Kenmerken van koolstofatomen, structuur, hybridisatie, classificatie

de koolstofatoom Het is misschien wel het belangrijkste en emblematische van alle elementen, omdat dankzij het bestaan ​​van het leven mogelijk is. Het omhult op zichzelf niet alleen een paar elektronen, of een kern met protonen en neutronen, maar ook sterrenstof, dat uiteindelijk opgenomen wordt en levende wezens vormt.

Ook zijn koolstofatomen te vinden in de aardkorst, hoewel ze niet met een overvloed vergelijkbaar zijn met metaalelementen zoals ijzer, carbonaten, koolstofdioxide, olie, diamanten, koolhydraten, enz., Maken ze deel uit van zijn fysieke en chemische manifestaties.

Maar hoe is het koolstofatoom? Een eerste onnauwkeurige schets is die welke wordt weergegeven in de bovenstaande afbeelding, waarvan de kenmerken worden beschreven in de volgende sectie.

Koolstofatomen reizen door de atmosfeer, de zeeën, de ondergrond, planten en elke diersoort. De grote chemische diversiteit is te danken aan de hoge stabiliteit van de schakels en hoe ze in de ruimte worden besteld. Het heeft dus enerzijds het gladde en smerende grafiet; en aan de andere kant de diamant, waarvan de hardheid die van vele materialen overtreft.

Als het koolstofatoom niet de eigenschappen had die het karakteriseren, zou organische chemie niet volledig bestaan. Sommige visionairs zien daarin de nieuwe materialen van de toekomst, door het ontwerp en de functionalisering van zijn allotrope structuren (koolstofnanobuisjes, grafeen, fullerenen, etc.).

index

• 1 Kenmerken van het koolstofatoom
• 2 Structuur
• 3 Hybridisatie
  • 3,1 sp3
  • 3,2 sp2 en sp
• 4 Classificatie
  • 4.1 Primair
  • 4.2 Secundair
  • 4.3 Tertiair
  • 4.4 Quaternair
• 5 Gebruik
  • 5.1 Atomaire massa-eenheid
  • 5.2 Koolstofcyclus en levensduur
  • 5.3 13C NMR-spectroscopie
• 6 Referenties

Kenmerken van het koolstofatoom

Het koolstofatoom wordt gesymboliseerd door de letter C. Het atoomnummer Z is 6, daarom heeft het zes protonen (rode cirkels met het symbool "+" in de kern). Daarnaast heeft het zes neutronen (gele cirkels met de letter "N") en ten slotte zes elektronen (de blauwe sterren).

De som van de massa's van hun atoomdeeltjes geeft een gemiddelde waarde van 12.0107 u. Het atoom in het beeld komt echter overeen met het 12-koolstof isotoop (¹²C), die uit d bestaat. Andere isotopen, zoals ¹³C en ¹⁴C, minder overvloedig, variëren alleen in het aantal neutronen.

Dus, als je deze isotopen tekent ¹³C zou een extra gele cirkel hebben en de ¹⁴C, nog twee. Dit betekent logischerwijs dat ze zwaardere koolstofatomen zijn.

In aanvulling hierop, welke andere kenmerken kunnen in dit verband worden genoemd? Het is tetravalent, dat wil zeggen, het kan vier covalente bindingen vormen. Het bevindt zich in groep 14 (BTW) van het periodiek systeem, meer bepaald in blok p.

Het is ook een zeer veelzijdig atoom, in staat om te linken met bijna alle elementen van het periodiek systeem; vooral met zichzelf, het vormen van macromoleculen en lineaire, vertakte en lamellaire polymeren.

structuur

Wat is de structuur van een koolstofatoom? Om deze vraag te beantwoorden, moet u eerst naar uw elektronische configuratie gaan: 1s²2s²2p² of [Hij] 2s²2p².

Daarom zijn er drie orbitalen: de 1s², de 2s² en de 2p², elk met twee elektronen. Dit is ook te zien in de bovenstaande afbeelding: drie ringen met elk twee elektronen (blauwe sterren) (verwar de ringen niet met banen: ze zijn orbitaal).

Merk echter op dat twee van de sterren een donkerdere tint blauw hebben dan de andere vier. Waarom? Omdat de eerste twee overeenkomt met de binnenste laag 1s² of [Hij], die niet rechtstreeks deelneemt aan de vorming van chemische bindingen; terwijl de elektronen van de buitenste laag, 2s en 2p, doen.

