ลักษณะของอะตอมคาร์บอนโครงสร้างการผสมการจำแนก

อะตอมคาร์บอน มันอาจจะเป็นสิ่งสำคัญที่สุดและเป็นสัญลักษณ์ขององค์ประกอบทั้งหมดเพราะต้องขอบคุณการดำรงอยู่ของชีวิตที่เป็นไปได้ มันประกอบอยู่ในตัวมันเองไม่เพียง แต่มีอิเล็กตรอนเพียงไม่กี่ตัวเท่านั้นหรือนิวเคลียสที่มีโปรตอนและนิวตรอนเท่านั้น แต่ยังรวมถึงฝุ่นดาว.

นอกจากนี้อะตอมของคาร์บอนยังพบอยู่ในเปลือกโลกแม้ว่าจะไม่ได้มีความอุดมสมบูรณ์เทียบเท่ากับธาตุโลหะเช่นเหล็ก, คาร์บอเนต, คาร์บอนไดออกไซด์, น้ำมัน, เพชร, คาร์โบไฮเดรต ฯลฯ เป็นส่วนหนึ่งของ อาการทางกายภาพและทางเคมีของมัน.

แต่อะตอมของคาร์บอนเป็นอย่างไร ภาพร่างที่ไม่ถูกต้องครั้งแรกคือภาพที่เห็นในภาพด้านบนซึ่งมีลักษณะที่อธิบายไว้ในส่วนต่อไปนี้.

อะตอมคาร์บอนเดินทางผ่านชั้นบรรยากาศทะเลดินใต้ผิวดินพืชและสัตว์ทุกชนิด ความหลากหลายทางเคมีที่ยอดเยี่ยมของมันเกิดจากการเชื่อมโยงที่มีความเสถียรสูงและวิธีการเรียงตัวในอวกาศ ดังนั้นจึงมีกราไฟท์ที่ราบรื่นและหล่อลื่นอยู่ด้านหนึ่ง และอีกอันหนึ่งเพชรซึ่งมีความแข็งเกินกว่าวัสดุหลายชนิด.

ถ้าอะตอมของคาร์บอนไม่ได้มีคุณสมบัติที่เป็นลักษณะเฉพาะของมันเคมีอินทรีย์ก็จะไม่เกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์ ผู้มีวิสัยทัศน์บางคนมองเห็นวัสดุใหม่แห่งอนาคตผ่านการออกแบบและการใช้งานโครงสร้างของ allotropic (ท่อนาโนคาร์บอน, กราฟีน, กราฟีน, ฟูลเรเน่ ฯลฯ ).

ดัชนี

• 1 ลักษณะของอะตอมคาร์บอน
• 2 โครงสร้าง
• 3 การผสมพันธุ์
  • 3.1 sp3
  • 3.2 sp2 และ sp
• 4 การจำแนกประเภท
  • 4.1 ระดับประถมศึกษา
  • 4.2 รอง
  • 4.3 ตติยภูมิ
  • 4.4 Quaternary
• 5 ใช้
  • 5.1 หน่วยมวลอะตอม
  • 5.2 วัฏจักรคาร์บอนและสิ่งมีชีวิต
  • 5.3 13C NMR สเปกโทรสโกปี
• 6 อ้างอิง

ลักษณะของอะตอมคาร์บอน

อะตอมของคาร์บอนเป็นสัญลักษณ์ของตัวอักษร C เลขอะตอมของ Z คือ 6 ดังนั้นมันจึงมีโปรตอนหกตัว (วงกลมสีแดงที่มีสัญลักษณ์ "+" ในนิวเคลียส) นอกจากนี้ยังมีนิวตรอนหกตัว (วงกลมสีเหลืองที่มีตัวอักษร "N") และในที่สุดก็มีอิเล็กตรอนหกตัว (ดาวสีน้ำเงิน).

ผลรวมของมวลของอนุภาคอะตอมมีค่าเฉลี่ย 12.0107 u อย่างไรก็ตามอะตอมในภาพสอดคล้องกับไอโซโทป 12 คาร์บอน (¹²C) ซึ่งประกอบด้วย d ไอโซโทปอื่น ๆ เช่น ¹³คและ ¹⁴C, ความอุดมสมบูรณ์น้อยกว่า, เปลี่ยนแปลงได้ในจำนวนนิวตรอนเท่านั้น.

ดังนั้นถ้าคุณวาดไอโซโทปเหล่านี้ ¹³C จะมีวงกลมสีเหลืองเพิ่มเติมและ ¹⁴C สองมากขึ้น นี่หมายถึงเหตุผลว่าพวกมันเป็นอะตอมคาร์บอนที่หนักกว่า.

