Anglies atomo savybės, struktūra, hibridizacija, klasifikacija



The anglies atomas Tai galbūt svarbiausias ir simbolinis visų elementų, nes jo dėka galima gyventi. Jame apsiriboja ne tik keletas elektronų, ar branduolys su protonais ir neutronais, bet ir žvaigždės dulkės, kurios tampa įsiliejusios ir formuoja gyvąsias būtybes..

Be to, anglies atomai randami žemės plutoje, nors ne su gausumu, panašiu į metalo elementus, tokius kaip geležis, karbonatai, anglies dioksidas, aliejus, deimantai, angliavandeniai ir kt. jo fizinės ir cheminės apraiškos.

Bet kaip yra anglies atomas? Pirmasis netikslus eskizas yra tas, kuris pastebėtas aukščiau esančiame paveikslėlyje, kurio charakteristikos aprašytos sekančiame skyriuje.

Anglies atomai keliauja per atmosferą, jūrą, podirvį, augalus ir visas gyvūnų rūšis. Jo didelė cheminė įvairovė priklauso nuo to, kad jos ryšiai yra stabilūs ir kaip jie užsakomi erdvėje. Taigi, viena vertus, jis turi lygų ir tepalų grafitą; ir, kita vertus, deimantas, kurio kietumas viršija daugelį medžiagų.

Jei anglies atomas neturėtų savybių, kurios ją apibūdina, organinė chemija neegzistuotų. Kai kurie vizionieriai jame mato naujas ateities medžiagas, projektuodami ir funkcionalizuodami savo allotropines struktūras (anglies nanovamzdelius, grafeną, fullerenus ir tt)..

Indeksas

  • 1 Anglies atomo savybės
  • 2 Struktūra
  • 3 Hibridizacija
    • 3.1 sp3
    • 3.2 sp2 ir sp
  • 4 Klasifikacija
    • 4.1 Pirminis
    • 4.2 Antrinis
    • 4.3 Tretinis
    • 4.4 Ketvirtinis
  • 5 Naudojimas
    • 5.1 Atominės masės vienetas
    • 5.2 Anglies ciklas ir gyvenimas
    • 5.3 13C NMR spektroskopija
  • 6 Nuorodos

Anglies atomo savybės

Anglies atomas simbolizuoja raidėmis C. Atominis numeris Z yra 6, todėl turi šešis protonus (raudonieji apskritimai su simboliu „+“ branduolyje). Be to, jame yra šeši neutronai (geltoni apskritimai su raidėmis „N“) ir galiausiai šeši elektronai (mėlynos žvaigždės).

Atominių dalelių masės suma sudaro vidutinę 12,0107 u. Tačiau atomas atvaizde atitinka 12-anglies izotopą (12C), kurį sudaro d. Kiti izotopai, pvz 13C ir 14C, mažiau gausu, skiriasi tik neutronų skaičiumi.

Taigi, jei jūs patrauksite šiuos izotopus 13C būtų papildomas geltonas apskritimas, ir 14C, dar du. Tai logiškai reiškia, kad jie yra sunkesni anglies atomai.

Be to, kokias kitas ypatybes galima paminėti šiuo klausimu? Tai tetravalentinė, ty ji gali sudaryti keturias kovalentines obligacijas. Jis yra periodinės lentelės 14 grupėje (PVM), konkrečiau - bloke p.

Jis taip pat yra labai universalus atomas, galintis susieti su beveik visais periodinio stalo elementais; ypač su savimi, formuojant makromolekules ir linijinius, šakotus ir lamelinius polimerus.

Struktūra

Kokia yra anglies atomo struktūra? Norėdami atsakyti į šį klausimą, pirmiausia turite kreiptis į savo elektroninę konfigūraciją: 1s22s22p2 arba [Jis] 2s22p2.

Todėl yra trys orbitos: 1s2, 2s2 ir 2p2, kiekvienas turi du elektronus. Tai taip pat matyti aukščiau pateiktame paveikslėlyje: trys žiedai su dviem elektronais (mėlynos žvaigždės) kiekviena (nesupainiokite žiedų orbitomis: jie yra orbitiniai).

