ÀTOM DE CARBONI: CARACTERÍSTIQUES, ESTRUCTURA, HIBRIDACIÓ - QUIMICA - 2025

El àtom de carboni és potser el més important i emblemàtic de tots els elements, pel fet que gràcies a ell és possible l'existència de la vida. Tanca en si mateix no només uns pocs electrons, o un nucli amb protons i neutrons, sinó a més pols d'estrella, el qual acaba incorporat i forma els éssers vius.

Així mateix, els àtoms de carboni es troben en l'escorça terrestre, encara que no amb una abundància comparable a elements metàl·lics com el ferro, els carbonats, el diòxid de carboni, el petroli, els diamants, els carbohidrats, etc., són una part de les seves manifestacions físiques i químiques.

Font: Gabriel Bolívar

Però, com és l'àtom de carboni? Un primer esbós inexacte és el que s'observa en la imatge superior, les característiques es descriuen en el següent apartat.

Els àtoms de carboni recorren l'atmosfera, els mars, el subsòl, les plantes i qualsevol espècie animal. La seva gran diversitat química es deu a l'alta estabilitat dels seus enllaços i a la manera en com s'ordenen en l'espai. Així, es té per una banda el grafit suau i lubricant; i de l'altra, el diamant, la duresa sobrepassa a la de molts materials.

Si l'àtom de carboni no tingués les qualitats que el caracteritza, la química orgànica no existiria completament. Alguns visionaris veuen en ell els nous materials de el futur, a través del disseny i funcionalització de les seves estructures al·lotròpiques (nanotubs de carboni, grafè, fullerens, etc.).

Característiques de l'àtom de carboni

L'àtom de carboni es simbolitza amb la lletra C. El seu nombre atòmic Z és 6, per tant, té sis protons (cercles vermells amb el símbol "+" al nucli). A més, posseeix sis neutrons (cercles grocs amb la lletra "N") i finalment 6 electrons (les estrelles blaves).

La sumatòria de les masses de les seves partícules atòmiques donen un valor mitjà de 12.0107 u. No obstant això, l'àtom de la imatge correspon a l'isòtop de carboni 12 (¹² C), el qual consisteix d. Altres isòtops, com el ¹³ C i ¹⁴ C, menys abundants, varien únicament en el nombre de neutrons.

Així, si es dibuixés aquests isòtops el ¹³ C tindria un cercle groc addicional, i el ¹⁴ C, dues de més. Això vol dir lògicament que són àtoms de carboni més pesats.

Addicional a això, quines altres característiques poden esmentar-se a l'respecte? És tetravalent, és a dir, pot formar 4 enllaços covalents. Se situa en el grup 14 (IVA) de la taula periòdica, més específicament en el bloc p.

És a més, un àtom molt versàtil, capaç de enllaçar-se amb gairebé tots els elements de la taula periòdica; especialment amb si mateix, formant macromolècules i polímers lineals, ramificats i laminars.

estructura

Quina és l'estructura d'un àtom de carboni? Per respondre aquesta pregunta, primerament cal acudir a la seva configuració electrònica: 1s ² 2s ² 2p ² o 2s ² 2p ².

Per tant, hi ha tres orbitals: el 1s ², el 2s ² i el 2p ², cada un amb dos electrons. Això també es pot observar en la imatge superior: tres anells amb dos electrons (estrelles blaves) cada un (no confondre els anells per òrbites: són orbitals).

Cal notar, però, que dues de les estrelles posseeixen una tonalitat de blau més fosca que les quatre restants. Per què? Perquè les dues primeres correspon a la capa interna 1s ² o, la qual no participa directament en la formació d'enllaços químics; mentre que els electrons de la capa externa, 2s i 2p, sí que ho fan.

Els orbitals sip no tenen la mateixa forma, de manera que l'àtom il·lustrat no està d'acord a la realitat; a més de la gran desproporció de la distància entre els electrons i el nucli, la qual hauria de ser centenars de vegades més gran.

Per tant, l'estructura de l'àtom de carboni consisteix en tres orbitals on els electrons es "fonen" en núvols electrònics difuminades. I entre el nucli i aquests electrons hi ha una distància la qual deixa a entreveure l'immens "buit" dins de l'àtom.

hibridació

Es va esmentar anterior que l'àtom de carboni és tetravalent. D'acord a la seva configuració electrònica, els seus electrons 2s es troben aparellats i els 2p desaparellats:

Font: Gabriel Bolívar

Queda un orbital p disponible, el qual està buit i s'omple amb un electró addicional en l'àtom de nitrogen (2p ³).

Segons la definició de l'enllaç covalent, es necessita que cada àtom aporti un electró per a la seva formació; però, pot observar-se que en l'estat basal de l'àtom de carboni, tot just té dos electrons desaparellats (un a cada orbital 2p). Això vol dir que en aquest estat és un àtom divalent, i per tant, forma només dos enllaços (-C-).

Llavors, com és possible que l'àtom de carboni formi 4 enllaços? Per a això, ha de promocionar un electró des del orbital 2s a l'orbital 2p de major energia. Fet això, els quatre orbitals resultants estan degenerats; en altres paraules, tenen la mateixa energia o estabilitat (cal notar que es troben alineats).

Aquest procés es coneix com hibridació, i gràcies a ell, ara l'àtom de carboni posseeix quatre orbitals sp ³ amb un electró cadascun per a formar quatre enllaços. A això se li deu el seu característica de ser tetravalent.

sp

Quan l'àtom de carboni posseeix una hibridació sp ³, orienta els seus quatre orbitals híbrids als vèrtexs d'un tetraedre, el qual és la seva geometria electrònica.

