ATOM DE CARBON: CARACTERISTICI, STRUCTURĂ, HIBRIDIZARE - CHIMIE - 2025

Atomul de carbon este , probabil , cel mai important și emblematică a tuturor elementelor, pentru că datorită lui existența vieții este posibilă. Înglobează în sine nu numai câțiva electroni, sau un nucleu cu protoni și neutroni, ci și praf de stele, care sfârșește încorporat și formează ființe vii.

De asemenea, atomii de carbon se găsesc în scoarța terestră, deși nu cu o abundență comparabilă cu elemente metalice, cum ar fi fierul, carbonatele, dioxidul de carbon, uleiul, diamantele, carbohidrații, etc. manifestările sale fizice și chimice.

Sursa: Gabriel Bolívar

Dar cum este atomul de carbon? O primă schiță inexactă este cea văzută în imaginea de mai sus, ale cărei caracteristici sunt descrise în secțiunea următoare.

Atomii de carbon circulă prin atmosferă, mări, subsol, plante și orice specie de animale. Marea sa diversitate chimică se datorează stabilității mari a legăturilor sale și modului în care acestea sunt aranjate în spațiu. Astfel, aveți pe de o parte grafitul neted și lubrifiant; iar pe de alta, diamantul, a cărui duritate o depășește pe cea a multor materiale.

Dacă atomul de carbon nu ar avea calitățile care îl caracterizează, chimia organică nu ar exista complet. Unii vizionari văd în el noile materiale ale viitorului, prin proiectarea și funcționalizarea structurilor lor alotrope (nanotuburi de carbon, grafen, fullerene etc.).

Caracteristicile atomului de carbon

Atomul de carbon este simbolizat prin litera C. Numărul său atomic Z este 6, deci are șase protoni (cercuri roșii cu simbolul "+" în nucleu). În plus, are șase neutroni (cercuri galbene cu litera „N”) și în final șase electroni (stele albastre).

Suma maselor particulelor sale atomice dă o valoare medie de 12.0107 u. Cu toate acestea, atomul din imagine corespunde izotopului de carbon 12 ( ¹² C), care constă din d. Alți izotopi, cum ar fi ¹³ C și ¹⁴ C, mai puțin abundenți, variază doar în numărul de neutroni.

Astfel, în cazul în care au fost trase acești izotopi, ¹³ C ar avea un cerc galben suplimentar, iar ¹⁴ C ar avea două. Acest lucru înseamnă logic că sunt atomi de carbon mai grei.

În plus, ce alte caracteristici pot fi menționate în acest sens? Este tetravalent, adică poate forma patru legături covalente. Este localizat în grupul 14 (IVA) din tabelul periodic, mai precis în blocul p.

De asemenea, este un atom foarte versatil, capabil să se lege cu aproape toate elementele tabelului periodic; în special cu sine, formând macromolecule liniare, ramificate și laminare și polimeri.

Structura

Care este structura unui atom de carbon? Pentru a răspunde la această întrebare, mai întâi trebuie să mergeți la configurația sa electronică: 1s ² 2s ² 2p ² sau 2s ² 2p ² .

Prin urmare, există trei orbitali: 1s ² , 2s ² și 2p ² , fiecare cu doi electroni. Acest lucru se poate observa și în imaginea de mai sus: trei inele cu doi electroni (stele albastre) fiecare (nu greși inelele pentru orbite: sunt orbitale).

Rețineți, însă, că două dintre stele au o nuanță de albastru mai închisă decât cele patru rămase. De ce? Deoarece primele două corespund stratului interior 1s ² o, care nu participă direct la formarea de legături chimice; în timp ce electronii din carcasa exterioară, 2s și 2p, o fac.

Orbitalii s și p nu au aceeași formă, astfel încât atomul ilustrat nu este de acord cu realitatea; pe lângă marea disproporție a distanței dintre electroni și nucleu, care ar trebui să fie de sute de ori mai mare.

Prin urmare, structura atomului de carbon este formată din trei orbitale în care electronii „se topesc” în nori electronici încețoși. Iar între nucleu și acești electroni există o distanță care dezvăluie imensul „gol” din interiorul atomului.

Hibridizare

S-a menționat anterior că atomul de carbon este tetravalent. Conform configurației sale electronice, electronii săi 2 sunt împerecheați, iar cei 2p neperechează:

Sursa: Gabriel Bolívar

Există un orbital p disponibil, care este gol și umplut cu un electron suplimentar la atomul de azot (2p ³ ).

Conform definiției legăturii covalente, este necesar ca fiecare atom să contribuie cu un electron pentru formarea sa; cu toate acestea, se poate observa că în starea de la sol a atomului de carbon, acesta are doar doi electroni neperecați (unul în fiecare orbital de 2p). Aceasta înseamnă că în această stare este un atom divalent și, prin urmare, nu formează decât două legături (–C–).

Deci, cum este posibil ca atomul de carbon să formeze patru legături? Pentru a face acest lucru, trebuie să promovați un electron de la orbitalul 2s la orbital 2p cu energie mai mare. Acest lucru a făcut, cele patru orbitale rezultate sunt degenerate; cu alte cuvinte, au aceeași energie sau stabilitate (rețineți că sunt aliniate).

Acest proces este cunoscut sub numele de hibridizare și, datorită lui, atomul de carbon are acum patru orbite sp ³ cu un electron fiecare pentru a forma patru legături. Acest lucru se datorează caracteristicii sale de a fi tetravalent.

sp

Când atomul de carbon are o hibridizare sp ³ , își orientează cele patru orbitale hibride către vârfurile unui tetraedru, care este geometria sa electronică.

Astfel, un carbon sp ³ poate fi identificat deoarece formează doar patru legături simple, ca în molecula de metan (CH ₄ ). Și în jurul acestui lucru se poate observa un mediu tetraedric.