Tačiau atkreipkite dėmesį, kad dvi žvaigždės turi tamsesnį mėlyną atspalvį nei kiti keturi. Kodėl? Kadangi pirmieji du atitinka vidinį sluoksnį 1s2 arba [Jis], kuris tiesiogiai nedalyvauja cheminių ryšių formavime; o išorinio sluoksnio elektronai, 2s ir 2p, daro.

S ir p orbitos neturi tokios pačios formos, todėl iliustruotas atomas neatitinka realybės; be didelio disproporcijos tarp elektronų ir branduolio, kuris turėtų būti šimtai kartų didesnis.

Todėl anglies atomo struktūra susideda iš trijų orbitų, kur elektronai „ištirpsta“ į išsklaidytus elektroninius debesis. Ir tarp branduolio ir šių elektronų yra atstumas, leidžiantis mums pažvelgti į milžinišką „tuštumą“ atomo viduje..

Hibridizacija

Anksčiau buvo minėta, kad anglies atomas yra tetravalentinis. Pagal savo elektroninę konfigūraciją, jos 2s elektronai yra suporuoti ir 2p elektronai yra nesusiję:

Lieka prieinama orbita, kuri yra tuščia ir pripildyta papildomu elektronu azoto atomo (2p.)3).

Pagal kovalentinės jungties apibrėžimą būtina, kad kiekvienas atomas prisidėtų prie elektrono susidarymo; Tačiau tai galima pastebėti bazinė būsena anglies atomo, jis vos turi du nesusijusius elektronus (po vieną kiekvienoje 2p orbitoje). Tai reiškia, kad šioje būsenoje jis yra dvivalentis atomas, todėl jis sudaro tik dvi obligacijas (-C-).

Taigi, kaip įmanoma, kad anglies atomas sudaro keturias obligacijas? Norėdami tai padaryti, turite skatinti elektroną nuo 2s orbitinio iki 2p aukštesnės energijos orbitos. Tai padaryta degeneruotas; kitaip tariant, jie turi tą pačią energiją ar stabilumą (atkreipkite dėmesį, kad jie yra suderinti).

Šis procesas vadinamas hibridizacija, ir dėl to dabar anglies atomas turi keturis orbitinius sp3 su vienu elektronu, sudarant keturias nuorodas. Taip yra dėl to, kad ji yra tetravalentinė.

sp3

Kai anglies atomas turi hibridizaciją3, Nukreipkite savo keturias hibridines orbitales į tetraedro viršūnę, kuri yra jos elektroninė geometrija.

Taigi, galite nustatyti anglies sp3 nes jis sudaro tik keturias paprastas obligacijas, kaip ir metano molekulėje (CH4). Ir aplink tai galima stebėti tetraedrinę aplinką.

Sp orbitalų sutapimas3 jis yra toks veiksmingas ir stabilus, kad paprastos C-C jungties entalpija yra 345,6 kJ / mol. Tai paaiškina, kodėl yra neribotos anglies struktūros ir nematomas organinių junginių skaičius. Be to, anglies atomai gali sudaryti kitų rūšių obligacijas.

sp2 ir sp

Anglies atomas taip pat gali priimti kitus hibridizavimus, kurie leis jam sudaryti dvigubą arba net trigubą jungtį.

Spibridizuojant2, Kaip matyti paveikslėlyje, yra trys sp orbitos2 degeneruotas ir 2p orbita išlieka nepakitusi arba „gryna“. Su trimis sp orbitalais2 atskirtas 120º, anglis sudaro tris kovalentinius ryšius, sudarydama trigoninės plokštumos elektroninę geometriją; o 2p orbitoje, statmenai kitiems trims, jis sudaro ryšį π: -C = C-.

SP hibridizacijos atveju yra dvi sp orbitos, atskirtos 180º, kad jie sudarytų linijinę elektroninę geometriją. Šį kartą jie turi dvi viena kitai statmenas grynąsias 2p orbitales, leidžiančias anglies susidaryti trigubiems ryšiams arba dviem dviguboms jungtims: -C≡C- arba ·· C = C = C · (centrinė anglis turi hibridizaciją) ).

Atkreipkite dėmesį, kad visada (paprastai), jei pridedate nuorodas aplink anglies, pamatysite, kad numeris yra lygus keturiems. Ši informacija yra svarbi rengiant Lewis struktūras arba molekulines struktūras. Anglies atomas, sudarantis penkias jungtis (= C≡C), teoriškai ir eksperimentiškai nepriimtinas.