นอกจากนี้คุณลักษณะอื่น ๆ ที่สามารถกล่าวถึงได้ในเรื่องนี้คืออะไร? มันคือ tetravalent นั่นคือมันสามารถสร้างพันธะโควาเลนต์สี่ตัว ตั้งอยู่ในกลุ่ม 14 (VAT) ของตารางธาตุโดยเฉพาะในบล็อก p.

นอกจากนี้ยังเป็นอะตอมที่สามารถใช้งานได้หลากหลายสามารถเชื่อมโยงกับองค์ประกอบเกือบทั้งหมดของตารางธาตุ โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับตัวเองขึ้นรูปโมเลกุลขนาดใหญ่และเชิงเส้น, กิ่งและพอลิเมอร์.

โครงสร้าง

โครงสร้างของอะตอมคาร์บอนคืออะไร? หากต้องการตอบคำถามนี้ก่อนอื่นคุณต้องไปที่การกำหนดค่าอิเล็กทรอนิกส์ของคุณ: 1s²2s²2p² หรือ [เขา] 2 วินาที²2p².

ดังนั้นจึงมีสาม orbitals: 1s², 2 วินาที² และ 2p², แต่ละคนมีสองอิเล็กตรอน สิ่งนี้สามารถเห็นได้ในภาพด้านบน: วงแหวนสามวงที่มีอิเล็กตรอนสองดวง (ดาวสีน้ำเงิน) แต่ละวง (อย่าทำให้วงแหวนสับสนโดยวงโคจร: มันเป็นวงโคจร).

อย่างไรก็ตามโปรดทราบว่าดาวสองดวงนั้นมีสีน้ำเงินเข้มกว่าอีกสี่ดาว ทำไม? เพราะสองคนแรกนั้นสอดคล้องกับเลเยอร์ภายใน 1s² หรือ [เขา] ซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมโดยตรงในการก่อตัวของพันธะเคมี ในขณะที่อิเล็กตรอนในชั้นนอก, 2s และ 2p, ทำ.

วงโคจรของ s และ p ไม่มีรูปร่างเหมือนกันดังนั้นอะตอมของภาพประกอบจึงไม่เป็นไปตามความเป็นจริง นอกเหนือจากระยะห่างระหว่างอิเล็กตรอนและนิวเคลียสที่ไม่สมส่วนกันมากซึ่งน่าจะยิ่งใหญ่กว่าหลายร้อยเท่า.

ดังนั้นโครงสร้างของอะตอมของคาร์บอนจึงประกอบด้วยวงโคจรสามวงซึ่งอิเล็กตรอน "ละลาย" ไปสู่เมฆอิเล็กทรอนิกส์แบบกระจาย และระหว่างนิวเคลียสและอิเล็กตรอนเหล่านี้มีระยะทางที่อนุญาตให้เรามองเห็น "ความว่างเปล่า" อันมหึมาภายในอะตอม.

การผสมพันธุ์

ได้มีการกล่าวก่อนหน้านี้ว่าอะตอมของคาร์บอนมีค่า tetravalent ตามการกำหนดค่าทางอิเล็คทรอนิคส์อิเล็กตรอน 2s ของมันถูกจับคู่และอิเล็กตรอน 2p นั้นไม่มีการจับคู่:

ยังคงมีวงโคจรที่มีอยู่ซึ่งว่างเปล่าและเต็มไปด้วยอิเล็กตรอนเพิ่มเติมในอะตอมไนโตรเจน (2p)³).

ตามคำจำกัดความของพันธะโควาเลนต์มันเป็นสิ่งจำเป็นที่แต่ละอะตอมก่อให้เกิดอิเล็กตรอนสำหรับการก่อตัวของมัน อย่างไรก็ตามมันสามารถสังเกตได้ว่าใน สถานะพื้นฐาน ของอะตอมคาร์บอนมันแทบจะไม่มีอิเล็กตรอนสองตัวที่ไม่ได้รับการจับคู่ (หนึ่งในแต่ละวง 2p) ซึ่งหมายความว่าในสถานะนี้มันเป็นอะตอมคู่กันดังนั้นจึงก่อตัวเป็นพันธะเพียงสองตัว (-C-).

เป็นไปได้อย่างไรที่อะตอมของคาร์บอนก่อตัวเป็นพันธะสี่ ในการทำเช่นนี้คุณจะต้องส่งเสริมอิเล็กตรอนจากวงโคจร 2s ไปเป็นวงโคจรพลังงานที่สูงขึ้น 2p สิ่งนี้ทำได้สี่วงโคจรที่เกิดขึ้นคือ คนเลว; กล่าวอีกนัยหนึ่งพวกเขามีพลังงานหรือเสถียรภาพเท่ากัน (โปรดสังเกตว่าพวกเขาอยู่ในแนวเดียวกัน).

