ATOM KARBON: CIRI, STRUKTUR, HIBRIDISASI - KIMIA - 2025

The atom karbon mungkin yang paling penting dan lambang semua unsur-unsur, kerana terima kasih kepadanya kewujudan kehidupan adalah mungkin. Ini membungkus dengan sendirinya tidak hanya beberapa elektron, atau inti dengan proton dan neutron, tetapi juga debu bintang, yang akhirnya bergabung dan membentuk makhluk hidup.

Begitu juga, atom karbon terdapat di kerak bumi, walaupun tidak banyak dibandingkan dengan unsur-unsur logam seperti besi, karbonat, karbon dioksida, minyak, berlian, karbohidrat, dan lain-lain, mereka adalah sebahagian daripada manifestasi fizikal dan kimianya.

Sumber: Gabriel Bolívar

Tetapi seperti apa atom karbon? Sketsa pertama yang tidak tepat adalah gambar yang dilihat dalam gambar di atas, yang ciri-cirinya dijelaskan di bahagian seterusnya.

Atom karbon melintasi atmosfer, laut, tanah bawah tanah, tumbuh-tumbuhan dan spesies haiwan apa pun. Kepelbagaian kimianya yang hebat disebabkan oleh kestabilan ikatannya yang tinggi dan cara penyusunnya di ruang angkasa. Oleh itu, anda mempunyai satu sisi grafit halus dan pelincir; dan yang lain, berlian, yang kekerasannya melebihi dari banyak bahan.

Sekiranya atom karbon tidak mempunyai kualiti yang mencirikannya, kimia organik tidak akan wujud sepenuhnya. Beberapa penglihatan melihat di dalamnya bahan baru di masa depan, melalui reka bentuk dan fungsi struktur alotropik mereka (karbon nanotube, graphene, fullerenes, dll.).

Ciri-ciri atom karbon

Atom karbon dilambangkan dengan huruf C. Nombor atomnya Z adalah 6, oleh itu ia mempunyai enam proton (bulatan merah dengan simbol "+" di nukleus). Selain itu, ia mempunyai enam neutron (lingkaran kuning dengan huruf "N") dan akhirnya enam elektron (bintang biru).

Jumlah jisim zarah atomnya memberikan nilai purata 12.0107 u. Walau bagaimanapun, atom dalam gambar sepadan dengan isotop karbon 12 ( ¹² C), yang terdiri daripada d. Isotop lain, seperti ¹³ C dan ¹⁴ C, kurang banyak, hanya berbeza dalam bilangan neutron.

Oleh itu, jika isotop ini dilukis, ¹³ C akan mempunyai lingkaran kuning tambahan, dan ¹⁴ C akan mempunyai dua lagi. Ini secara logik bermaksud bahawa mereka adalah atom karbon yang lebih berat.

Di samping itu, apakah ciri-ciri lain yang dapat disebutkan dalam hal ini? Ini adalah tetravalen, iaitu dapat membentuk empat ikatan kovalen. Ia terletak dalam kumpulan 14 (IVA) jadual berkala, lebih khusus di blok p.

Ia juga merupakan atom yang sangat serba boleh, mampu berikat dengan hampir semua unsur jadual berkala; terutamanya dengan dirinya sendiri, membentuk makromolekul dan polimer linier, bercabang dan laminar.

Struktur

Apakah struktur atom karbon? Untuk menjawab soalan ini, pertama anda harus pergi ke konfigurasi elektroniknya: 1s ² 2s ² 2p ² atau 2s ² 2p ² .

Oleh itu, terdapat tiga orbital: 1s ² , 2s ^2, dan 2p ² , masing-masing dengan dua elektron. Ini juga dapat dilihat pada gambar di atas: tiga cincin dengan dua elektron (bintang biru) masing-masing (jangan salah anggap cincin untuk orbit: mereka adalah orbit).

Namun, perhatikan bahawa dua bintang mempunyai warna biru yang lebih gelap daripada empat bintang yang tinggal. Kenapa? Kerana dua yang pertama sesuai dengan lapisan dalam 1s ² o, yang tidak mengambil bahagian secara langsung dalam pembentukan ikatan kimia; sementara elektron di shell luar, 2s dan 2p, lakukan.

