HIILIATOMI: OMINAISUUDET, RAKENNE, HYBRIDISAATIO - KEMIA - 2026

Hiiliatomi on ehkä tärkein ja tunnusomaista kaikki elementit, koska sen ansiosta, että on olemassa elämä on mahdollista. Se sulkee itsessään paitsi muutaman elektronin tai ytimen, jossa on protoneja ja neutroneja, mutta myös tähtipölyn, joka päätyy sisään ja muodostaa eläviä olentoja.

Myös hiiliatomeita löytyy maankuoresta, vaikkakaan ei niin paljon metallisiin alkuaineisiin kuin rauta, karbonaatit, hiilidioksidi, öljy, timantit, hiilihydraatit jne., Ne ovat osa sen fysikaaliset ja kemialliset ilmenemismuodot.

Lähde: Gabriel Bolívar

Mutta millainen hiiliatomi on? Virheellinen ensimmäinen luonnos on yllä olevassa kuvassa nähty, jonka ominaisuudet kuvataan seuraavassa osassa.

Hiiliatomit kulkevat ilmakehän, merien, pohjapohjan, kasvien ja kaikkien eläinlajien läpi. Sen suuri kemiallinen monimuotoisuus johtuu sidosten korkeasta stabiilisuudesta ja tavasta, jolla ne on järjestetty avaruuteen. Siten sinulla on toisaalta sileä ja voiteleva grafiitti; ja toisaalta timantti, jonka kovuus ylittää monien materiaalien kovuuden.

Jos hiiliatomilla ei olisi sille ominaisia ​​ominaisuuksia, orgaanista kemiaa ei olisi täysin. Jotkut visionäärit näkevät siinä uusia tulevaisuuden materiaaleja suunnitellessaan ja toimimalla niiden allotrooppisia rakenteita (hiilinanoputket, grafeeni, fullereenit jne.).

Hiiliatomin ominaisuudet

Hiiliatomia symboloi kirjain C. Sen atominumero Z on 6, siksi siinä on kuusi protonia (punaiset ympyrät, joissa ydin on tunnus "+"). Lisäksi siinä on kuusi neutronia (keltaiset ympyrät kirjaimella "N") ja lopulta kuusi elektronia (siniset tähdet).

Sen atomihiukkasten massojen summa antaa keskiarvon 12,0107 u. Kuvan atomi vastaa kuitenkin hiili 12 (¹² C) -isotooppia, joka koostuu d: stä. Muut isotoopit, kuten ¹³ C ja ¹⁴ C, vähemmän runsas, vaihtelevat vain neutronien lukumäärässä.

Siten, jos nämä isotoopit piirretään, ¹³ C: lla olisi ylimääräinen keltainen ympyrä ja ¹⁴ C: lla olisi kaksi muuta. Tämä tarkoittaa loogisesti, että ne ovat raskaampia hiiliatomeja.

Mitä muita ominaisuuksia voidaan mainita tässä suhteessa? Se on tetravalentti, ts. Se voi muodostaa neljä kovalenttista sidosta. Se sijaitsee jaksollisen taulukon ryhmässä 14 (IVA), tarkemmin lohkossa p.

Se on myös erittäin monipuolinen atomi, joka pystyy sitoutumaan melkein kaikkiin jaksollisen taulun elementteihin; etenkin itsensä kanssa, muodostaen lineaarisia, haarautuneita ja laminaarisia makromolekyylejä ja polymeerejä.

Rakenne

Mikä on hiiliatomin rakenne? Voit vastata tähän kysymykseen ensin siirtymällä sen sähköiseen kokoonpanoon: 1s ² 2s ² 2p ² tai 2s ² 2p ².

Siksi kiertoratoja on kolme: 1s ², 2s ² ja 2p ², joissa molemmissa on kaksi elektronia. Tämä näkyy myös yllä olevassa kuvassa: kolme rengasta, joissa molemmissa on kaksi elektronia (siniset tähdet) (älä sekoita renkaita kiertoradalle: ne ovat kiertoratoja).

Huomaa kuitenkin, että kahdella tähdellä on tummempi sinisen sävy kuin jäljellä olevilla neljällä. Miksi? Koska kaksi ensimmäistä vastaavat sisäkerroksen 1s ² o, joka ei osallistu suoraan muodostamalla kemiallisia sidoksia; kun taas ulkokuoren elektronit 2s ja 2p tekevät.

S- ja p-orbitaaleilla ei ole samaa muotoa, joten esitetty atomi ei ole samaa mieltä todellisuudesta; elektronien ja ytimen välisen etäisyyden suuren suhteettoman suuruuden lisäksi, jonka tulisi olla satoja kertoja suurempi.