De s- en p-orbitalen hebben niet dezelfde vorm, dus het geïllustreerde atoom is niet in overeenstemming met de realiteit; naast de grote onevenredigheid van de afstand tussen de elektronen en de kern, die honderden keren groter zou moeten zijn.

Daarom bestaat de structuur van het koolstofatoom uit drie orbitalen waarbij de elektronen "smelten" in diffuse elektronische wolken. En tussen de kern en deze elektronen is er een afstand waardoor we een glimp kunnen opvangen van de immense "leegte" in het atoom.

hybridisatie

Er werd eerder vermeld dat het koolstofatoom vierwaardig is. Volgens zijn elektronische configuratie zijn de 2s-elektronen gepaard en zijn de 2p-elektronen ongepaard:

Er blijft een beschikbare p-orbitaal over, die leeg is en is gevuld met een extra elektron in het stikstofatoom (2p³).

Volgens de definitie van de covalente binding is het noodzakelijk dat elk atoom een ​​elektron draagt ​​voor zijn vorming; Er kan echter worden opgemerkt dat in basale toestand van het koolstofatoom, heeft het amper twee ongepaarde elektronen (één in elke 2p-orbitaal). Dit betekent dat het in deze toestand een tweewaardig atoom is en daarom vormt het slechts twee bindingen (-C-).

Dus, hoe is het mogelijk dat het koolstofatoom vier bindingen vormt? Om dit te doen, moet je een elektron van de 2s-orbitaal naar de 2p hogere energie-orbitaal bevorderen. Dit is gebeurd, de vier resulterende orbitalen zijn gedegenereerd; met andere woorden, ze hebben dezelfde energie of stabiliteit (merk op dat ze op één lijn liggen).

Dit proces staat bekend als hybridisatie, en dankzij dit heeft nu het koolstofatoom vier orbitale sp³ met elk één elektron om vier schakels te vormen. Dit komt door zijn karakteristieke eigenschap dat het tetravalent is.

sp³

Wanneer het koolstofatoom een ​​sp-hybridisatie bezit³, Oriënteer de vier hybride orbitalen op de hoekpunten van een tetraëder, wat de elektronische geometrie is.

U kunt dus een carbon sp identificeren³ omdat het slechts vier eenvoudige bindingen vormt, zoals in het methaanmolecuul (CH₄). En daar omheen kan een tetraëdrische omgeving worden waargenomen.

De overlapping van sp-orbitalen³ het is zo effectief en stabiel dat de eenvoudige C-C-binding een enthalpie heeft van 345,6 kJ / mol. Dit verklaart waarom er eindeloze koolstofhoudende structuren en een onmetelijk aantal organische verbindingen zijn. Daarnaast kunnen koolstofatomen andere soorten obligaties vormen.

sp² en sp

Het koolstofatoom kan ook andere hybridisaties aannemen, waardoor het een dubbele of zelfs drievoudige binding kan vormen.

In sp-hybridisatie², Zoals te zien is in de afbeelding, zijn er drie sp-orbitalen² gedegenereerd en een 2p-orbitaal blijft onveranderd of "puur". Met de drie sp-orbitalen² 120º gescheiden, vormt het koolstof drie covalente bindingen door een elektronische geometrie van het trigonale vlak te tekenen; terwijl met de 2p-orbitaal, loodrecht op de andere drie, het een binding π: -C = C vormt-.

Voor het geval van sp-hybridisatie zijn er twee sp-orbitalen die 180º van elkaar zijn gescheiden, zodat ze een lineaire elektronische geometrie trekken. Deze keer hebben ze twee zuivere 2p-orbitalen, loodrecht op elkaar, waardoor de koolstof drievoudige bindingen of twee dubbele bindingen kan vormen: -C = C- of ·· C = C = C ·· (de centrale koolstof heeft sp-hybridisatie) ).