Suprapunerea orbitalelor sp ³ este atât de eficientă și stabilă încât legătura unică CC are o entalpie de 345,6 kJ / mol. Așa se explică de ce există structuri de carbonat interminabile și un număr incomensurabil de compuși organici. Pe lângă aceasta, atomii de carbon pot forma și alte tipuri de legături.

sp

Sursa: Gabriel Bolívar

Atomul de carbon este de asemenea capabil să adopte alte hibridizări, ceea ce îi va permite să formeze o legătură dublă sau chiar triplă.

În sp ² hibridizare , așa cum se vede în imagine, există trei degenerați sp ² orbitali și una 2p resturi orbitale neschimbate sau „pure“. Cu cele trei orbitale sp ^{2 cu} 120º una de alta, carbonul formează trei legături covalente desenând o geometrie electronică plan trigonal; în timp ce cu orbitalul 2p, perpendicular pe celelalte trei, formează o legătură π: –C = C–.

În cazul hibridizării sp, există două orbitale sp la 180 ° între ele, în așa fel încât să atragă o geometrie electronică liniară. De data aceasta, au două orbite pure de 2p, perpendiculare între ele, care permit carbonului să formeze legături triple sau două legături duble: –C≡C– sau ·· C = C = C ·· (carbonul central are hibridizare sp ).

Rețineți că întotdeauna (în general) dacă se adaugă legăturile din jurul carbonului, se va constata că numărul este egal cu patru. Aceste informații sunt esențiale atunci când desenăm structuri Lewis sau moleculare. Un atom de carbon care formează cinci legături (= C≡C) este inadmisibil teoretic și experimental.

Clasificare

Cum se clasifică atomii de carbon? Mai mult decât o clasificare după caracteristicile interne, depinde de fapt de mediul molecular. Adică, în interiorul unei molecule, atomii săi de carbon pot fi clasificați în conformitate cu următoarele.

Primar

Un carbon primar este unul care este legat doar de un alt carbon. De exemplu, molecula de etan, CH ₃ CH ₃ este format din doi atomi de carbon legați primari. Aceasta semnalează sfârșitul sau începutul unui lanț de carbon.

Secundar

Este unul care este legat de doi atomi de carbon. Astfel, pentru molecula de propan, CH ₃ - CH ₂ CH ₃ , atomul de carbon din mijloc este (gruparea metilen, -CH secundar ₂ -).

Terţiar

Carbuni terțiari diferă de restul, deoarece ramurile lanțului principal ies din ele. De exemplu, 2-metilbutan (numit și izopentan), CH ₃ - CH (CH ₃ ) CH ₂ CH ₃ are un atom de carbon terțiar evidențiate cu caractere aldine.

cuaternar

Și, în sfârșit, carbunii cuaternari, așa cum îi spune și numele, sunt legați de alți patru atomi de carbon. Molecula de neopentan, C (CH ₃ ) _4, are un atom de carbon cuaternar.

Aplicații

Unitate de masă atomică

Masa atomică medie de ¹² C este utilizată ca măsură standard pentru calcularea masei celorlalte elemente. Astfel, hidrogenul cântărește a douăsprezecea parte din acest izotop de carbon, care este utilizat pentru a defini ceea ce este cunoscut sub numele de unitate de masă atomică u.

Astfel, celelalte mase atomice pot fi comparate cu cele de ¹² C și ¹ H. De exemplu, magneziul ( ²⁴ Mg) cântărește aproximativ de două ori cel al unui atom de carbon și de 24 de ori mai mult decât un atom de hidrogen.

Ciclul carbonului și viața

Plantele absorb CO ₂ în procesul de fotosinteză pentru a elibera oxigen în atmosferă și să acționeze ca plămânii plantelor. Când mor, devin cărbune, care după ardere, eliberează _{din nou} CO ₂ . O parte se întoarce la plante, dar o altă sfârșește în albiile de mare, hrănind multe microorganisme.

Când microorganismele mor, solidul rămâne în sedimentele sale biologice de descompunere și, după milioane de ani, este transformat în ceea ce este cunoscut sub numele de ulei.

Atunci când umanitatea folosește acest petrol ca sursă de energie alternativă la arderea cărbunelui, contribuie la eliberarea mai multor CO ₂ (și a altor gaze nedorite).

Pe de altă parte, viața folosește atomii de carbon chiar de jos. Acest lucru se datorează stabilității legăturilor sale, ceea ce îi permite să formeze lanțuri și structuri moleculare care alcătuiesc macromolecule la fel de importante precum ADN-ul.

Spectroscopia RMN

Cei ¹³ C, deși se află la o proporție mult mai mică din cei ¹² C, abundența lor este suficientă pentru a elucida structurile moleculare prin spectroscopie carbonică cu rezonanță magnetică nucleară 13.

Datorită acestei tehnici de analiză este posibil să se determine ce atomi înconjoară cei ¹³ C și care sunt grupele funcționale din care fac parte. Astfel, scheletul de carbon al oricărui compus organic poate fi determinat.

Referințe

1. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. Chimie organica. Aminele. (Ediția a 10-a.) Wiley Plus.
2. Blake D. (4 mai 2018). Patru caracteristici ale carbonului. Recuperat de la: știința.com
3. Societatea Regală de Chimie. (2018). Cărbune. Preluat de la: rsc.org
4. Înțelegerea evoluției. (Sf). Calatorie a unui atom de carbon. Recuperat din: evoluție.berkeley.edu
5. Encyclopædia Britannica. (14 martie 2018). Cărbune. Recuperat de la: britannica.com
6. Pappas S. (29 septembrie 2017). Fapte despre carbon. Recuperat de la: livescience.com