KARBON ATOMU: ÖZELLIKLER, YAPI, HIBRIDIZASYON - KIMYA - 2025

Karbon atomunun hayatın kendisine teşekkür varlığı mümkün olduğu için, belki de en önemli ve tüm elemanların sembolik olduğunu. Kendi içinde sadece birkaç elektron veya proton ve nötron içeren bir çekirdek değil, aynı zamanda birleşerek canlı varlıkları oluşturan yıldız tozunu da kuşatır.

Aynı şekilde, yer kabuğunda karbon atomları bulunur, ancak demir, karbonatlar, karbondioksit, yağ, elmas, karbonhidrat vb. Gibi metalik elementlerle kıyaslanabilecek miktarda olmasa da fiziksel ve kimyasal tezahürleri.

Kaynak: Gabriel Bolívar

Ama karbon atomu neye benzer? Hatalı bir ilk çizim, yukarıdaki resimde görülen ve özellikleri bir sonraki bölümde açıklanan çizimdir.

Karbon atomları atmosferden, denizlerden, toprak altından, bitkilerden ve herhangi bir hayvan türünden geçer. Büyük kimyasal çeşitliliği, bağlarının yüksek stabilitesinden ve uzayda düzenlenmelerinden kaynaklanmaktadır. Böylece, bir yandan pürüzsüz ve kayganlaştırıcı grafite sahip olursunuz; ve diğer yanda, sertliği birçok malzemeyi aşan elmas.

Karbon atomu onu karakterize eden niteliklere sahip olmasaydı, organik kimya tamamen var olamazdı. Bazı vizyonerler, allotropik yapılarının (karbon nanotüpler, grafen, fullerenler, vb.) Tasarımı ve işlevselleştirilmesi yoluyla geleceğin yeni malzemelerini görürler.

Karbon atomunun özellikleri

Karbon atomu C harfi ile sembolize edilir. Atom numarası Z 6'dır, bu nedenle altı protonu vardır (çekirdekte "+" sembolü olan kırmızı daireler). Ek olarak, altı nötron ("N" harfli sarı daireler) ve son olarak altı elektron (mavi yıldızlar) vardır.

Atom parçacıklarının kütlelerinin toplamı, ortalama 12.0107 u değeri verir. Ancak görüntüdeki atom , d'den oluşan karbon 12 ( ¹² C) izotopuna karşılık gelir . Daha az bol olan ¹³ C ve ¹⁴ C gibi diğer izotoplar, yalnızca nötron sayısında değişiklik gösterir.

Bu nedenle, bu izotoplar çizilseydi, ¹³ C ek bir sarı daireye sahip olacak ve ¹⁴ C iki tane daha olacaktır. Bu mantıksal olarak daha ağır karbon atomları oldukları anlamına gelir.

Buna ek olarak bu konuda başka hangi özelliklerden bahsedilebilir? Dört değerliklidir, yani dört kovalent bağ oluşturabilir. Periyodik tablonun 14. grubunda (IVA), daha spesifik olarak blok p'de bulunur.

Aynı zamanda çok yönlü bir atomdur ve periyodik tablonun hemen hemen tüm elementleriyle bağlanabilir; özellikle kendisiyle doğrusal, dallı ve laminer makromoleküller ve polimerler oluşturur.

yapı

Bir karbon atomunun yapısı nedir? Bu soruyu cevaplamak için önce elektronik konfigürasyonuna gitmelisiniz: 1s ² 2s ² 2p ² veya 2s ² 2p ² .

Bu nedenle, her biri iki elektron içeren 1s ² , 2s ² ve 2p ² olmak üzere üç yörünge vardır . Bu aynı zamanda yukarıdaki resimde de görülebilir: her biri iki elektronlu (mavi yıldızlar) üç halka (halkaları yörüngelerle karıştırmayın: bunlar orbitallerdir).

Bununla birlikte, yıldızlardan ikisinin kalan dört yıldızdan daha koyu bir mavi tonuna sahip olduğuna dikkat edin. Neden? İlk ikisi , kimyasal bağların oluşumuna doğrudan katılmayan iç tabakaya 1s ² o karşılık geldiğinden ; dış kabuktaki elektronlar ise 2s ve 2p yapar.

