תכונות אטום פחמן, מבנה, הכלאה, סיווג



ה אטום פחמן זה אולי החשוב והסמלי ביותר של כל האלמנטים, כי בזכות זה את קיומו של החיים אפשרי. הוא מקיף בתוכו לא רק כמה אלקטרונים, או גרעין עם פרוטונים ונייטרונים, אלא גם אבק כוכבים, שבסופו של דבר משולב ויוצר יצורים חיים.

כמו כן, אטומי פחמן נמצאים בקרום כדור הארץ, אם כי לא בשפע דומה לאלמנטים מתכתיים כגון ברזל, פחמתי, פחמן דו חמצני, נפט, יהלומים, פחמימות וכו ', הם חלק מ ביטויים פיזיים וכימיים.

אבל איך הוא אטום פחמן? סקיצה לא מדויקת ראשונה היא זו שנצפתה בתמונה לעיל, שאת מאפייניה מתוארים בסעיף הבא.

אטומי פחמן נעים דרך האטמוספרה, הים, תת הקרקע, הצמחים וכל מיני בעלי חיים. המגוון הכימי הגדול שלה נובע מהיציבות הגבוהה של הקישורים שלה וכיצד הם מסודרים בחלל. לפיכך, יש מצד אחד את חלקה גרפיט סיכה; ומצד אחר, היהלום, שקשיחותו עולה על זו של חומרים רבים.

אם לאטום הפחמן לא יהיו התכונות המאפיינות אותו, הכימיה האורגנית לא תהיה קיימת לחלוטין. כמה חזון לראות בו את החומרים החדשים של העתיד, באמצעות עיצוב ופונקציונליזציה של מבנים allotropic שלה (צינורות פחמן, גראפן, פולרנים, וכו ').

אינדקס

  • 1 מאפייני אטום הפחמן
  • מבנה
  • 3 הכלאה
    • 3.1 SP3
    • 3.2 sp2 ו- sp
  • 4 קפה
    • 4.1 ראשוני
    • 4.2 משנית
    • 4.3 שלישוני
    • 4.4 רבעוני
  • 5 שימושים
    • יחידת מסה אטומית
    • 5.2 מחזור הפחמן והחיים
    • 5.3 ספקטרוסקופיית תמ"ג 13C
  • 6 הפניות

מאפייני אטום הפחמן

האות אטום מסומל על ידי האות C. המספר האטומי שלה הוא 6, ולכן, יש לו שישה פרוטונים (עיגולים אדומים עם סמל "+" בגרעין). בנוסף, יש לו שישה נייטרונים (עיגולים צהובים עם האות "N") ולבסוף שישה אלקטרונים (הכוכבים הכחולים).

סכום המסה של חלקיקי האטום שלהם נותן ערך ממוצע של 12.0107 u. עם זאת, האטום בתמונה תואמת את האיזוטופ 12 פחמן (12C), המורכב d. איזוטופים אחרים, כגון 13C 14C, פחות בשפע, משתנים רק במספר הנייטרונים.

אז, אם אתה מצייר את האיזוטופים האלה ב 13C היה מעגל צהוב נוסף, ואת 14C, שניים נוספים. זה הגיוני אומר שהם אטומים פחמן כבדים.

בנוסף לכך, אילו תכונות אחרות ניתן להזכיר בהקשר זה? זה tetravalent, כלומר, זה יכול ליצור ארבעה קשרים קוולנטיים. הוא ממוקם בקבוצה 14 (מע"מ) של הטבלה המחזורית, באופן ספציפי יותר בבלוק p.

זה גם אטום רב תכליתי, מסוגל לקשר כמעט עם כל האלמנטים של הטבלה המחזורית; במיוחד עם עצמה, יצירת macromolecules ו לינארית, מסועפת ו lamellar פולימרים.

מבנה

מהו המבנה של אטום פחמן? כדי לענות על שאלה זו, תחילה עליך לעבור לתצורה האלקטרונית שלך: 1s22s22p2 או [הוא] 2s22p2.

לכן, ישנם שלושה Orbitals: 1s2, ה -22 ואת 2p2, כל אחד עם שני אלקטרונים. זה יכול גם לראות בתמונה לעיל: שלוש צלצולים עם שני אלקטרונים (כוכבים כחולים) כל (לא לבלבל את הטבעות על ידי מסלולים: הם מסלולית).