Així, es pot identificar un carboni sp ³ perquè només forma quatre enllaços simples, com en la molècula de metà (CH ₄). I al voltant d'aquest pot observar-se un entorn tetraèdric.

El traslape dels orbitals sp ³ és tan efectiu i estable, que l'enllaç simple CC té un entalpia de 345,6 kJ / mol. Això explica per què hi ha interminables estructures carbonades i un incommensurable nombre de compostos orgànics. A més d'això, els àtoms de carboni poden formar altres tipus d'enllaços.

sp

Font: Gabriel Bolívar

L'àtom de carboni també és capaç d'adoptar altres hibridacions, les quals li permetran formar un doble o fins triple enllaç.

A la hibridació sp ², com s'observa en la imatge, hi ha tres orbitals sp ² degenerats i un orbital 2p roman inalterat o "pur". Amb els tres orbitals sp ² separats 120º, el carboni forma tres enllaços covalents dibuixant una geometria electrònica pla trigonal; mentre que amb l'orbital 2p, perpendicular als altres tres, forma un enllaç π: -C = C-.

Per al cas de la hibridació sp, hi ha dos orbitals sp separats 180º, de manera que dibuixen una geometria electrònica lineal. Aquesta vegada, compten amb dos orbitals 2p purs, perpendiculars entre si, els quals li permeten el carboni formar triples enllaços o dues doble enllaços: -C≡C- o · C = C = C · (el carboni central té hibridació sp).

Cal notar que sempre (generalment) si se sumen els enllaços entorn a el carboni es trobarà que el nombre és igual a quatre. Aquesta informació és essencial a l'hora de dibuixar estructures de Lewis o estructures moleculars. Un àtom de carboni formant 5 enllaços (= C≡C) és inadmissible teòrica i experimentalment.

classificació

Com es classifiquen els àtoms de carboni? Més que una classificació per característiques internes, aquesta depèn en realitat de l'entorn molecular. És a dir, que dins d'una molècula pot classificar seus àtoms de carboni d'acord al següent.

primari

Un carboni primari és aquell que està enllaçat només a un altre carboni. Per exemple, la molècula d'età, CH ₃ -CH ₃ consisteix de dos carbonis primaris enllaçats. Aquest assenyala el final o començament d'una cadena carbonada.

secundari

És aquell que es troba enllaçat a dos carbonis. Així, per a la molècula de propà, CH ₃ - CH ₂ -CH ₃, l'àtom de carboni de l'mitjà és secundari (el grup metilè, -CH ₂ -).

terciari

Els carbonis terciaris es diferencien de la resta perquè a partir d'ells emergeixen ramificacions de la cadena principal. Per exemple, el 2-metilbutà (també anomenat isopentano), CH ₃ - CH (CH ₃) -CH ₂ -CH ₃ posseeix un carboni terciari ressaltat en negreta.

Quaternari

I finalment, els carbonis quaternaris, com el seu nom indica, es troba enllaçat a altres quatre àtoms de carboni. La molècula d'neopentano, C (CH ₃) ₄ posseeix un àtom de carboni de quaternari.

usos

Unitat de massa atòmica

La massa atòmica mitjana de l' ¹² C s'utilitza com a mesura estàndard per al càlcul de les masses dels altres elements. Així, l'hidrogen pesa la dotzena part d'aquest isòtop de l'carboni, la qual s'utilitza per definir el que es coneix com a unitat de massa atòmica u.

Així, les altres masses atòmiques poden comparar-se amb la de l' ¹² C i el ^gener H. Per exemple, el magnesi (²⁴ Mg) pesa aproximadament pesa el doble que un àtom de carboni, i 24 vegades més que un àtom d'hidrogen.

Cicle de el carboni i la vida

Les plantes absorbeixen CO ₂ en el procés de fotosíntesi per alliberar oxigen a l'atmosfera i exercir com a pulmons vegetals. A el morir, esdevenen carbó vegetal, el qual després de cremar, torna a alliberar CO ₂. Una part torna a les plantes, però una altra acaba als llits marins, nodrint a molts microorganismes.

A l'morir els microorganismes, el sòlid romanent a la seva descomposició biològica sedimenta, i després de milions d'anys, es transforma en el que es coneix com petroli.

Quan la humanitat fa servir aquest petroli com una font d'energia alternativa a la crema de el carbó, contribueix a l'alliberament de més CO ₂ (i altres gasos indesitjables).

D'altra banda, la vida utilitza els àtoms de carboni des del més profund dels seus fonaments. Això es deu a l'estabilitat dels seus enllaços, la qual li permet formar cadenes i estructures moleculars que composen a macromolècules tan importants com l'ADN.

espectroscòpia RMN

El ¹³ C, encara que es trobi en una proporció molt menor a la del ¹² C, la seva abundància és suficient per a elucidar estructures moleculars mitjançant l'espectroscòpia de ressonància magnètica nuclear de carboni 13.

Gràcies a aquesta tècnica d'anàlisi es pot determinar quina àtoms envolten als ¹³ C ia quins grups funcionals pertanyen. Així, es pot determinar l'esquelet carbonat de qualsevol compost orgànic.

referències

1. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. Organic Chemistry. Amines. (10th edition.) Wiley Plus.
2. Blake D. (04 de maig del 2018). Four Characteristics of Carbon. Recuperat de: sciencing.com
3. Royal Society of Chemistry. (2018). Carbon. Pres de: rsc.org
4. Understanding Evolution. (Sf). Journey of a carbó atom. Recuperat de: evolution.berkeley.edu
5. Encyclopædia Britannica. (14 de març del 2018). Carbon. Recuperat de: britannica.com
6. Pappas S. (29 de setembre del 2017). Facts About Carbon. Recuperat de: livescience.com