Klasifikacija

Kaip klasifikuojami anglies atomai? Daugiau nei vidinių charakteristikų klasifikacija iš tikrųjų priklauso nuo molekulinės aplinkos. Tai reiškia, kad molekulėje jo anglies atomai gali būti klasifikuojami pagal toliau nurodytus.

Pirminis

Pirminė anglis yra tokia, kuri susieta tik su kita anglimi. Pavyzdžiui, etano molekulė, CH3-CH3 susideda iš dviejų susietų pirminių anglies. Tai rodo anglies grandinės pabaigą arba pradžią.

Antrinė

Tai yra vienas, susietas su dviem angliavandeniliais. Taigi, propano molekulei CH3-CH2-CH3, terpės anglies atomas yra antrinis (metileno grupė, -CH2-).

Tretinis

Tretieji angliavandeniai skiriasi nuo kitų, nes iš jų atsiranda pagrindinės grandinės šakos. Pavyzdžiui, 2-metilbutanas (dar vadinamas izopentanu), CH3-CH(CH3) -CH2-CH3 Jame yra tretinis anglis, pažymėtas paryškintu šriftu.

Ketvirtinis

Galiausiai ketvirtiniai angliavandeniai, kaip nurodo pavadinimas, yra susiję su keturiais kitais anglies atomais. Neopentano molekulė, C(CH3)4 turi ketvirtinį anglies atomą.

Naudojimas

Atominės masės vienetas

Vidutinė atominė masė. \ T 12C naudojamas kaip standartinė kitų elementų masių skaičiavimo priemonė. Taigi, vandenilis sveria dvyliktąją šios anglies izotopo, kuris naudojamas apibrėžti, kas žinoma kaip atominės masės vienetas u.

Taigi kitos atominės masės gali būti lyginamos su. \ T 12C ir 1H. Pavyzdžiui, magnio (24Mg) sveria maždaug dvigubai daugiau nei anglies atomas ir 24 kartus daugiau nei vandenilio atomas.

Anglies ciklas ir gyvenimas

Augalai sugeria CO2 fotosintezės procese išskiria deguonį į atmosferą ir veikia kaip augalų plaučiai. Kai jie miršta, jie tampa anglis, kuri po deginimo išskiria CO2. Viena dalis sugrįžta į augalus, o kita - į jūros dugną, maitinanti daug mikroorganizmų.

Kai mikroorganizmai miršta, likusios kietosios medžiagos biologinės skilimo nuosėdos ir po milijonų metų jis paverčiamas vadinamuoju aliejumi..

Kai žmonija šią naftą naudoja kaip alternatyvų energijos šaltinį anglies deginimui, ji prisideda prie daugiau CO2 (ir kitos nepageidaujamos dujos).

Kita vertus, gyvenimas naudoja anglies atomus iš giliausių jos pamatų. Taip yra dėl savo obligacijų stabilumo, leidžiančio sudaryti grandines ir molekulines struktūras, kurios sudaro tokias pat svarbias makromolekules kaip DNR.

NMR spektroskopija 13C

The 13C, net jei ji yra daug mažesnė nei. \ T 12C, jo gausumas yra pakankamas molekulinėms struktūroms išsiaiškinti per anglies-13 branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopiją.

Dėl šios analizės metodo galima nustatyti, kurie atomai supa 13C ir kuriai funkcinei grupei jie priklauso. Taigi galima nustatyti bet kurio organinio junginio anglies skeletą.

Nuorodos

  1. Graham Solomons T.W., Craig B. Fryhle. Organinė chemija. Aminai (10-asis leidimas.) Wiley Plus.
  2. Blake D. (2018 m. Gegužės 4 d.). Keturios anglies savybės. Gauta iš: sciencing.com
  3. Karališkoji chemijos draugija. (2018). Anglis. Paimta iš: rsc.org
  4. Evoliucijos supratimas. (s.f.). Anglies atomo kelionė. Gauta iš: evolution.berkeley.edu
  5. Encyclopædia Britannica. (2018 m. Kovo 14 d.). Anglis. Gauta iš: britannica.com
  6. Pappas S. (2017 m. Rugsėjo 29 d.). Faktai apie anglį. Gauta iš: livescience.com