Siksi hiiliatomin rakenne koostuu kolmesta orbitaalista, joissa elektronit "sulavat" hämärtyneisiin elektronisiin pilviin. Ja ytimen ja näiden elektronien välillä on etäisyys, joka paljastaa atomin sisällä olevan valtavan "tyhjän".

hybridisaatio

Aikaisemmin mainittiin, että hiiliatomi on tetravalentti. Sen elektronisen kokoonpanon mukaan sen 2s-elektronit ovat pareittain ja 2p: n pariton:

Lähde: Gabriel Bolívar

Käytettävissä on yksi p-orbitaali, joka on tyhjä ja täynnä ylimääräisellä elektronilla typpiatomissa (2p ³).

Kovalenttisen sidoksen määritelmän mukaan on välttämätöntä, että kukin atomi myötävaikuttaa elektroniin sen muodostukseen; voidaan kuitenkin nähdä, että hiiliatomin perustilassa sillä on vain kaksi parittomat elektronit (yksi jokaisessa 2p: n kiertoradalla). Tämä tarkoittaa, että tässä tilassa se on kaksiarvoinen atomi, ja siksi se muodostaa vain kaksi sidosta (–C–).

Joten miten hiiliatomi voi muodostaa neljä sidosta? Tätä varten sinun on edistettävä elektronia 2s: n kiertoradalta korkeamman energian 2p: n kiertoradalle. Tämä on tehty, tuloksena olevat neljä kiertorataa ovat rappeutuneet; toisin sanoen, niillä on sama energia tai stabiilisuus (huomaa, että ne ovat kohdistettuina).

Tätä prosessia kutsutaan hybridisaatioksi, ja sen ansiosta hiiliatomilla on nyt neljä sp ³ -orbitaalia yhdellä elektronilla, jolloin muodostuu neljä sidosta. Tämä johtuu sen ominaisuudesta olla tetravalentti.

sp

Silloin, kun hiiliatomi on sp ³ hybridisaatio, se suuntautuu neljä hybridi orbitaaleja kärkiin tetraedri, joka on sähköisen geometria.

Siten sp ³ hiiltä, voidaan tunnistaa, koska se muodostaa vain neljä yksinkertainen sidoksia, kuten metaanin molekyyli (CH ₄). Ja tämän ympärillä voidaan havaita tetraedrinen ympäristö.

Sp ³ -orbitaalien päällekkäisyys on niin tehokas ja vakaa, että yksinkertaisen sidoksen CC entalpia on 345,6 kJ / mol. Tämä selittää miksi on olemassa loputtomia karbonaattirakenteita ja mittaamaton määrä orgaanisia yhdisteitä. Tämän lisäksi hiiliatomit voivat muodostaa muun tyyppisiä sidoksia.

sp

Lähde: Gabriel Bolívar

Hiiliatomi kykenee myös omaksumaan muita hybridisaatioita, jotka sallivat sen muodostaa kaksinkertaisen tai jopa kolmoissidoksen.

SP ² hybridisaatio, kuten nähdään kuvan, on kolme degeneroitunut sp ² -orbitaalien ja yksi 2p kiertoradan pysyy ennallaan tai "puhdas". Kolmen sp ² orbitaalit 120º toisistaan, hiilen muotoja kolme kovalenttisidoksellisia piirustus trigonaalinen tasossa sähköisen geometria; kun taas 2p-kiertoradalla, kohtisuorassa kolmen muun kanssa, se muodostaa π-sidoksen: –C = C–.

Sp-hybridisaatiossa on kaksi sp-orbitaalia, jotka ovat 180 °: n etäisyydellä toisistaan ​​siten, että ne vetävät lineaarisen elektronisen geometrian. Tällä kertaa heillä on kaksi toisiinsa nähden kohtisuoraa 2p: n puhdasta orbitaalia, jotka sallivat hiilen muodostaa kolmoissidoksia tai kaksi kaksoissidosta: –C≡C– tai ·· C = C = C ·· (keskushiilellä on sp-hybridisaatio).

Huomaa, että aina (yleensä), jos hiilen ympärillä olevat sidokset lisätään, lukumäärän on oltava neljä. Nämä tiedot ovat välttämättömiä, kun piirretään Lewis-rakenteita tai molekyylirakenteita. Hiiliatomi, joka muodostaa viisi sidosta (= C≡C), on teoreettisesti ja kokeellisesti mahdoton hyväksyä.