Orbital s dan p tidak mempunyai bentuk yang sama, jadi atom yang digambarkan tidak setuju dengan kenyataan; sebagai tambahan kepada perbezaan jarak antara elektron dan nukleus, yang seharusnya beratus-ratus kali lebih besar.

Oleh itu, struktur atom karbon terdiri daripada tiga orbital di mana elektron "mencair" menjadi awan elektronik yang kabur. Dan di antara nukleus dan elektron-elektron ini ada jarak yang menunjukkan "kekosongan" yang sangat besar di dalam atom.

Hibridisasi

Telah disebutkan sebelumnya bahawa atom karbon tetravalen. Menurut konfigurasi elektroniknya, elektron 2snya dipasangkan dan 2p tidak berpasangan:

Sumber: Gabriel Bolívar

Terdapat satu orbital p, yang kosong dan diisi dengan elektron tambahan pada atom nitrogen (2p ³ ).

Mengikut definisi ikatan kovalen, perlu setiap atom menyumbang elektron untuk pembentukannya; namun, dapat dilihat bahawa dalam keadaan tanah atom karbon, ia hanya mempunyai dua elektron yang tidak berpasangan (satu dalam setiap orbit 2p). Ini bermaksud bahawa dalam keadaan ini ia adalah atom yang tidak sama, dan oleh itu, ia hanya membentuk dua ikatan (–C–).

Jadi bagaimana mungkin atom karbon membentuk empat ikatan? Untuk melakukan ini, anda mesti mempromosikan elektron dari orbital 2s ke orbital 2p dengan tenaga yang lebih tinggi. Ini dilakukan, empat orbital yang dihasilkan merosot; dengan kata lain, mereka mempunyai tenaga atau kestabilan yang sama (perhatikan bahawa mereka sejajar).

Proses ini dikenali sebagai hibridisasi, dan berkatnya, atom karbon kini mempunyai empat orbital sp ³ dengan satu elektron masing-masing untuk membentuk empat ikatan. Ini disebabkan oleh ciri tetravalennya.

sp

Apabila atom karbon mempunyai hibridisasi sp ³ , ia mengorientasikan empat orbital hibridnya ke bucu tetrahedron, yang merupakan geometri elektroniknya.

Oleh itu, karbon sp ³ dapat dikenal pasti kerana hanya membentuk empat ikatan sederhana, seperti pada molekul metana (CH ₄ ). Di sekitar ini persekitaran tetrahedral dapat dilihat.

Pertindihan orbit sp ³ begitu berkesan dan stabil sehingga CC ikatan tunggal mempunyai entalpi 345.6 kJ / mol. Ini menjelaskan mengapa terdapat struktur karbonat yang tidak berkesudahan dan sebilangan besar sebatian organik. Selain itu, atom karbon dapat membentuk jenis ikatan lain.

sp

Sumber: Gabriel Bolívar

Atom karbon juga mampu mengadopsi hibridisasi lain, yang memungkinkannya membentuk ikatan rangkap atau tiga.

Dalam hibridisasi sp ² , seperti yang terlihat dalam gambar, terdapat tiga orbital sp ^{2 yang} merosot dan satu orbit 2p tetap tidak berubah atau "murni". Dengan jarak tiga orbital sp ² 120º, karbon membentuk tiga ikatan kovalen yang melukis geometri elektronik satah segitiga; sementara dengan orbit 2p, tegak lurus dengan tiga yang lain, ia membentuk ikatan π: –C = C–.

Dalam kes hibridisasi sp, terdapat dua orbit sp 180º, sedemikian rupa sehingga mereka melukis geometri elektronik linear. Kali ini, mereka mempunyai dua orbital 2p murni, tegak lurus satu sama lain, yang membolehkan karbon membentuk ikatan tiga atau dua ikatan berganda: –C≡C– atau ·· C = C = C ·· (karbon pusat mempunyai hibridisasi sp ).

Perhatikan bahawa selalu (secara amnya) jika ikatan di sekitar karbon ditambahkan, bilangannya sama dengan empat. Maklumat ini penting semasa melukis struktur Lewis atau struktur molekul. Atom karbon yang membentuk lima ikatan (= C≡C) tidak boleh diterima secara teori dan eksperimen.

