KOLATOM: EGENSKAPER, STRUKTUR, HYBRIDISERING - KEMI - 2025

Den kolatom är kanske den viktigaste och symboliska av alla element, eftersom tack vare den existensen av liv är möjligt. Den omsluter i sig inte bara några få elektroner, eller en kärna med protoner och neutroner, utan också stjärnstoft, som hamnar införlivad och bildar levande varelser.

Dessutom finns kolatomer i jordskorpan, även om de inte är jämförbara med metalliska element som järn, karbonater, koldioxid, olja, diamanter, kolhydrater, etc., de är en del av dess fysiska och kemiska manifestationer.

Källa: Gabriel Bolívar

Men hur är kolatomen? En felaktig första skiss är den som visas på bilden ovan, vars egenskaper beskrivs i nästa avsnitt.

Kolatomer rinner genom atmosfären, haven, undergrunden, växter och alla djurarter. Dess stora kemiska mångfald beror på den höga stabiliteten i dess bindningar och det sätt på vilket de är arrangerade i rymden. Således har du å ena sidan den släta och smörjande grafiten; och å andra sidan diamant, vars hårdhet överträffar många material.

Om kolatomen inte hade de egenskaper som kännetecknar den, skulle organisk kemi inte existera helt. Vissa visionärer ser det i framtidens nya material genom utformning och funktionalisering av deras allotropiska strukturer (kolnanorör, grafen, fullerener, etc.).

Egenskaper för kolatomen

Kolatomen symboliseras av bokstaven C. Dess atomnummer är 6, därför har den sex protoner (röda cirklar med symbolen "+" i kärnan). Dessutom har den sex neutroner (gula cirklar med bokstaven "N") och slutligen sex elektroner (blå stjärnor).

Summan av massorna av dess atompartiklar ger ett medelvärde på 12,0107 u. Atomen i bilden motsvarar emellertid kolens ( ¹² C) isotop , som består av d. Andra isotoper, såsom ¹³ ° C och ¹⁴ ° C, mindre omfattande, varierar endast i antalet neutroner.

Således, om dessa isotoper ritades, skulle ¹³ C ha en ytterligare gul cirkel och ¹⁴ C skulle ha två till. Detta betyder logiskt att de är tyngre kolatomer.

Vilka andra egenskaper kan nämnas i detta avseende? Det är tetravalent, det vill säga det kan bilda fyra kovalenta bindningar. Det finns i grupp 14 (IVA) i det periodiska systemet, mer specifikt i block p.

Det är också en mycket mångsidig atom, som kan binda med nästan alla element i det periodiska systemet. speciellt med sig själv och bildar linjära, grenade och laminära makromolekyler och polymerer.

Strukturera

Vad är strukturen för en kolatom? För att svara på denna fråga måste du först gå till dess elektroniska konfiguration: 1s ² 2s ² 2p ² eller 2s ² 2p ² .

Därför finns det tre orbitaler: 1s ² , 2s ² och 2p ² , var och en med två elektroner. Detta kan också ses på bilden ovan: tre ringar med två elektroner (blå stjärnor) vardera (missa inte ringarna för banor: de är orbitaler).

Observera dock att två av stjärnorna har en mörkare nyans av blått än de återstående fyra. Varför? Eftersom de två första motsvarar det inre skiktet 1s ² o, som inte deltar direkt i bildandet av kemiska bindningar; medan elektronerna i det yttre skalet, 2s och 2p, gör det.

S och p-orbitalerna har inte samma form, så den illustrerade atomen överensstämmer inte med verkligheten; förutom den stora oproportionen av avståndet mellan elektronerna och kärnan, som borde vara hundratals gånger större.

Därför består kolatomernas struktur av tre orbitaler där elektroner "smälter" till suddiga elektroniska moln. Och mellan kärnan och dessa elektroner finns det ett avstånd som avslöjar det enorma "tomrummet" inuti atomen.

hybridisering

Det nämndes tidigare att kolatomen är tetravalent. Enligt dess elektroniska konfiguration är dess 2s-elektroner parade och 2p parade:

Källa: Gabriel Bolívar

Det finns en tillgänglig p orbital, som är tom och fylld med en ytterligare elektron vid kväveatomen (2p ³ ).

Enligt definitionen av den kovalenta bindningen är det nödvändigt att varje atom bidrar med en elektron för dess bildning; emellertid kan man se att i kolatomen i marktillståndet har den bara två oparade elektroner (en i varje 2p orbital). Detta betyder att det i detta tillstånd är en divalent atom, och därför bildar den bara två bindningar (–C–).

Så hur är det möjligt för kolatomen att bilda fyra bindningar? För att göra detta måste du marknadsföra en elektron från 2s-bana till orbital med högre energi. Detta gjort, de resulterande fyra orbitalerna är degenererade; med andra ord, de har samma energi eller stabilitet (notera att de är i linje).

Denna process kallas hybridisering, och tack vare den har kolatomen nu fyra sp ³ orbitaler med en elektron vardera för att bilda fyra bindningar. Detta beror på att det är karakteristiskt att vara tetravalent.

sp

När kolatomen har en sp ^3- hybridisering , orienterar den sina fyra hybridbana mot vertikalerna på en tetrahedron, som är dess elektroniska geometri.