Luokittelu

Kuinka hiiliatomit luokitellaan? Sen lisäksi, että luokitellaan sisäisten ominaisuuksien perusteella, se todella riippuu molekyylin ympäristöstä. Eli molekyylissä sen hiiliatomit voidaan luokitella seuraavan mukaisesti.

ensisijainen

Primaarihiili on sellainen, joka on sitoutunut vain toiseen hiileen. Esimerkiksi etaani-molekyyli, CH ₃ -CH ₃ koostuu kahdesta sidottu ensisijaista hiiltä. Tämä merkitsee hiiliketjun loppua tai alkua.

toissijainen

Se on yksi, joka on kytketty kahteen hiilivetyyn. Siten, että propaanin molekyyli, CH ₃ - CH ₂ -CH ₃, keskimmäinen hiiliatomi on toissijainen (metyleeniryhmä, -CH ₂ -).

Tertiäärinen

Tertiääriset hiilidioksidit eroavat muista, koska pääketjun haarat ilmaantuvat niistä. Esimerkiksi, 2-metyylibutaani (kutsutaan myös isopentaani), CH ₃ - CH (CH ₃) -CH ₂ -CH ₃ on tertiäärinen hiili on lihavoitu.

kvaternaariset

Ja lopuksi, kvaternääriset hiiliatomit, kuten nimensä viittaavat, on kytketty neljään muuhun hiiliatomiin. Neopentaani molekyyli, C (CH ₃) _4, on kvaternäärinen hiiliatomi.

Sovellukset

Atomimassayksikkö

Keskimääräistä atomimassaa ¹² C käytetään vakiomittana muiden alkuaineiden massojen laskemiseen. Siten vety painaa yhden kahdestoistaosan tästä hiilen isotoopista, jota käytetään määrittelemään niin kutsuttu atomimassayksikkö u.

Siten muita atomimassoja voidaan verrata ¹² C: n ja ¹ H: n massoihin. Esimerkiksi magnesium (²⁴ Mg) painaa suunnilleen kaksi kertaa hiiliatomin ja 24 kertaa enemmän kuin vetyatomi.

Hiilisykli ja elämä

Kasvit imevät CO ₂ sisään fotosynteesissä vapauttaa happea ilmakehään ja toimivat kasvien keuhkoihin. Kuollessaan niistä tulee puuhiiltä, ​​joka palamisen jälkeen vapauttaa _jälleen hiilidioksidia. Yksi osa palaa kasveihin, mutta toinen päätyy merenpohjaan ravitseen monia mikro-organismeja.

Kun mikro-organismit kuolevat, kiinteä aine pysyy biologisissa hajoamissedimentissään ja miljoonien vuosien jälkeen se muuttuu öljyksi.

Kun ihmiskunnan käyttää tätä öljyä vaihtoehtona energialähteenä polttamalla hiiltä, se vaikuttaa vapauttamaan lisää CO ₂ (ja muiden ei-toivottujen kaasujen).

Toisaalta elämä käyttää hiiliatomeja alhaalta. Tämä johtuu sen sidosten stabiilisuudesta, joka antaa sille mahdollisuuden muodostaa ketjuja ja molekyylirakenteita, jotka muodostavat makromolekyylejä, jotka ovat yhtä tärkeitä kuin DNA.

NMR-spektroskopia

¹³ C, vaikka se on paljon pienempi osuus ¹² C, niiden runsaus on riittävä molekyylirakenteiden ydinmagneettisen resonanssin spektroskopialla hiili-13.

Tämän analyysitekniikan ansiosta on mahdollista määrittää, mitkä atomit ympäröivät ¹³ C ja mihin funktionaalisiin ryhmiin ne kuuluvat. Siten minkä tahansa orgaanisen yhdisteen hiilirunko voidaan määrittää.

Viitteet

1. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. Orgaaninen kemia. Amiineja. (10. painos.) Wiley Plus.
2. Blake D. (4. toukokuuta 2018). Hiilen neljä ominaisuutta. Palautettu osoitteesta: sciencing.com
3. Royal Society of Chemistry. (2018). Hiili. Kuvannut: rsc.org
4. Evolutionin ymmärtäminen. (SF). Hiiliatomin matka. Palautettu osoitteesta: evolution.berkeley.edu
5. Encyclopædia Britannica. (14. maaliskuuta 2018). Hiili. Palautettu osoitteesta: britannica.com
6. Pappas S. (29. syyskuuta 2017). Tietoja hiilestä. Palautettu sivustolta: livescience.com