กระบวนการนี้เรียกว่าการผสมพันธุ์และขอบคุณตอนนี้อะตอมของคาร์บอนมีวงโคจรสี่วง³ แต่ละอิเล็กตรอนจะสร้างลิงก์สี่อัน นี่คือลักษณะของการเป็น tetravalent.

SP³

เมื่ออะตอมคาร์บอนมีคุณสมบัติเป็นลูกผสม sp³, จัดวงโคจรไฮบริดสี่วงไปยังจุดยอดของจัตุรมุขซึ่งเป็นเรขาคณิตอิเล็กทรอนิกส์.

ดังนั้นคุณสามารถระบุคาร์บอน sp³ เพราะมันก่อให้เกิดพันธะอย่างง่ายสี่อย่างเช่นในโมเลกุลมีเธน (CH)₄) และรอบ ๆ สิ่งนี้สามารถสังเกตเห็นสภาพแวดล้อมแบบเตตระฮีรัส.

การทับซ้อนของ sp orbitals³ มันมีประสิทธิภาพและเสถียรมากที่พันธะ C-C อย่างง่ายมีค่า enthalpy อยู่ที่ 345.6 kJ / mol สิ่งนี้อธิบายได้ว่าทำไมจึงมีโครงสร้างคาร์บอนที่ไม่มีที่สิ้นสุดและจำนวนสารประกอบอินทรีย์ที่ไม่สามารถวัดได้ นอกจากนี้อะตอมของคาร์บอนยังสามารถสร้างพันธะประเภทอื่นได้.

SP² และ sp

อะตอมของคาร์บอนยังสามารถนำลูกผสมอื่น ๆ มาใช้ซึ่งจะทำให้เกิดพันธะคู่หรือสามเท่า.

ใน sp hybridization², เท่าที่เห็นในภาพมีวงโคจรสามวง² ความเสื่อมโทรมและวงโคจร 2p ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงหรือ "บริสุทธิ์" ด้วยวงโคจรสาม sp² แยก120ºคาร์บอนสร้างพันธะโควาเลนต์สามตัวโดยการวาดรูปเรขาคณิตอิเล็กทรอนิกส์แบบระนาบ ในขณะที่มี 2p วงโคจรตั้งฉากกับอีกสามมันเป็นพันธบัตรπ: -C = C-.

สำหรับกรณีของการผสมพันธุ์แบบ sp มีวงโคจร sp สองอันแยกกัน180ºเพื่อให้พวกเขาวาดรูปทรงเรขาคณิตเชิงเส้นตรงแบบอิเล็กทรอนิกส์ เวลานี้พวกเขามีวงโคจร 2P บริสุทธิ์สองวงซึ่งตั้งฉากซึ่งกันและกันซึ่งทำให้คาร์บอนเกิดพันธะสามหรือสองพันธะคู่: -C≡C-หรือ·· C = C = C ·· (คาร์บอนกลางมีการผสมพันธุ์ sp) ).

โปรดทราบว่าเสมอ (โดยปกติ) หากคุณเพิ่มลิงก์รอบ ๆ คาร์บอนคุณจะพบว่าจำนวนนั้นเท่ากับสี่ ข้อมูลนี้มีความสำคัญเมื่อวาดโครงสร้างของลูอิสหรือโครงสร้างโมเลกุล อะตอมของคาร์บอนที่ก่อตัวเป็นพันธะห้าตัว (= C≡C) เป็นทฤษฎีและไม่สามารถทดลองได้.

การจัดหมวดหมู่

อะตอมของคาร์บอนจัดจำแนกอย่างไร มากกว่าการจำแนกตามลักษณะภายในมันขึ้นอยู่กับความเป็นจริงในสภาพแวดล้อมของโมเลกุล กล่าวคือภายในโมเลกุลนั้นอะตอมคาร์บอนของมันสามารถจำแนกได้ดังต่อไปนี้.

ประถม

คาร์บอนหลักคือคาร์บอนที่เชื่อมโยงกับคาร์บอนอื่นเท่านั้น ตัวอย่างเช่นโมเลกุลของอีเทน, CH₃-CH₃ ประกอบด้วยคาร์บอนหลักสองชนิดที่ถูกผูกมัด สิ่งนี้เป็นสัญญาณจุดสิ้นสุดหรือจุดเริ่มต้นของโซ่คาร์บอน.

รอง

มันเป็นสิ่งหนึ่งที่เชื่อมโยงกับสองคาร์บอน ดังนั้นสำหรับโมเลกุลของโพรเพน CH₃-CH₂-CH₃, อะตอมคาร์บอนของสื่อกลางเป็นทุติยภูมิ (กลุ่มเมธิลีน -CH₂-).