Sålunda, en sp ³ kan kol identifieras eftersom den endast bildar fyra enkla bindningar, såsom i den metanmolekylen (CH ₄ ). Och runt detta kan en tetraedrisk miljö observeras.

Överlappningen av sp ^3- orbitalerna är så effektiv och stabil att enkelbindningen CC har en entalpi av 345,6 kJ / mol. Detta förklarar varför det finns oändliga karbonatstrukturer och ett oändligt antal organiska föreningar. Förutom detta kan kolatomer bilda andra typer av bindningar.

sp

Källa: Gabriel Bolívar

Kolatomen kan också anta andra hybridiseringar, vilket gör att den kan bilda en dubbel eller till och med trippelbindning.

I sp ² hybridisering , sett i bilden, finns det tre degenererade sp ² orbitaler och en 2p omloppsbanor lämningar oförändrade eller "ren". Med de tre sp ² orbitalerna 120 ° från varandra bildar kolet tre kovalenta bindningar som drar en trigonal plan elektronisk geometri; medan med 2p-bana, vinkelrätt mot de andra tre, bildar det en π-bindning: –C = C–.

När det gäller sp-hybridisering finns det två sp-orbitaler som är 180 ° från varandra, så att de ritar en linjär elektronisk geometri. Den här gången har de två rena 2p orbitaler, vinkelräta mot varandra, som tillåter kol att bilda trippelbindningar eller två dubbelbindningar: –C≡C– eller ·· C = C = C ·· (det centrala kolet har sp-hybridisering ).

Observera att alltid (generellt) om bindningarna runt kolet läggs kommer det att konstateras att antalet är lika med fyra. Denna information är viktig när man ritar Lewis-strukturer eller molekylstrukturer. En kolatom som bildar fem bindningar (= C≡C) är teoretiskt och experimentellt otillåten.

Klassificering

Hur klassificeras kolatomer? Mer än en klassificering efter interna egenskaper beror det faktiskt på molekylmiljön. Det vill säga, inom en molekyl kan dess kolatomer klassificeras enligt följande.

Primär

Ett primärt kol är ett som endast är bundet till ett annat kol. Till exempel, etan-molekylen, CH ₃ -CH ₃ består av två sammanbundna primära kol. Detta signalerar slutet eller början av en kolkedja.

Sekundär

Det är en som är kopplad till två kol. Sålunda, för propan-molekylen, CH ₃ - CH ₂ -CH ₃ , den mellersta kolatomen är sekundär (metylengruppen, -CH ₂ -).

Tertiär

De tertiära kolerna skiljer sig från resten eftersom grenarna i huvudkedjan kommer ut ur dem. Till exempel, 2-metylbutan (även kallad isopentan), CH ₃ - CH (CH ₃ ) -CH ₂ -CH ₃ har en tertiär kolatom markerad med fet stil.

Kvartär

Och slutligen är kvartära kolatomer, som deras namn antyder, kopplade till fyra andra kolatomer. Den neopentan molekylen, C (CH ₃ ) _4, har en kvaternär kolatom.

tillämpningar

Atommassagenhet

Den genomsnittliga atommassan på ¹² C används som ett standardmått för att beräkna massorna för de andra elementen. Således väger väte en tolftedel av denna isotop av kol, som används för att definiera vad som kallas atommassagenheten u.

Sålunda kan de andra atommassan jämföras med den för ¹² C och ^en H. Till exempel, magnesium ( ²⁴ Mg) väger ungefär två gånger den hos en kolatom, och 24 gånger mer än en väteatom.

Kolcykel och liv

Växter absorberar CO ₂ i fotosyntesprocessen för att släppa ut syre i atmosfären och fungera som växtlungor. När de dör blir de träkol, som efter förbränning frigör CO _{2 igen} . En del återvänder till växterna, men en annan hamnar i havsbotten och ger näring för många mikroorganismer.

När mikroorganismerna dör, kvarstår det fasta ämnet i dess biologiska sönderdelningssediment och efter miljoner år förvandlas det till vad som kallas olja.

När mänskligheten använder denna olja som en alternativ energikälla för att bränna kol, bidrar den till frisläppandet av mer CO ₂ (och andra oönskade gaser).

Å andra sidan använder livet kolatomer helt från botten. Detta beror på stabiliteten i dess bindningar, vilket gör att den kan bilda kedjor och molekylstrukturer som utgör makromolekyler lika viktiga som DNA.

NMR-spektroskopi

Den ¹³ C, även om det är på en mycket lägre andel av ¹² C, är deras överflöd tillräcklig för att belysa molekylstrukturer genom kärnmagnetisk resonansspektroskopi kol 13.

Tack vare denna analysteknik är det möjligt att bestämma vilka atomer omger ¹³ C och som funktionella grupper de tillhör. Således kan kolskelettet för vilken organisk förening som helst bestämmas.

referenser

1. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. Organisk kemi. Aminer. (10: e upplagan.) Wiley Plus.
2. Blake D. (4 maj 2018). Fyra egenskaper hos kol. Återställd från: sciencing.com
3. Royal Society of Chemistry. (2018). Kol. Hämtad från: rsc.org
4. Förstå Evolution. (Sf). Resa till en kolatom. Återställd från: evolution.berkeley.edu
5. Encyclopædia Britannica. (14 mars 2018). Kol. Återställd från: britannica.com
6. Pappas S. (29 september 2017). Fakta om kol. Återställs från: livescience.com