Pengelasan

Bagaimana atom karbon dikelaskan? Lebih dari sekadar pengkelasan berdasarkan ciri dalaman, sebenarnya bergantung pada persekitaran molekul. Maksudnya, dalam molekul atom karbonnya dapat dikelaskan mengikut yang berikut.

Utama

Karbon utama adalah karbon yang hanya terikat pada satu karbon yang lain. Contohnya, molekul etana, CH ₃ –CH ₃ terdiri daripada dua karbon utama terikat. Ini menandakan berakhirnya atau permulaan rantai karbon.

Menengah

Ia adalah satu yang dihubungkan dengan dua karbon. Oleh itu, untuk molekul propana, CH ₃ - CH ₂ –CH ₃ , atom karbon tengah adalah sekunder (kumpulan metilena, –CH ₂ -).

Tersier

Karbon tertier berbeza dari yang lain kerana cabang rantai utama muncul dari mereka. Contohnya, 2-metilbutana (juga disebut isopentana), CH ₃ - CH (CH ₃ ) –CH ₂ –CH ₃ mempunyai karbon tersier yang diserlahkan dalam huruf tebal.

Kuarter

Dan akhirnya, karbon kuarter, seperti namanya, dihubungkan dengan empat atom karbon yang lain. Molekul neopentana, C (CH ₃ ) _4, mempunyai atom karbon kuarter.

Permohonan

Unit jisim atom

Jisim atom purata ¹² C digunakan sebagai ukuran standard untuk mengira jisim unsur-unsur lain. Oleh itu, hidrogen menimbang sepersepuluh dari isotop karbon ini, yang digunakan untuk menentukan apa yang dikenali sebagai unit jisim atom u.

Oleh itu, jisim atom yang lain dapat dibandingkan dengan jisim ¹² C dan ¹ H. Contohnya, magnesium ( ²⁴ Mg) beratnya lebih kurang dua kali ganda daripada atom karbon, dan 24 kali lebih banyak daripada atom hidrogen.

Kitaran dan hayat karbon

Tumbuhan menyerap CO ₂ dalam proses fotosintesis untuk melepaskan oksigen ke atmosfera dan bertindak sebagai paru-paru tumbuhan. Apabila mereka mati, mereka menjadi arang, yang setelah dibakar, melepaskan CO _{2 lagi} . Satu bahagian kembali ke tanaman, tetapi bahagian lain berakhir di dasar laut, menyuburkan banyak mikroorganisma.

Apabila mikroorganisma mati, pepejal yang tinggal dalam sedimen penguraian biologinya, dan setelah berjuta-juta tahun, ia berubah menjadi minyak yang dikenali sebagai minyak.

Apabila manusia menggunakan minyak ini sebagai sumber tenaga alternatif untuk membakar arang batu, ia menyumbang kepada pembebasan lebih banyak CO ₂ (dan gas lain yang tidak diingini).

Sebaliknya, kehidupan menggunakan atom karbon dari bahagian bawah. Ini disebabkan oleh kestabilan ikatannya, yang memungkinkannya membentuk rantai dan struktur molekul yang membentuk makromolekul sama pentingnya dengan DNA.

Spektroskopi NMR

The ¹³ C, walaupun ia adalah pada kadar yang lebih rendah lebih daripada ¹² C, kelebihan mereka adalah mencukupi untuk menjelaskan struktur molekul oleh resonans magnetik nuklear spektroskopi karbon 13.

Berkat teknik analisis ini, kita dapat menentukan atom mana yang mengelilingi ¹³ C dan kumpulan fungsinya. Oleh itu, kerangka karbon bagi sebatian organik dapat ditentukan.

Rujukan

1. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. Kimia organik. Amines. (Edisi ke-10.) Wiley Plus.
2. Blake D. (4 Mei 2018). Empat Ciri Karbon. Dipulihkan dari: sciencing.com
3. Persatuan Kimia Diraja. (2018). Arang. Diambil dari: rsc.org
4. Memahami Evolusi. (sf). Perjalanan atom karbon. Dipulihkan dari: evolusi.berkeley.edu
5. Encyclopædia Britannica. (14 Mac 2018). Arang. Dipulihkan dari: britannica.com
6. Pappas S. (29 September 2017). Fakta Mengenai Karbon. Dipulihkan dari: livescience.com