Merk op dat altijd (meestal) als u de links rondom de koolstof toevoegt, u zult zien dat het aantal gelijk is aan vier. Deze informatie is essentieel bij het tekenen van Lewis-structuren of moleculaire structuren. Een koolstofatoom dat vijf bindingen vormt (= C≡C) is theoretisch en experimenteel ontoelaatbaar.

classificatie

Hoe worden koolstofatomen geclassificeerd? Meer dan een classificatie door interne kenmerken, hangt het in werkelijkheid af van de moleculaire omgeving. Dat wil zeggen dat binnen een molecuul zijn koolstofatomen kunnen worden geclassificeerd volgens het volgende.

primair

Een primaire koolstof is er een die alleen aan een andere koolstof is gekoppeld. Het molecuul van ethaan, CH₃-CH₃ bestaat uit twee gebonden primaire koolstoffen. Dit signaleert het einde of begin van een koolstofketen.

secundair

Het is er een die is gekoppeld aan twee koolstofatomen. Dus voor het propaanmolecuul, CH₃-CH₂-CH₃, het koolstofatoom van het medium is secundair (de methyleengroep, -CH₂-).

tertiair

De tertiaire koolstoffen verschillen van de rest omdat ze uit takken van de hoofdketen komen. Bijvoorbeeld 2-methylbutaan (ook isopentaan genoemd), CH₃-CH(CH₃) -CH₂-CH₃ Het heeft een tertiaire koolstof gemarkeerd vetgedrukt.

quaternaire

En tenslotte zijn de quaternaire koolstoffen, zoals de naam al aangeeft, gekoppeld aan vier andere koolstofatomen. Het molecuul van neopentane, C(CH₃)₄ heeft een quaternair koolstofatoom.

toepassingen

Atoommassa

De gemiddelde atomaire massa van ¹²C wordt gebruikt als standaardmaat voor de berekening van de massa's van de andere elementen. Zo weegt waterstof een twaalfde van deze koolstofisotoop, die wordt gebruikt om te definiëren wat bekend staat als atomaire massa-eenheid u.

Aldus kunnen de andere atoommassa's worden vergeleken met die van ¹²C en de ¹H. Bijvoorbeeld magnesium (²⁴Mg) weegt ongeveer twee keer zoveel als een koolstofatoom en 24 keer meer dan een waterstofatoom.

Koolstofcyclus en leven

Planten nemen CO op₂ in het proces van fotosynthese om zuurstof aan de atmosfeer vrij te geven en als plantlongen te werken. Als ze doodgaan, worden ze houtskool, dat na verbranding CO vrijgeeft₂. Het ene deel keert terug naar de planten, maar een ander deel belandt in de zeebodem en voedt veel micro-organismen.

Wanneer de micro-organismen afsterven, wordt de resterende vaste stof tot zijn biologische ontbindingssedimenten en na miljoenen jaren omgezet in wat bekend staat als olie.

Wanneer de mensheid deze olie gebruikt als alternatieve energiebron voor het verbranden van steenkool, draagt ​​het bij aan de uitstoot van meer CO₂ (en andere ongewenste gassen).

Aan de andere kant gebruikt het leven de koolstofatomen van de diepste van zijn fundamenten. Dit komt door de stabiliteit van zijn bindingen, waardoor het ketens en moleculaire structuren kan vormen die macromoleculen vormen net zo belangrijk als DNA.

NMR-spectroscopie ¹³C

de ¹³C, ook al is het in een veel kleiner deel dan dat van ¹²C, zijn overvloed is voldoende om moleculaire structuren op te helderen via koolstof-13 nucleaire magnetische resonantie spectroscopie.

Dankzij deze analysetechniek kan worden bepaald welke atomen eromheen liggen ¹³C en tot welke functionele groepen ze behoren. Aldus kan het koolstofskelet van elke organische verbinding worden bepaald.

referenties

1. Graham Solomons T.W., Craig B. Fryhle. Organische chemie. Aminen. (10e editie.) Wiley Plus.
2. Blake D. (4 mei 2018). Vier kenmerken van koolstof. Teruggeplaatst van: sciencing.com
3. Royal Society of Chemistry. (2018). Carbon. Genomen uit: rsc.org
4. Evolutie begrijpen. (N.D.). Reis van een koolstofatoom. Teruggeplaatst van: evolution.berkeley.edu
5. Encyclopædia Britannica. (14 maart 2018). Carbon. Teruggeplaatst van: britannica.com
6. Pappas S. (29 september 2017). Feiten over Carbon. Teruggeplaatst van: livescience.com