ระดับอุดมศึกษา

คาร์บอนตติยภูมิที่แตกต่างจากส่วนที่เหลือเพราะพวกเขาโผล่ออกมากิ่งก้านของโซ่หลัก ตัวอย่างเช่น 2-methylbutane (หรือที่เรียกว่า isopentane), CH₃-CH(CH₃) -CH₂-CH₃ มันมีคาร์บอนตติยภูมิที่เน้นเป็นตัวหนา.

ประกอบด้วยสี่

และในที่สุดนั้นคาร์บอนสี่อะตอมดังที่ชื่อมีความหมายเชื่อมโยงกับอะตอมคาร์บอนอีกสี่อะตอม โมเลกุลของนีโอเพนเทน, C(CH₃)₄ มีอะตอมคาร์บอน quaternary.

การใช้งาน

หน่วยมวลอะตอม

มวลอะตอมเฉลี่ยของ ¹²C ใช้เป็นมาตรวัดมาตรฐานสำหรับการคำนวณมวลขององค์ประกอบอื่น ๆ ดังนั้นไฮโดรเจนมีน้ำหนักสิบสองของไอโซโทปคาร์บอนนี้ซึ่งใช้เพื่อกำหนดสิ่งที่เรียกว่า หน่วยมวลอะตอม.

ดังนั้นมวลอะตอมอื่น ๆ สามารถนำมาเปรียบเทียบกับของ ¹²C และ ¹H. ตัวอย่างแมกนีเซียม²⁴Mg) มีน้ำหนักประมาณสองเท่าของอะตอมคาร์บอนและมากกว่าอะตอมไฮโดรเจน 24 เท่า.

วัฏจักรคาร์บอนและชีวิต

พืชดูดซับ CO₂ ในกระบวนการสังเคราะห์แสงเพื่อปล่อยออกซิเจนสู่บรรยากาศและทำหน้าที่เป็นปอดของพืช เมื่อพวกเขาตายพวกเขากลายเป็นถ่านซึ่งหลังจากการเผาไหม้ปล่อย CO₂. ส่วนหนึ่งกลับไปที่พืช แต่อีกส่วนหนึ่งจบลงที่ก้นทะเลช่วยบำรุงจุลินทรีย์จำนวนมาก.

เมื่อจุลินทรีย์ตายไปส่วนที่เหลือของตะกอนจะสลายตัวทางชีวภาพและหลังจากผ่านไปหลายล้านปีมันจะเปลี่ยนเป็นสิ่งที่เรียกว่าน้ำมัน.

เมื่อมนุษยชาติใช้น้ำมันนี้เป็นแหล่งพลังงานทางเลือกในการเผาไหม้ถ่านหิน₂ (และก๊าซที่ไม่พึงประสงค์อื่น ๆ ).

ในทางกลับกันชีวิตใช้อะตอมของคาร์บอนจากส่วนที่ลึกที่สุดของรากฐาน นี่เป็นเพราะความเสถียรของพันธะของมันซึ่งทำให้มันสามารถสร้างโซ่และโครงสร้างโมเลกุลที่ทำหน้าที่เป็นโมเลกุลของโมเลกุลขนาดใหญ่ที่มีความสำคัญเท่ากับ DNA.

NMR สเปกโตรสโกปี ¹³C

¹³C แม้ว่ามันจะเป็นสัดส่วนที่เล็กกว่าของ ¹²C ความอุดมสมบูรณ์เพียงพอที่จะอธิบายโครงสร้างโมเลกุลผ่านสเปคโทรเรโซแนนซ์แม่เหล็กเรโซแนนซ์คาร์บอน -13.

ด้วยเทคนิคการวิเคราะห์นี้จะสามารถกำหนดได้ว่าอะตอมใดล้อมรอบ ¹³C และกลุ่มการทำงานที่พวกเขาอยู่ ดังนั้นโครงร่างคาร์บอนของสารประกอบอินทรีย์ใด ๆ สามารถกำหนดได้.

การอ้างอิง

1. Graham Solomons T.W. , Craig B. Fryhle เคมีอินทรีย์ เอมีน (ฉบับที่ 10) Wiley Plus.
2. Blake D. (4 พฤษภาคม 2018) คุณสมบัติสี่ประการของคาร์บอน สืบค้นจาก: sciencing.com
3. ราชสมาคมเคมี (2018) คาร์บอน นำมาจาก: rsc.org
4. ทำความเข้าใจกับวิวัฒนาการ ( N.d. ) การเดินทางของอะตอมคาร์บอน สืบค้นจาก: evolution.berkeley.edu
5. สารานุกรมบริแทนนิกา (14 มีนาคม 2018) คาร์บอน ดึงมาจาก: britannica.com
6. Pappas S. (29 กันยายน 2017) ข้อเท็จจริงเกี่ยวกับคาร์บอน ดึงมาจาก: livescience.com