خصائص ذرة الكربون ، الهيكل ، التهجين ، التصنيف

ال ذرة الكربون ربما تكون أهم العناصر ورمزية لجميع العناصر ، لأنه بفضل ذلك من الممكن وجود الحياة. إنه يحيط بحد ذاته ليس فقط بضعة إلكترونات أو نواة بها بروتونات ونيوترونات ، ولكن أيضًا غبار نجم ، ينتهي به المطاف إلى التأسيس ويشكل كائنات حية.

كما توجد ذرات الكربون في قشرة الأرض ، على الرغم من أنها ليست بكثرة مماثلة للعناصر المعدنية مثل الحديد والكربونات وثاني أكسيد الكربون والزيت والماس والكربوهيدرات ، وما إلى ذلك ، فهي جزء من مظاهره الفيزيائية والكيميائية.

ولكن كيف هي ذرة الكربون؟ أول رسم غير دقيق هو الرسم الذي يتم ملاحظته في الصورة أعلاه ، والذي تم وصف خصائصه في القسم التالي.

ذرات الكربون تنتقل عبر الجو والبحار والتربة الأرضية والنباتات وأي أنواع حيوانية. تنوعها الكيميائي الكبير يرجع إلى الاستقرار العالي للروابط وكيفية ترتيبها في الفضاء. وبالتالي ، فقد من ناحية الجرافيت على نحو سلس وتشحيم. ومن ناحية أخرى ، الماس ، الذي تتجاوز صلابته مواد كثيرة.

إذا لم يكن لذرة الكربون الصفات التي تميزها ، لما كانت الكيمياء العضوية موجودة تمامًا. يرى بعض الرؤساء فيه مواد جديدة للمستقبل ، من خلال تصميم ووظائف هياكل الخواص (مثل أنابيب الكربون النانوية ، الجرافين ، الفوليرين ، إلخ).

مؤشر

• 1 خصائص ذرة الكربون
• 2 هيكل
• 3 التهجين
  • 3.1 SP3
  • 3.2 sp2 و sp
• 4 التصنيف
  • 4.1 الابتدائية
  • 4.2 الثانوية
  • 4.3 التعليم العالي
  • 4.4 رباعي
• 5 الاستخدامات
  • 5.1 وحدة الكتلة الذرية
  • 5.2 دورة الكربون والحياة
  • 5.3 13C الرنين المغناطيسي الطيفي
• 6 المراجع

خصائص ذرة الكربون

يرمز إلى ذرة الكربون بالحرف C. رقمها الذري Z هو 6 ، لذلك ، لديه ستة بروتونات (دوائر حمراء مع الرمز "+" في النواة). بالإضافة إلى ذلك ، يحتوي على ستة نيوترونات (دوائر صفراء بحرف "N") وأخيراً ستة إلكترونات (النجوم الزرقاء).

مجموع كتل جزيئاتها الذرية يعطي متوسط ​​قيمة 12.0107 ش. ومع ذلك ، فإن الذرة في الصورة تتوافق مع نظير 12 الكربون (¹²ج) والذي يتكون من د. نظائر أخرى ، مثل ¹³جيم و ¹⁴ج ، أقل وفرة ، تختلف فقط في عدد النيوترونات.

لذلك ، إذا قمت برسم هذه النظائر ¹³C سيكون له دائرة صفراء إضافية ، و ¹⁴C ، واثنين آخرين. هذا يعني منطقيا أنها ذرات الكربون أثقل.

بالإضافة إلى ذلك ، ما هي الخصائص الأخرى التي يمكن ذكرها في هذا الصدد؟ إنه رباعي التكافؤ ، أي أنه يمكن أن يشكل أربع روابط تساهمية. وهو موجود في المجموعة 14 (ضريبة القيمة المضافة) من الجدول الدوري ، وبشكل أكثر تحديدا في كتلة ص.

إنها أيضًا ذرة متعددة الاستخدامات ، قادرة على الارتباط مع جميع عناصر الجدول الدوري تقريبًا ؛ خصوصا مع نفسها ، وتشكيل الجزيئات الكبيرة والبوليمرات الخطية ، المتفرعة والرقيقة.

هيكل

ما هو هيكل ذرة الكربون؟ للإجابة على هذا السؤال ، يجب أولاً الانتقال إلى التكوين الإلكتروني الخاص بك: 1 ثانية²2S²2P² أو [هو] 2 ثانية²2P².

لذلك ، هناك ثلاثة مدارات: 1s², 2s² و 2p², مع كل اثنين من الإلكترونات. يمكن ملاحظة ذلك أيضًا في الصورة أعلاه: ثلاث حلقات مع إلكترونين (نجوم زرقاء) لكل منهما (لا تخلط بين الحلقات بواسطة مدارات: إنها مدارية).

