SZÉNATOM: JELLEMZŐK, SZERKEZET, HIBRIDIZÁCIÓ - KÉMIA - 2025

A szénatom talán a legfontosabb és emblematikusabb az összes elem közül, mivel ennek köszönhetően az élet létezik. Magában foglalja nem csupán néhány elektron, vagy protonokkal és neutronokkal rendelkező atommag, hanem csillagpor is, amely beépülve és élő lényeket képez.

A szénatomok szintén megtalálhatók a földkéregben, bár nem olyan bőségesen hasonló fémes elemekkel, mint például a vas, karbonátok, szén-dioxid, olaj, gyémántok, szénhidrátok stb., Ezek részei a fizikai és kémiai megnyilvánulásai.

Forrás: Gabriel Bolívar

De milyen a szénatom? A fenti képen egy pontatlan első vázlat látható, amelynek jellemzőit a következő szakasz ismerteti.

A szénatomok áthaladnak a légkörön, a tengerekön, az altalajon, a növényekön és az összes állatfajon. Nagy kémiai sokfélesége annak köszönhető, hogy a kötések nagy stabilitással és a térben elrendezésükkel járnak. Így egyrészt van sima és kenő grafitja; másrészt a gyémánt, amelynek keménysége meghaladja sok anyag keménységét.

Ha a szénatomnak nem lennének a jellemző tulajdonságai, akkor a szerves kémia nem létezik teljesen. Néhány látnok látja benne a jövő új anyagait, allotrop szerkezetük (szén nanocsövek, grafén, fullerének stb.) Megtervezése és funkcionalizálása révén.

A szénatom jellemzői

A szénatomot C betű szimbolizálja. Z atomszáma 6, tehát hat protonja van (piros körök a "+" szimbólummal a magban). Ezen felül hat neutronnal (sárga körökben "N" betűvel) és végül hat elektronmal (kék csillag) van.

Atomrészecskéinek tömege összege átlagosan 12.0107 u értéket ad. A képen szereplő atom azonban megfelel a szén 12 (¹² C) izotópnak, amely d-ből áll. Más izotópok, például a ¹³ C és a ¹⁴ C, kevésbé bőségesek, csak a neutronok számában változnak.

Tehát, ha ezeket az izotópokat rajzolnánk, ¹³ C-vel egy további sárga kör lenne, és ¹⁴ C-en még kettő lenne. Ez logikusan azt jelenti, hogy nehezebb szénatomok.

Ezen felül, milyen egyéb jellemzők említhetők e tekintetben? Tetravalens, vagyis négy kovalens kötést képezhet. A periódusos rendszer 14. csoportjában (IVA) található, pontosabban a p blokkban.

Ez egy nagyon sokoldalú atom is, amely képes kötni a periódusos rendszer szinte minden elemével; különösen önmagával, lineáris, elágazó és lamináris makromolekulákat és polimereket képezve.

Szerkezet

Mi a szénatom szerkezete? A kérdés megválaszolásához először az elektronikus konfigurációra kell lépnie: 1s ² 2s ² 2p ² vagy 2s ² 2p ².

Ezért három orbitál létezik: 1s ², 2s ² és 2p ², mindegyikben két elektron van. Ez a fenti képen is látható: három gyűrű, két elektronnal (kék csillag), mindegyik (ne tévessze össze a körgyűrűket: ezek keringési pontok).

Ne feledje azonban, hogy két csillag sötétebb kék árnyalatú, mint a fennmaradó négy. Miért? Mivel az első kettő megfelel az 1s ² o belső rétegnek, amely közvetlenül nem vesz részt a kémiai kötések kialakulásában; míg a külső héjban lévő 2s és 2p elektronok megteszik.

Az s és p orbitálok nem azonos alakúak, tehát az ábrázolt atom nem ért egyet a valósággal; amellett, hogy az elektronok és a mag közötti távolság nagy aránytalan, és százszor nagyobbnak kell lennie.