S ve p orbitalleri aynı şekle sahip değildir, bu nedenle gösterilen atom gerçeklikle uyuşmaz; elektronlar ile çekirdek arasındaki mesafenin yüzlerce kat daha fazla olması gereken büyük orantısızlığına ek olarak.

Bu nedenle, karbon atomunun yapısı, elektronların bulanık elektronik bulutlarda "eridiği" üç yörüngeden oluşur. Ve çekirdek ile bu elektronlar arasında atomun içindeki devasa "boşluğu" ortaya çıkaran bir mesafe vardır.

melezleme

Daha önce karbon atomunun tetravalan olduğu belirtilmişti. Elektronik konfigürasyonuna göre, 2s elektronları eşleştirilmiş ve 2p eşlenmemiş:

Kaynak: Gabriel Bolívar

Boş olan ve nitrojen atomunda (2p ³ ) ilave bir elektronla doldurulmuş bir p orbitali mevcuttur .

Kovalent bağın tanımına göre, her atomun oluşumu için bir elektrona katkıda bulunması gereklidir; ancak, karbon atomunun temel durumunda, sadece iki eşleşmemiş elektrona sahip olduğu görülebilir (her 2p orbitalinde bir tane). Bu, bu durumda onun iki değerlikli bir atom olduğu ve bu nedenle yalnızca iki bağ (-C-) oluşturduğu anlamına gelir.

Peki, karbon atomunun dört bağ oluşturması nasıl mümkün olabilir? Bunu yapmak için, bir elektronu 2s yörüngesinden daha yüksek enerjili 2p yörüngesine yükseltmelisiniz. Bu yapıldığında ortaya çıkan dört yörünge dejenere olur; başka bir deyişle, aynı enerji veya kararlılığa sahiptirler (hizalandıklarına dikkat edin).

Bu süreç hibridizasyon olarak bilinir ve bu sayede karbon atomu artık dört bağ oluşturmak için her biri bir elektron içeren dört sp ³ orbitaline sahiptir. Bu, dört değerlikli olma özelliğinden kaynaklanmaktadır.

sp

Karbon atomu bir sp ³ hibridizasyonuna sahip olduğunda, dört hibrit orbitalini, elektronik geometrisi olan bir tetrahedronun köşelerine yönlendirir.

Bu nedenle, bir sp ³ karbonu , metan molekülünde (CH ₄ ) olduğu gibi yalnızca dört basit bağ oluşturduğu için tanımlanabilir . Ve bunun etrafında dört yüzlü bir ortam gözlemlenebilir.

Sp ³ orbitallerinin örtüşmesi o kadar etkili ve kararlıdır ki tek bağ CC'nin entalpisi 345.6 kJ / mol'dür. Bu, neden sonsuz karbonat yapıları ve ölçülemez sayıda organik bileşik olduğunu açıklıyor. Bunun yanı sıra, karbon atomları başka tür bağlar oluşturabilir.

sp

Kaynak: Gabriel Bolívar

Karbon atomu ayrıca, bir çift hatta üçlü bağ oluşturmasına izin verecek diğer hibridizasyonları da benimseyebilir.

Sp ² hibridizasyonunda , görüntüde görüldüğü gibi, üç dejenere sp ² orbitali vardır ve bir 2p orbitali değişmemiş veya "saf" kalır. Üç sp ile ² orbital 120º ayrı bir köşeli düzlem elektronik geometri çizim karbon, üç kovalent bağlar; 2p yörünge ile diğer üçüne dik olarak bir π bağı oluşturur: –C = C–.

Sp hibridizasyonu durumunda, doğrusal bir elektronik geometri çizecek şekilde birbirinden 180º uzaklıkta iki sp orbital vardır. Bu kez, karbonun üçlü bağlar veya iki çift bağ oluşturmasına izin veren birbirine dik iki saf 2p orbitalleri vardır: –C≡C– veya ·· C = C = C ·· (merkezi karbonda sp hibridizasyonu vardır ).

Her zaman (genellikle) karbon etrafındaki bağlar eklenirse, sayının dörde eşit olduğu bulunacaktır. Bu bilgi Lewis yapılarını veya moleküler yapıları çizerken önemlidir. Beş bağ oluşturan bir karbon atomu (= C≡C) teorik ve deneysel olarak kabul edilemez.

sınıflandırma

Karbon atomları nasıl sınıflandırılır? İç özelliklere göre bir sınıflandırmadan daha fazlası, aslında moleküler ortama bağlıdır. Yani bir molekül içindeki karbon atomları aşağıdaki şekilde sınıflandırılabilir.