שים לב, עם זאת, כי שני כוכבים יש גוון כהה יותר של כחול מאשר ארבעת האחרים. למה? כי הראשון שני מתאים את השכבה 1s הפנימי2 או [הוא], שאינו משתתף באופן ישיר ביצירת קשרים כימיים; בעוד האלקטרונים בשכבה החיצונית, 2s 2p, לעשות.

S ו p אורביטלים אין את אותה צורה, ולכן האטום מאויר אינו על פי המציאות; בנוסף על חוסר הפרופורציות הגדול של המרחק בין האלקטרונים לבין הגרעין, אשר צריך להיות גדול פי מאות.

לכן, המבנה של אטום הפחמן מורכב משלושה אורביטלים שבהם האלקטרונים "נמסים" לעננים אלקטרוניים מפוזרים. ובין הגרעין לבין האלקטרונים האלה יש מרחק המאפשר לנו לראות את ה"ריקנות "העצומה בתוך האטום.

הכלאה

זה הוזכר קודם לכן כי אטום פחמן הוא tetravalent. על פי התצורה האלקטרונית שלה, האלקטרונים שלה 2 הם זיווג ואת האלקטרונים 2p הם unaired:

נותר שריר זמין, שהוא ריק ומלא אלקטרון נוסף באטום החנקן (2p3).

על פי ההגדרה של הקשר קוולנטי, יש צורך כי כל אטום תורם אלקטרון להקמתה; עם זאת, ניתן לראות כי ב מצב בסיסי של אטום פחמן, הוא בקושי יש שני אלקטרונים לא מזויפים (אחד בכל 2P מסלולית). פירוש הדבר שבמצב זה הוא אטום דו-ערכי, ולכן הוא יוצר רק שני קשרים (C-).

אז, איך זה אפשרי כי אטום פחמן טפסים ארבע קשרים? כדי לעשות זאת, עליך לקדם את האלקטרון מן 2s מסלולית כדי 2p גבוהה יותר מסלולית. זה נעשה, ארביטלים המתקבלים ארבעה הם להתנוון; במילים אחרות, יש להם את אותה אנרגיה או יציבות (שים לב כי הם מיושרים).

תהליך זה ידוע כהכלאה, ובזכותו, עכשיו אטום הפחמן יש ארבעה spbit מסלולית3 עם אלקטרון אחד כל כדי ליצור ארבעה קישורים. זאת בשל המאפיין שלה להיות tetravalent.

sp3

כאשר אטום פחמן בעל הכלאה sp3, אוריינט שלה ארבעת היברידית הקדקודים של tetrahedron, המהווה את הגיאומטריה האלקטרונית שלה.

אז, אתה יכול לזהות SP פחמן3 כי זה רק יוצר ארבע קשרים פשוטים, כמו מולקולת מתאן (CH4). ומסביב זה ניתן לצפות בסביבה tetrahedral.

חפיפה של אורביטלים sp3 זה כל כך יעיל ויציב כי פשוט C-C האג"ח יש אנתלפיה של 345.6 ק"ג / מול. זה מסביר מדוע יש אינסוף מבנים פחמימות מספר עצום של תרכובות אורגניות. בנוסף לכך, אטומי פחמן יכול ליצור סוגים אחרים של אג"ח.

sp2 ו sp

אטום הפחמן מסוגל גם לאמץ הכלאות אחרות, שיאפשרו לו ליצור קשר כפול או אפילו משולש.

ב הכלאה sp2, כפי שניתן לראות בתמונה, ישנם שלושה spbit אורביטלים2 מנוונת ו 2p מסלול נשאר ללא שינוי או "טהור". עם שלושה spbit אורביטלים2 מופרדים 120 מעלות, הפחמן יוצר שלוש הקשרים קוולנטיים על ידי ציור מטריצה ​​מטוס גיאומטריה אלקטרונית; בעוד עם 2p מסלולית, בניצב לשלושת האחרים, זה יוצר קשר π: -C = C-.

במקרה של הכלאה sp, יש שני אורביטלים sp נפרדת 180 מעלות, כך שהם לצייר גיאומטריה אלקטרונית ליניארית. הפעם, יש להם שני Orbitals טהור 2p, בניצב זה לזה, המאפשרים פחמן ליצור קשרים משולשים או שני קשרים כפולים: CCC- או · C = C = C · (פחמן מרכזי יש הכלאה sp) ).

שים לב כי תמיד (בדרך כלל) אם תוסיף את הקישורים סביב פחמן תגלה כי המספר שווה לארבעה. מידע זה חיוני כאשר ציור מבנים לואיס או מבנים מולקולריים. אטום פחמן המרכיב חמישה קשרים (= C CC) הוא בלתי אפשרי מבחינה תיאורטית וניסויים.