Ezért a szénatom szerkezete három orbitálból áll, ahol az elektronok elolvadnak homályos elektronikus felhőkké. És a mag és ezen elektronok között van egy távolság, amely felfedi az atom belsejében lévő hatalmas "ürességet".

A hibridizáció

Korábban már említettük, hogy a szénatom tetravalens. Elektronikus konfigurációja szerint a 2s elektronjai párosítva vannak, és a 2p pár nélkül:

Forrás: Gabriel Bolívar

Van egy elérhető p orbital, amely üres és a nitrogénatomon egy további elektronnal meg van töltve (2p ³).

A kovalens kötés meghatározása szerint szükséges, hogy minden atom hozzájáruljon egy elektronhoz a kialakulásához; láthatjuk azonban, hogy a szénatom alapállapotában csak két páratlan elektron van (mindegyik minden 2p pályán). Ez azt jelenti, hogy ebben az állapotban kétértékű atom, és ezért csak két kötést képez (–C–).

Szóval hogyan lehet a szénatom négy kötést képezni? Ehhez elő kell mozdítania egy elektronot a 2s körüli pályáról a nagyobb energiájú 2p körüli pályára. Ha ez megtörtént, a kapott négy orbitál degenerált; más szavakkal, azonos energiájukkal vagy stabilitással rendelkeznek (vegye figyelembe, hogy igazodnak).

Ezt a folyamatot hibridizációnak nevezik, és ennek köszönhetően a szénatomnak négy sp ³ pályája van, mindegyik egy-egy elektronmal, négy kötést képezve. Ez annak tulajdonítható, hogy tetravalens.

sp

Ha a szénatomnak sp ³ hibridizációja van, akkor annak négy hibrid pályáját a tetraéder csúcsai felé irányítja, ez az elektronikus geometria.

Tehát egy SP ³ szénatom lehet azonosítani, mert csak képez négy egyszerű kötést, mint a metán-molekulát (CH ₄). És ezen a környéken egy négyszögletes környezet figyelhető meg.

Az sp ³ körüli pályák átfedése annyira hatékony és stabil, hogy a CC egyszeres kötés 345,6 kJ / mol entalpiája van. Ez magyarázza, miért léteznek végtelen karbonát-struktúrák és mérhetetlen számú szerves vegyület. Ezen felül a szénatomok más típusú kötéseket képezhetnek.

sp

Forrás: Gabriel Bolívar

A szénatom más hibridizációkat is képes alkalmazni, amelyek lehetővé teszik kettős vagy akár hármas kötés kialakulását.

SP ² hibridizáció, amint az a kép, három degenerált sp ² pálya és egy 2p orbitális változatlan marad, vagy „tiszta”. A három sp ² orbital között, 120 ° -kal egymástól, a szén három kovalens kötést képez, trigonális síkbeli elektronikus geometriát rajzolva; miközben a 2p-es pályán merőleges a másik háromra, π-kötést képez: –C = C–.

Sp hibridizáció esetén két sp pálya van egymástól 180 ° -kal egymástól oly módon, hogy lineáris elektronikus geometriát rajzolnak. Ezúttal két tiszta, egymásra merőleges 2p-es pályájuk van, amelyek lehetővé teszik, hogy a szén hármas vagy két kettős kötést képezzen: –C –C– vagy ·· C = C = C ·· (a központi szénnek sp hibridizációja van).

Ne feledje, hogy mindig (általában) ha a szén körül lévő kötéseket hozzáadják, akkor kiderül, hogy ezek száma négy. Ez az információ nélkülözhetetlen Lewis vagy molekuláris szerkezetek rajzolásakor. Öt kötést képező szénatom (= C≡C) elméletileg és kísérletileg elfogadhatatlan.

Osztályozás

Hogyan osztályozzák a szénatomokat? A belső jellemzők szerinti osztályozáson túl, valójában a molekuláris környezettől függ. Vagyis egy molekulán belül annak szénatomjai az alábbiak szerint osztályozhatók.

