem periodiskās tabulas elementiem; īpaši ar sevi, veidojot lineāras, sazarotas un lamināras makromolekulas un polimērus.

Uzbūve

Kāda ir oglekļa atoma struktūra? Lai atbildētu uz šo jautājumu, vispirms jādodas uz tā elektronisko konfigurāciju: 1s ² 2s ² 2p ² vai 2s ² 2p ² .

Tāpēc ir trīs orbitāles: 1s ² , 2s ² un 2p ² , katrā ir divi elektroni. To var redzēt arī attēlā iepriekš: trīs gredzeni ar diviem elektroniem (zilām zvaigznēm) katrā (nemaldiniet gredzenus orbītā: tie ir orbitāli).

Tomēr ņemiet vērā, ka divām zvaigznēm ir tumšāks zils nokrāsa nekā pārējām četrām. Kāpēc? Tā kā pirmie divi atbilst iekšējam slānim 1s ² o, kas tieši nepiedalās ķīmisko saišu veidošanā; kamēr elektroni ārējā apvalkā, 2s un 2p, dara.

S un p orbitāles nav vienādas formas, tāpēc ilustrētais atoms neatbilst realitātei; papildus lielajai nesamērībai starp attālumu starp elektroniem un kodolu, kam vajadzētu būt simtiem reižu lielākam.

Tāpēc oglekļa atoma struktūru veido trīs orbitāles, kurās elektroni "izkausē" izplūdušos elektroniskos mākoņos. Starp kodolu un šiem elektroniem ir attālums, kas atklāj milzīgo "tukšumu" atoma iekšpusē.

Hibridizācija

Iepriekš tika minēts, ka oglekļa atoms ir tetravalents. Saskaņā ar tā elektronisko konfigurāciju, tā 2s elektroni ir sapāroti un 2p nav savienoti pārī:

Avots: Gabriel Bolívar

Ir pieejama viena p orbitāla, kas ir tukša un pie slāpekļa atoma piepildīta ar papildu elektronu (2p ³ ).

Saskaņā ar kovalentās saites definīciju ir nepieciešams, lai katrs atoms ieguldītu elektronu tā veidošanā; tomēr var redzēt, ka oglekļa atoma pamata stāvoklī tam ir tikai divi nepāra elektroni (pa vienam katrā 2p orbitālē). Tas nozīmē, ka šajā stāvoklī tas ir divvērtīgs atoms, un tāpēc tas veido tikai divas saites (–C–).

Tātad, kā ir iespējams, ka oglekļa atoms veido četras saites? Lai to izdarītu, jums jāreklamē elektrons no 2s orbitāles uz augstākas enerģijas 2p orbitāli. Kad tas izdarīts, iegūtās četras orbitāles ir deģenerētas; citiem vārdiem sakot, tiem ir tāda pati enerģija vai stabilitāte (ņemiet vērā, ka tie ir izlīdzināti).

Šis process ir pazīstams kā hibridizācija, un, pateicoties tam, oglekļa atomā tagad ir četras sp ³ orbitāles ar katru elektronu katrā, veidojot četras saites. Tas ir saistīts ar to, ka tas ir tetravalents.

sp

Kad oglekļa atomam ir sp ³ hibridizācija , tas četrus hibrīda orbitālus novirza uz tetraedra virsotnēm, kas ir tā elektroniskā ģeometrija.

Tādējādi sp ³ oglekli var identificēt, jo tas veido tikai četras vienkāršas saites, tāpat kā metāna molekulā (CH ₄ ). Un ap to var novērot tetraedrisku vidi.

Sp ³ orbitāļu pārklāšanās ir tik efektīva un stabila, ka vienas saites CC entalpija ir 345,6 kJ / mol. Tas izskaidro, kāpēc ir bezgalīgas karbonātu struktūras un neizmērojams skaits organisko savienojumu. Turklāt oglekļa atomi var veidot arī cita veida saites.

sp

Avots: Gabriel Bolívar

Oglekļa atoms ir spējīgs pieņemt arī citas hibridizācijas, kas ļaus tam veidot divkāršu vai pat trīskāršu saiti.

Sp ² hibridizācijā , kā redzams attēlā, ir trīs deģenerētas sp ² orbitāles, un viena 2p orbitāle paliek nemainīga vai "tīra". Ar trīs sp ² orbitāli, kas atrodas 120 ° attālumā viens no otra, ogleklis veido trīs kovalentās saites, veidojot trigonālās plaknes elektronisko ģeometriju; kamēr ar 2p orbitāli, kas ir perpendikulārs pārējiem trim, tas veido π saiti: –C = C–.

Sp hibridizācijas gadījumā ir divas sp orbitāles, kas atrodas 180 ° attālumā viena no otras, tādā veidā, ka tās iezīmē lineāru elektronisko ģeometriju. Šoreiz viņiem ir divas tīras 2p orbitāles, kas ir perpendikulāras viena otrai, kas ļauj ogleklim veidot trīskāršās saites vai divas dubultās saites: –C≡C– vai ·· C = C = C ·· (centrālajam ogleklim ir sp hibridizācija ).