Birincil

Birincil karbon, yalnızca bir diğer karbona bağlı olandır. Örneğin, etan molekülü, CH ₃ -CH ₃ , iki bağlanmış birincil karbon atomlarının oluşur. Bu, bir karbon zincirinin sonunu veya başlangıcını gösterir.

İkincil

İki karbona bağlı olanıdır. Bu nedenle, propan molekülü için, CH ₃ - CH ₂ -CH ₃ , orta karbon atomu ikincil (metilen grubu, -CH ₂ -).

üçüncü

Üçüncül karbonlar diğerlerinden farklıdır çünkü ana zincirin dalları onlardan ortaya çıkar. Örneğin, 2-metilbütan (aynı zamanda izopentan) için, CH ₃ - CH (CH ₃ ) -CH ₂ -CH ₃ sahip bir üçüncül karbon kalın harflerle vurgulanmıştır.

dörtlü

Ve son olarak, adından da anlaşılacağı gibi dörtlü karbonlar, diğer dört karbon atomuna bağlıdır. Neopentan molekülü Cı (CH ₃ ) _4, bir kuaterner karbon atomuna sahiptir.

Uygulamalar

Atomik kütle birimi

¹² C'lik ortalama atomik kütle , diğer elementlerin kütlelerini hesaplamak için standart bir ölçü olarak kullanılır. Böylece, hidrojen, atomik kütle birimi u olarak bilinen şeyi tanımlamak için kullanılan bu karbon izotopunun on ikide birini ağırlığındadır.

Böylece, diğer atom kütleleri ile karşılaştırıldığında edilebilir ¹² ° C ve ¹ Örneğin H., magnezyum ( ²⁴ Mg) 24 kat daha fazla bir hidrojen atomundan farklı olduğu bir karbon atomunun, yaklaşık iki kat ağırlığında ve.

Karbon döngüsü ve ömrü

Bitkiler CO absorbe ₂ atmosfer oksijeni serbest bırakmak ve bitki akciğerler gibi hareket fotosentez işleminde. Öldüklerinde, yandıktan sonra _tekrar CO ₂ salan odun kömürü olurlar . Bir kısmı bitkilere geri döner, bir kısmı ise deniz yataklarında biterek birçok mikroorganizmayı besler.

Mikroorganizmalar öldüğünde, biyolojik ayrışmasından sonra kalan katı çökeltiler ve milyonlarca yıl sonra yağ olarak bilinen şeye dönüşür.

İnsanlık kömür yakan bir alternatif enerji kaynağı olarak yağ kullandığında, daha CO salınmasına katkıda ₂ (ve diğer istenmeyen gazlar).

Öte yandan, hayat en dipten karbon atomlarını kullanır. Bu, DNA kadar önemli makromolekülleri oluşturan zincirler ve moleküler yapılar oluşturmasına izin veren bağlarının kararlılığından kaynaklanmaktadır.

NMR spektroskopisi

¹³ bu çok daha düşük bir oranda olmakla birlikte C ¹² ° C, bunların bolluğu nükleer manyetik rezonans spektroskopisi, karbon 13 moleküler yapılarını açıklamak için yeterlidir.

Bu analiz tekniği sayesinde ¹³ C'yi hangi atomların çevrelediğini ve hangi fonksiyonel gruplara ait olduklarını belirlemek mümkündür . Böylece herhangi bir organik bileşiğin karbon iskeleti belirlenebilir.

Referanslar

1. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. Organik Kimya. Aminler. (10. baskı.) Wiley Plus.
2. Blake D. (4 Mayıs 2018). Karbonun Dört Özelliği. Kurtarıldı: sciencing.com
3. Kraliyet Kimya Derneği. (2018). Kömür. Alındığı: rsc.org
4. Evrimi Anlamak. (Sf). Bir karbon atomunun yolculuğu. Elde edilen: evolution.berkeley.edu
5. Encyclopædia Britannica. (14 Mart 2018). Kömür. Britannica.com'dan kurtarıldı
6. Pappas S. (29 Eylül 2017). Karbon Hakkında Gerçekler. Elde edildi: lifecience.com