Elsődleges

A primer szén olyan, amely csak egy másik szénhez kötődik. Például, az etánban molekula, CH ₃ -CH ₃ két ragasztott primer szénatomhoz. Ez jelzi a szénlánc végét vagy kezdetét.

Másodlagos

Ez az egyik két szénatomhoz kapcsolódik. Így a propán-molekula, CH ₃ - CH ₂ -CH ₃, a középső szénatom szekunder (a metilén-csoport, -CH ₂ -).

Harmadlagos

A harmadlagos szénatomok különböznek a többitől, mivel a fő lánc ágak tőlük származnak. Például, 2-metil-butánt (más néven izopentán), CH ₃ - CH (CH ₃) -CH ₂ -CH ₃ olyan harmadrendű szénatomot félkövér.

negyedidőszaki

És végül: a kvaterner szénatomok, amint a neve is sugallja, négy másik szénatomhoz kapcsolódnak. A neopentán molekula, C (CH ₃) _4, van egy kvaterner szénatom.

Alkalmazások

Atomi tömeg egység

A többi elem tömegének kiszámításához standard mértéke a ¹² C átlagos atomtömeg. Így a hidrogén súlya ennek a szén izotópnak a tizenketted részét jelenti, amelyet arra használunk, hogy meghatározzuk az úgynevezett u atomtömeg egységet.

Így a többi atomtömeg összehasonlítható a ¹² C és ¹ H tömegével. Például a magnézium (²⁴ Mg) körülbelül kétszer annyi, mint a szénatom, és 24-szer nagyobb, mint a hidrogénatom.

Szénciklus és élet

Növények elnyelik a CO ₂ a fotoszintézis folyamata, hogy oxigént bocsát ki a légkörbe, és úgy járnak, mint növényi tüdőben. Ha meghalnak, akkor szénné válnak, amely égetés után _ismét kibocsátja a szén-dioxidot. Az egyik rész visszatér a növényekbe, de a másik a tengerfenékbe kerül, és sok mikroorganizmust táplál.

Amikor a mikroorganizmusok elpusztulnak, a szilárd anyag megmarad biológiai lebontási üledékeiben, és több millió év elteltével az olajvá alakul át.

Amikor az emberiség ezt az olajat alternatív energiaforrásként használja a szénégetéshez, ez hozzájárul több CO ₂ (és más nemkívánatos gázok) kibocsátásához.

Másrészt az élet szénatomokat használ az alulról. Ennek köszönhetően a kötések stabilitása lehetővé teszi, hogy olyan láncokat és molekuláris struktúrákat képezzenek, amelyek olyan fontos makromolekulákat alkotnak, mint a DNS.

NMR spektroszkópia

A ¹³ C, bár ez a ¹² C jóval alacsonyabb arányában van, ezek bősége elegendő ahhoz, hogy a molekuláris szerkezeteket a nukleáris mágneses rezonancia spektroszkópiás szén segítségével megvilágítsa.

Ennek az elemzési módszernek köszönhetően meghatározható, mely atomok veszik körül a ¹³ ° C-ot, és melyik funkcionális csoporthoz tartoznak. Így meg lehet határozni bármely szerves vegyület szénvázát.

Irodalom

1. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. Szerves kémia. Aminok. (10. kiadás.) Wiley Plus.
2. Blake D. (2018. május 4.). A szén négy jellemzője. Helyreállítva: sciencing.com
3. A Kémiai Királyi Társaság. (2018). Szén. Forrás: rsc.org
4. Az evolúció megértése. (Sf). A szénatom utazása. Helyreállítva: evolution.berkeley.edu
5. Encyclopædia Britannica. (2018. március 14.). Szén. Helyreállítva: britannica.com
6. Pappas S. (2017. szeptember 29.). Tények a szénről. Helyreállítva: livescience.com