ذرة الكربون: الخصائص ، الهيكل ، التهجين ، التصنيف
ربما تكون ذرة الكربون أهم العناصر ورمزها لجميع العناصر ، وذلك بفضل وجود الحياة. إنه يحيط في حد ذاته ليس فقط عدد قليل من الإلكترونات ، 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 الظاهر في الصورة أعلاه ، والذي تم وصف خصائصه في القسم التالي.
تنتقل ذرات الكربون عبر الجو والبحار والتربة والنباتات وأي أنواع حيوانية. تنوعها الكيميائي الكبير يرجع إلى الاستقرار العالي للروابط وكيفية ترتيبها في الفضاء. وبالتالي ، فقد من ناحية الجرافيت على نحو سلس وتزييت. 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 الخاصة بهم (أنابيب الكربون النانوية ، الجرافين ، الفوليرين ، إلخ).
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 بالحرف "N") وأخيراً ستة إلكترونات (النجوم الزرقاء).
مجموع كتل جزيئاتها الذرية يعطي متوسط قيمة 12.0107 ش. ومع ذلك ، فإن ذرة الصورة يتوافق مع نظير الكربون 12 (12C) ، والذي يتكون من د. نظائر أخرى ، مثل 13C و 14 C ، والتي هي أقل وفرة ، تختلف فقط في عدد النيوترونات.
وبالتالي ، إذا تم رسم هذه النظائر ، فستكون للـ 13 C دائرة صفراء إضافية ، و 14 C ، واثنان آخران. 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: 1s22s22p2 أو [He] 2s22p2.
لذلك ، هناك ثلاث مدارات: 1s2 ، 2s2 و 2p2 ، ولكل منها إلكترونان. 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 ظلال داكنة اللون الأزرق من النجوم الأربعة الأخرى. لماذا؟ لأن الأولين يتوافقان مع الطبقة الداخلية 1s2 أو [He] ، والتي لا تشارك مباشرة في تكوين الروابط الكيميائية ؛ في حين أن إلكترونات الطبقة الخارجية ، 2s و 2p ، تفعل.
مدارات السبابة ليس لها 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 هي 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 تساهم كل ذرة في تشكيل إلكترون ؛ ومع ذلك ، يمكن ملاحظة أنه في الحالة القاعدية لذرة الكربون ، فإنه بالكاد يحتوي على إلكترونين غير زوجي (واحد في كل مداري 2p). هذا يعني أنه في هذه الحالة تكون ذرة ثنائية التكافؤ ، وبالتالي ، فإنها لا تشكل إلا سنداتين (-C-).
لذا ، كيف يمكن أن تشكل ذرة الكربون أربعة روابط؟ للقيام بذلك ، يجب عليك ترقية إلكترون من المداري 2s إلى المدارية الطاقة 2p أعلى. وقد تم ذلك ، وتناقصت المدارات الأربعة الناتجة ؛ بمعنى آخر ، لديهم نفس الطاقة أو الاستقرار (لاحظ أنها محاذاة).
تُعرف هذه العملية بالتهجين ، وبفضلها ، تحتوي ذرة الكربون الآن على أربعة مدارات sp3 مع إلكترون واحد لكل منها لتشكيل أربع روابط. ويرجع ذلك إلى خصائصه كونه رباعي التكافؤ.
SP3
عندما تحتوي ذرة الكربون على تهجين sp3 ، فإنها توجه مداراتها الأربعة الهجينة إلى رؤوس رباعي السطوح ، وهو شكلها الهندسي الإلكتروني.
وبالتالي ، يمكن التعرف على الكربون sp3 لأنه لا يشكل سوى أربعة روابط واحدة ، كما هو الحال في جزيء الميثان (CH 4 ). وحول هذا يمكن للمرء مراقبة بيئة رباعية السطوح.
إن تداخل المدارات sp3 فعال ومستقر لدرجة أن رابط CC البسيط يحتوي 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.
sp2 و sp
ذرة الكربون قادرة أيضًا على تبني تهجين آخر ، مما سيسمح لها بتكوين رابطة مزدوجة أو ثلاثية.
في التهجين sp2 ، كما هو موضح في الصورة ، هناك ثلاثة مدارات sp2 متدهورة ويظل المدار 2p ثابتًا أو "نقيًا". مع الفصل بين المدارات الثلاثة sp2 120º ، 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 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 ، يتكون جزيء الإيثان ، CH 3 -CH 3 من كربونين أوليين مرتبطين. هذا يشير إلى نهاية أو بداية سلسلة الكربون.
ثانوي
إنه مرتبط بإثنين من الكربون. وهكذا ، بالنسبة لجزيء البروبان ، CH 3- CH 2- CH 3 ، تكون ذرة الكربون في الوسط ثانوية (مجموعة الميثيلين ، -CH 2 -).
القطاع الثالث
تختلف الكربونات الثلاثية عن البقية لأنها تخرج منها فروع السلسلة الرئيسية. على سبيل المثال ، 2-methylbutane (يُسمى أيضًا isopentane) ، CH 3 -CH (CH 3 ) -CH 2 -CH 3 يمتلك الكربون العالي المظلل باللون الغامق.
رباعي
وأخيراً ، ترتبط الكربونات الرباعية ، كما يوحي الاسم ، بأربعة ذرات كربون أخرى. يمتلك جزيء النيوبنتان C (CH 3 ) 4 ذرة كربون رباعية.
تطبيقات
وحدة الكتلة الذرية
يستخدم متوسط الكتلة الذرية من 12C كتدبير قياسي لحساب كتل العناصر الأخرى. وهكذا ، يزن الهيدروجين اثني عشر من نظير الكربون هذا ، والذي يستخدم لتحديد ما يعرف بوحدة الكتلة الذرية u.
وبالتالي ، يمكن مقارنة الكتل الذرية الأخرى مع تلك الموجودة في 12C و 1 H. على سبيل المثال ، يزن المغنيسيوم (24Mg) ضعف ضعف ذرة الكربون ، و 24 مرة أكثر من ذرة الهيدروجين.
دورة الكربون والحياة
تمتص النباتات ثاني أكسيد الكربون في عملية التمثيل الضوئي لإطلاق الأكسجين في الجو وتكون بمثابة رئة للنباتات. عندما يموتون ، يصبحون الفحم الذي يطلق ثاني أكسيد الكربون مرة أخرى بعد الاحتراق. جزء واحد يعود إلى النباتات ، ولكن ينتهي آخر 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 الكربون (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 الجزيئات الكبيرة مثل أهمية الحمض النووي.
13C الرنين المغناطيسي النووي الطيفي
على الرغم من وجودها في نسبة 13 درجة مئوية أقل بكثير من نسبة 12 درجة مئوية ، إلا أن وفرةها كافية لتوضيح الهياكل الجزيئية عن طريق التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي للكربون -13.
بفضل تقنية التحليل هذه ، يمكن تحديد الذرات التي تحيط بـ 13C والمجموعات الوظيفية التي تنتمي إليها. وبالتالي ، يمكن تحديد الهيكل العظمي الكربوني لأي مركب عضوي.