Ņemiet vērā, ka vienmēr (parasti), ja tiek pievienotas saites ap oglekli, tiks konstatēts, ka to skaits ir vienāds ar četriem. Šī informācija ir būtiska, zīmējot Lūisa vai molekulu struktūras. Oglekļa atoms, kas veido piecas saites (= C≡C), ir teorētiski un eksperimentāli nepieņemams.

Klasifikācija

Kā tiek klasificēti oglekļa atomi? Vairāk nekā klasifikācija pēc iekšējām īpašībām, tas faktiski ir atkarīgs no molekulārās vides. Tas ir, molekulā tās oglekļa atomus var klasificēt šādi.

Primārs

Primārais ogleklis ir tāds, kas ir saistīts tikai ar otru oglekli. Piemēram, etāna molekula, CH _{3 –} CH _3, sastāv no diviem savienotiem primārajiem oglekļa atomiem. Tas norāda uz oglekļa ķēdes beigām vai sākumu.

Sekundārā

Tas ir saistīts ar diviem oglekļa atomiem. Tādējādi, lai propāna molekula, CH ₃ - CH ₂ CH ₃ , vidējā oglekļa atoms ir sekundāra (metilēnzilo grupa, -CH ₂ -).

Terciārā

Terciārie oglekļi atšķiras no pārējiem, jo ​​no tiem rodas galvenās ķēdes zari. Tā, piemēram, 2-metilbutāns (ko sauc arī izopentāns), CH ₃ - CH (CH ₃ ) CH ₂ CH ₃ ir trešējā oglekļa izceltas treknrakstā.

Kvartārs

Visbeidzot, kvartārie oglekļi, kā to norāda nosaukums, ir saistīti ar vēl četriem oglekļa atomiem. Neopentāna molekulā C (CH ₃ ) ₄ ir četrvērtīgs oglekļa atoms.

Lietojumprogrammas

Atomu masas vienība

Pārējo elementu masas aprēķināšanai kā standarta mērījumu izmanto vidējo atomu masu ¹² C. Tādējādi ūdeņradis sver vienu divpadsmito daļu no šī oglekļa izotipa, ko izmanto, lai definētu to, kas ir pazīstams kā atomu masas vienība u.

Tādējādi pārējās atomu masas var salīdzināt ar ¹² C un ¹ H masām. Piemēram, magnijs ( ²⁴ Mg) sver aptuveni divreiz lielāku oglekļa atoma masu un 24 reizes vairāk nekā ūdeņraža atoms.

Oglekļa cikls un dzīve

Augi absorbē CO ₂ fotosintēzes procesā, lai atmosfērā izdalītu skābekli un darbotos kā augu plaušas. Nomirstot, tie kļūst par kokogli, kas pēc sadedzināšanas _atkal izdala CO ₂ . Viena daļa atgriežas augos, bet otra nonāk jūras gultnēs, barojot daudzus mikroorganismus.

Kad mikroorganismi mirst, cietā viela paliek tās bioloģiskās sadalīšanās nogulumos un pēc miljoniem gadu tā tiek pārveidota par tā saukto eļļu.

Kad cilvēce izmanto šo eļļu kā alternatīvu enerģijas avotu ogļu dedzināšanai, tā veicina vairāk CO ₂ (un citu nevēlamu gāzu) izdalīšanos .

No otras puses, dzīve izmanto oglekļa atomus no paša dibena. Tas ir saistīts ar tā saišu stabilitāti, kas ļauj tai veidot ķēdes un molekulārās struktūras, kas veido makromolekulas tikpat svarīgas kā DNS.

NMR spektroskopija

Lai arī ¹³ C ir daudz zemākā ¹² C proporcijā , to pārpilnība ir pietiekama, lai molekulārās struktūras varētu noskaidrot ar kodolmagnētiskās rezonanses spektroskopijas oglekli 13.

Pateicoties šai analīzes metodei, ir iespējams noteikt, kuri atomi ieskauj ¹³ C un kurām funkcionālām grupām tie pieder. Tādējādi var noteikt jebkura organiskā savienojuma oglekļa skeletu.

Atsauces

1. Grehems Solomons TW, Kreigs B. Frīls. Organiskā ķīmija. Amīni. (10. izdevums.) Wiley Plus.
2. Bleiks D. (2018. gada 4. maijs). Četras oglekļa īpašības. Atgūts no: sciencing.com
3. Karaliskā ķīmijas biedrība. (2018). Akmeņogles. Paņemts no: rsc.org
4. Izpratne par evolūciju. (sf). Oglekļa atoma ceļojums. Atgūts no: evolution.berkeley.edu
5. Encyclopædia Britannica. (2018. gada 14. marts). Akmeņogles. Atgūts no: britannica.com
6. Pappas S. (2017. gada 29. septembris). Fakti par oglekli. Atgūts no: livescience.com