لاحظ ، مع ذلك ، أن اثنين من النجوم لها ظلام أغمق من النجوم الأربعة الأخرى. لماذا؟ لأن الأولين يتوافق مع الطبقة الداخلية 1s² أو [هو] ، الذي لا يشارك مباشرة في تكوين الروابط الكيميائية ؛ في حين أن إلكترونات الطبقة الخارجية ، 2s و 2p ، تفعل.

لا يملك الشكلان المداريان s و p نفس الشكل ، وبالتالي فإن الذرة الموضحة ليست وفقًا للواقع ؛ بالإضافة إلى التباين الكبير في المسافة بين الإلكترونات والنواة ، والتي يجب أن تكون أكبر بمئات المرات.

لذلك ، يتكون هيكل ذرة الكربون من ثلاث مدارات حيث "تذوب" الإلكترونات في السحب الإلكترونية المنتشرة. وبين النواة وهذه الإلكترونات توجد مسافة تسمح لنا بإلقاء نظرة على "الفراغ" الهائل داخل الذرة.

تهجين

وقد ذكر في وقت سابق أن ذرة الكربون رباعي التكافؤ. وفقًا لتكوينها الإلكتروني ، يتم إقران إلكترونات 2s وإلكترونات 2p غير مزاوجة:

لا يزال هناك مداري p متاح ، فارغ ومليء بإلكترون إضافي في ذرة النيتروجين (2p³).

وفقًا لتعريف الرابطة التساهمية ، من الضروري أن تسهم كل ذرة في تشكيل إلكترون ؛ ومع ذلك ، يمكن ملاحظة أن في الدولة القاعدية من ذرة الكربون ، فإنه بالكاد لديه إلكترونين غير متماثلين (واحد في كل مداري 2p). هذا يعني أنه في هذه الحالة هي ذرة ثنائية التكافؤ ، وبالتالي ، فإنها لا تشكل سنداتين (C).

لذا ، كيف يمكن أن تشكل ذرة الكربون أربع روابط؟ للقيام بذلك ، يجب عليك ترقية إلكترون من المداري 2s إلى المدارية الطاقة 2p أعلى. هذا يتم ، والمدارات الأربعة الناتجة هي منحط. بمعنى آخر ، لديهم نفس الطاقة أو الاستقرار (لاحظ أنها محاذاة).

تُعرف هذه العملية بالتهجين ، وبفضلها ، تحتوي ذرة الكربون الآن على أربع نقاط سلكية³ مع إلكترون واحد لكل منهما لتشكيل أربعة روابط. ويرجع ذلك إلى خصائصه كونه رباعي التكافؤ.

س³

عندما تمتلك ذرة الكربون تهجين sp³, قم بتوجيه مداراتها الأربعة الهجينة إلى رؤوس رباعي الأسطح ، وهو شكلها الهندسي الإلكتروني.

لذلك ، يمكنك تحديد س الكربون³ لأنه يشكل فقط أربعة روابط بسيطة ، كما هو الحال في جزيء الميثان (CH₄). وحول هذا يمكن للمرء مراقبة بيئة رباعية السطوح.

تداخل المدارات sp³ إنها فعالة ومستقرة للغاية بحيث تحتوي رابطة C-C البسيطة على محتوى حراري يبلغ 345.6 كيلو جول / مول. هذا ما يفسر وجود هياكل كربونية لا نهاية لها وعدد لا حصر له من المركبات العضوية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تشكل ذرات الكربون أنواعًا أخرى من الروابط.

س² و sp

كما أن ذرة الكربون قادرة على تبني تهجين آخر ، مما سيسمح لها بتكوين رابطة مزدوجة أو ثلاثية.

في sp التهجين², كما يظهر في الصورة ، هناك ثلاثة مدارات sp² انحطاط و 2p المداري يبقى دون تغيير أو "نقية". مع المدارات الثلاثة ليرة سورية² يفصل 120 درجة ، يشكل الكربون ثلاث روابط تساهمية من خلال رسم هندسة إلكترونية مستوية مثلثية ؛ بينما مع المدار 2p ، عمودي على الثلاثة الآخرين ، فإنه يشكل رابطة π: -C = C-.

في حالة التهجين sp ، هناك مدارتان sp منفصلتان بمقدار 180 درجة ، بحيث يرسمان هندسة إلكترونية خطية. هذه المرة ، لديهم مداريان نقيان 2p ، عموديان على بعضهما البعض ، مما يسمح للكربون بتكوين روابط ثلاثية أو رابطة مزدوجة: -C≡C- أو ·· C = C ·· (يحتوي الكربون المركزي على تهجين sp) ).

لاحظ أنه دائمًا (عادة) إذا قمت بإضافة الروابط حول الكربون ، فستجد أن الرقم يساوي أربعة. هذه المعلومات ضرورية عند رسم هياكل لويس أو الهياكل الجزيئية. ذرة الكربون التي تشكل خمس روابط (= C≡C) غير مقبولة من الناحية النظرية والتجريبية.

تصنيف

كيف يتم تصنيف ذرات الكربون؟ أكثر من التصنيف حسب الخصائص الداخلية ، فإنه يعتمد في الواقع على البيئة الجزيئية. وهذا يعني أن ذرات الكربون داخل الجزيء يمكن تصنيفها وفقًا لما يلي.

ابتدائي

الكربون الأساسي هو الكربون المرتبط فقط بالكربون الآخر. على سبيل المثال ، جزيء الإيثان ، CH₃-CH₃ يتكون من اثنين من الكربون الأولية المستعبدين. هذا يشير إلى نهاية أو بداية سلسلة الكربون.

ثانوي

وهو واحد مرتبط بكاربونين. لذلك ، لجزيء البروبان ، CH₃-CH₂-CH₃, ذرة الكربون في الوسط ثانوية (مجموعة الميثيلين ، -CH₂-).

القطاع الثالث

تختلف الكربونات الثلاثية عن البقية لأنها تخرج منها فروع السلسلة الرئيسية. على سبيل المثال ، 2-ميثيل بوتان (وتسمى أيضا الأيزوبنتين) ، CH₃-CH(CH₃) -CH₂-CH₃ أنه يحتوي على الكربون العالي مظللة بالخط العريض.

رباعي

وأخيرًا ، ترتبط الكربونات الرباعية ، كما يوحي الاسم ، بأربعة ذرات كربون أخرى. جزيء neopentane, C(CH₃)₄ لديه ذرة الكربون الرباعية.

تطبيقات

وحدة الكتلة الذرية

متوسط ​​الكتلة الذرية لل ¹²يستخدم C كتدبير قياسي لحساب كتل العناصر الأخرى. وهكذا ، يزن الهيدروجين اثني عشر من نظير الكربون هذا ، والذي يستخدم لتحديد ما يعرف باسم وحدة الكتلة الذرية u.

وهكذا ، يمكن مقارنة الكتل الذرية الأخرى مع تلك الخاصة بـ ¹²جيم و ¹H. على سبيل المثال ، المغنيسيوم (²⁴يزن المغنيسيوم حوالي ضعف وزن ذرة الكربون و 24 مرة أكثر من ذرة الهيدروجين.

دورة الكربون والحياة

النباتات تمتص ثاني أكسيد الكربون₂ في عملية التمثيل الضوئي لإطلاق الأكسجين في الجو وتكون بمثابة رئتين نباتيتين. عندما يموتون ، يصبحون فحمًا ، وبعد حرقه ، يطلق ثاني أكسيد الكربون₂. يعود جزء منه إلى النباتات ، لكن الجزء الآخر ينتهي في قاع البحر ، مما يغذي العديد من الكائنات الحية الدقيقة.

عندما تموت الكائنات الحية الدقيقة ، والصلبة المتبقية لرواسب التحلل البيولوجي ، وبعد ملايين السنين ، تتحول إلى ما يعرف باسم النفط.

عندما تستخدم البشرية هذا الزيت كمصدر بديل للطاقة لحرق الفحم ، فإنه يساهم في إطلاق المزيد من ثاني أكسيد الكربون₂ (وغيرها من الغازات غير المرغوب فيها).

من ناحية أخرى ، تستخدم الحياة ذرات الكربون من أعمق أسسها. ويرجع ذلك إلى ثبات روابطها ، مما يسمح لها بتكوين سلاسل وهياكل جزيئية تشكل جزيئات كبيرة مثل الدنا.

الرنين المغناطيسي النووي الطيفي ¹³C

ال ¹³C ، على الرغم من أنه في نسبة أصغر بكثير من ذلك من ¹²C ، وفرة كافية لتوضيح الهياكل الجزيئية من خلال التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي الكربون 13.

بفضل تقنية التحليل هذه ، يمكن تحديد الذرات التي تحيط ¹³C وإلى أي المجموعات الوظيفية التي ينتمون إليها. وبالتالي ، يمكن تحديد الهيكل العظمي الكربوني لأي مركب عضوي.

مراجع

1. غراهام سولومونز تي. دبليو ، كريج بي فرايل. الكيمياء العضوية. الأمينات. (الطبعة 10.) وايلي بلس.
2. بليك دي (4 مايو 2018). أربع خصائص للكربون. تم الاسترجاع من: sciencing.com
3. الجمعية الملكية للكيمياء. (2018). الكربون. مأخوذة من: rsc.org
4. فهم التطور. (بدون تاريخ). رحلة ذرة الكربون. تم الاسترجاع من: evolution.berkeley.edu
5. موسوعة بريتانيكا. (14 مارس 2018). الكربون. تم الاسترجاع من: britannica.com
6. Pappas S. (29 سبتمبر 2017). حقائق عن الكربون. تم الاسترجاع من: livescience.com