קפה

כיצד מסווגים אטומי פחמן? יותר מאשר סיווג לפי מאפיינים פנימיים, זה תלוי במציאות על הסביבה המולקולרית. כלומר, בתוך המולקולה ניתן לסווג את אטומי הפחמן לפי הפירוט הבא.

ראשי

פחמן עיקרי הוא אחד שמקושר רק לפחמן אחר. לדוגמה, המולקולה של אתאן, CH3-CH3 מורכב משני פחמנים ראשיים מלוכדות. זה מסמן את סוף או תחילת שרשרת פחמן.

משני

זה אחד כי הוא קשור לשני פחמנים. אז, עבור מולקולה פרופאן, CH3-CH2-CH3, אטום הפחמן של המדיום הוא משני (קבוצת מתילן, -CH2-).

שלישוני

הפחמן השלישוני שונה משאר, כי מהם יוצאים ענפי השרשרת הראשית. לדוגמה, 2-methylbutane (נקרא גם isopentane), CH3-CH(CH3) -CH2-CH3 יש פחמן שלישוני מודגש מודגש.

רבעוני

ולבסוף, הפחמנים הרבעוניים, כפי שהשם מרמז, קשורים לארבעה אטומי פחמן אחרים. המולקולה של הניאופנטן, ג(CH3)4 יש אטום פחמן רבעוני.

שימושים

יחידת מסה אטומית

המסה האטומית הממוצעת של 12C משמש כמדד סטנדרטי לחישוב ההמונים של שאר היסודות. לפיכך, מימן שוקל את השתים עשרה של איזוטופ פחמן זה, אשר משמש כדי להגדיר את מה שמכונה יחידת מסה אטומית.

כך ניתן להשוות את ההמונים האטומיים האחרים לזה של ההמונים 12C ו 1H. לדוגמה, מגנזיום (24Mg) שוקל בערך פי שניים מאטום פחמן, ו -24 פעמים יותר מאטום מימן.

מחזור פחמן וחיים

צמחים לספוג CO2 בתהליך של פוטוסינתזה לשחרר חמצן לאטמוספרה ולפעול כמו הריאות הצמח. כאשר הם מתים, הם הופכים פחם, אשר לאחר שריפת, משחרר CO2. חלק אחד חוזר אל הצמחים, אבל אחר מגיע בסופו של דבר במיטות הים, מזין מיקרואורגניזמים רבים.

כאשר מיקרואורגניזמים מתים, הנותרים מוצקים כדי הפירוק הביולוגי שלה משקעים, ולאחר מיליוני שנים, זה הופך למה שמכונה שמן.

כאשר האנושות משתמשת בשמן זה כמקור אנרגיה חלופי לשריפת הפחם, היא תורמת לשחרור של יותר CO2 (וגזים בלתי רצויים אחרים).

לעומת זאת, החיים משתמשים באטומי הפחמן העמוקים ביותר ביסודותיה. זאת בשל יציבות של הקשרים שלה, אשר מאפשר לה ליצור שרשראות ומבנים מולקולריים המרכיבים macromolecules חשוב כמו DNA.

ספקטרוסקופית תמ"ג 13ג

ה 13C, למרות שהוא קטן בהרבה מזה של 12C, שפע שלה מספיק כדי להבהיר מבנים מולקולריים באמצעות ספקטרוסקופית תהודה מגנטית פחמן -13 פחמן.

הודות לטכניקה זו ניתוח, ניתן לקבוע אילו אטומים להקיף את 13C לאיזה קבוצות תפקודיות הם שייכים. לפיכך, שלד פחמן של כל מתחם אורגני ניתן לקבוע.

הפניות

  1. גרהם סולומונס ט. וו. קרייג ב. פרייהל. כימיה אורגנית. Amines (מהדורה 10).
  2. בלייק ד (4 במאי 2018). ארבעה מאפיינים של פחמן. מקור: sciencing.com
  3. החברה המלכותית לכימיה. (2018). פחמן. לקוח מתוך: rsc.org
  4. הבנת האבולוציה. (s.f.). מסע של אטום פחמן. מקור: אבולוציה
  5. אנציקלופדיה בריטניקה. (14 במרץ 2018). פחמן. מקור: britannica.com
  6. פאפאס ס (29 בספטמבר 2017). עובדות על פחמן. מקור: