Karakteristik atom karbon, struktur, hibridisasi, klasifikasi

itu atom karbon Ini mungkin yang paling penting dan lambang dari semua elemen, karena berkat itu keberadaan kehidupan adalah mungkin. Itu membungkus dirinya sendiri tidak hanya beberapa elektron, atau inti dengan proton dan neutron, tetapi juga debu bintang, yang akhirnya dimasukkan dan membentuk makhluk hidup.

Juga, atom karbon ditemukan di kerak bumi, meskipun tidak dengan kelimpahan yang sebanding dengan unsur-unsur logam seperti besi, karbonat, karbon dioksida, minyak, berlian, karbohidrat, dll., Adalah bagian dari manifestasi fisik dan kimianya.

Tapi bagaimana atom karbonnya? Sketsa tidak akurat pertama adalah sketsa yang diamati pada gambar di atas, yang karakteristiknya dijelaskan pada bagian berikut.

Atom karbon melintasi atmosfer, laut, lapisan tanah, tanaman, dan spesies hewan apa pun. Keragaman kimianya yang luar biasa disebabkan oleh stabilitas tautan yang tinggi dan cara mereka tertata di ruang angkasa. Dengan demikian, di satu sisi memiliki grafit yang halus dan pelumas; dan di sisi lain, berlian, yang kekerasannya melebihi dari banyak bahan.

Jika atom karbon tidak memiliki kualitas yang mencirikannya, kimia organik tidak akan ada sepenuhnya. Beberapa visioner melihat di dalamnya bahan-bahan baru di masa depan, melalui desain dan fungsionalisasi struktur alotropiknya (karbon nanotube, graphene, fullerene, dll.).

Indeks

• 1 Karakteristik atom karbon
• 2 Struktur
• 3 Hibridisasi
  • 3.1 sp3
  • 3,2 sp2 dan sp
• 4 Klasifikasi
  • 4.1 Primer
  • 4.2 Sekunder
  • 4.3 Tersier
  • 4.4 Kuarter
• 5 Penggunaan
  • 5.1 Unit massa atom
  • 5.2 Siklus karbon dan kehidupan
  • 5.3 spektroskopi 13C NMR
• 6 Referensi

Karakteristik atom karbon

Atom karbon dilambangkan dengan huruf C. Nomor atomnya Z adalah 6, oleh karena itu, ia memiliki enam proton (lingkaran merah dengan simbol "+" di dalam nukleus). Selain itu, ia memiliki enam neutron (lingkaran kuning dengan huruf "N") dan akhirnya enam elektron (bintang biru).

Jumlah massa partikel atomnya memberikan nilai rata-rata 12.0107 u. Namun, atom dalam gambar sesuai dengan isotop 12-karbon (¹²C), yang terdiri dari d. Isotop lainnya, seperti ¹³C dan ¹⁴C, kurang berlimpah, hanya bervariasi dalam jumlah neutron.

Jadi, jika Anda menggambar isotop ini ¹³C akan memiliki lingkaran kuning tambahan, dan ¹⁴C, dua lagi. Ini secara logis berarti bahwa mereka adalah atom karbon yang lebih berat.

Selain itu, karakteristik apa yang dapat disebutkan dalam hal ini? Ini tetravalen, yaitu, dapat membentuk empat ikatan kovalen. Itu terletak di grup 14 (PPN) dari tabel periodik, lebih khusus di blok p.

Ini juga merupakan atom yang sangat fleksibel, dapat dihubungkan dengan hampir semua elemen dari tabel periodik; terutama dengan dirinya sendiri, membentuk makromolekul dan polimer linier, bercabang dan lamelar.

Struktur

Bagaimana struktur atom karbon? Untuk menjawab pertanyaan ini, pertama-tama Anda harus pergi ke konfigurasi elektronik Anda: 1s²2s²2p² atau [Dia] 2s²2p².

Oleh karena itu, ada tiga orbital: 1s², 2s² dan 2p², masing-masing dengan dua elektron. Ini juga dapat dilihat pada gambar di atas: masing-masing tiga cincin dengan dua elektron (bintang biru) (jangan bingung cincin dengan orbit: mereka adalah orbital).

Perhatikan, bagaimanapun, bahwa dua bintang memiliki warna biru yang lebih gelap daripada empat lainnya. Mengapa Karena dua yang pertama berhubungan dengan lapisan dalam 1s² atau [Dia], yang tidak berpartisipasi langsung dalam pembentukan ikatan kimia; sedangkan elektron di lapisan luar, 2s dan 2p, lakukan.

Orbital s dan p tidak memiliki bentuk yang sama, sehingga atom yang diilustrasikan tidak sesuai dengan kenyataan; sebagai tambahan terhadap disproporsi besar jarak antara elektron dan nukleus, yang seharusnya ratusan kali lebih besar.

Oleh karena itu, struktur atom karbon terdiri dari tiga orbital di mana elektron "meleleh" menjadi awan elektronik yang tersebar. Dan antara nukleus dan elektron-elektron ini ada jarak yang memungkinkan kita untuk melihat "kekosongan" yang sangat besar di dalam atom..

Hibridisasi

Telah disebutkan sebelumnya bahwa atom karbon adalah tetravalen. Menurut konfigurasi elektroniknya, elektron 2s-nya berpasangan dan elektron 2p tidak berpasangan:

Masih ada orbital p yang tersedia, yang kosong dan diisi dengan elektron tambahan dalam atom nitrogen (2p³).

Menurut definisi ikatan kovalen, perlu bahwa setiap atom menyumbang elektron untuk pembentukannya; Namun, dapat diamati bahwa pada kondisi dasar dari atom karbon, ia hampir tidak memiliki dua elektron yang tidak berpasangan (satu di setiap orbital 2p). Ini berarti bahwa dalam keadaan ini itu adalah atom divalen, dan oleh karena itu, ia hanya membentuk dua ikatan (-C-).

Jadi, bagaimana mungkin atom karbon membentuk empat ikatan? Untuk melakukan ini, Anda harus mempromosikan elektron dari orbital 2s ke orbital energi 2p lebih tinggi. Setelah selesai, keempat orbital yang dihasilkan adalah merosot; dengan kata lain, mereka memiliki energi atau stabilitas yang sama (perhatikan bahwa mereka selaras).

Proses ini dikenal sebagai hibridisasi, dan berkat itu, sekarang atom karbon memiliki empat orbital sp³ dengan masing-masing satu elektron untuk membentuk empat tautan. Ini karena sifatnya sebagai tetravalen.

sp³

Ketika atom karbon memiliki hibridisasi sp³, Arahkan empat orbital hibridanya ke simpul tetrahedron, yang merupakan geometri elektroniknya.

Jadi, Anda dapat mengidentifikasi sp karbon³ karena hanya membentuk empat ikatan sederhana, seperti pada molekul metana (CH₄). Dan di sekitar ini dapat mengamati lingkungan tetrahedral.

Tumpang tindih orbital sp³ sangat efektif dan stabil sehingga ikatan C-C sederhana memiliki entalpi 345,6 kJ / mol. Ini menjelaskan mengapa ada struktur karbon tak berujung dan sejumlah senyawa organik yang tak terukur. Selain itu, atom karbon dapat membentuk jenis ikatan lainnya.

sp² dan sp

Atom karbon juga mampu mengadopsi hibridisasi lainnya, yang akan memungkinkannya untuk membentuk ikatan rangkap atau bahkan rangkap tiga.

Dalam hibridisasi sp², Seperti terlihat pada gambar, ada tiga orbital sp² merosot dan orbital 2p tetap tidak berubah atau "murni". Dengan tiga orbital sp² dipisahkan 120º, karbon membentuk tiga ikatan kovalen dengan menggambar geometri elektron trigonal plane; sementara dengan orbital 2p, tegak lurus dengan tiga lainnya, ia membentuk ikatan π: -C = C-.

Untuk kasus hibridisasi sp, ada dua orbital sp yang dipisahkan 180º, sehingga mereka menggambar geometri elektronik linier. Kali ini, mereka memiliki dua orbital 2p murni, saling tegak lurus, yang memungkinkan karbon untuk membentuk ikatan rangkap tiga atau dua ikatan rangkap: -C≡C- atau ·· C = C = C ·· (karbon pusat memiliki hibridisasi sp) ).

Perhatikan bahwa selalu (biasanya) jika Anda menambahkan tautan di sekitar karbon Anda akan menemukan bahwa jumlahnya sama dengan empat. Informasi ini sangat penting ketika menggambar struktur Lewis atau struktur molekul. Atom karbon yang membentuk lima ikatan (= C≡C) secara teori dan eksperimen tidak dapat diterima.

Klasifikasi

Bagaimana atom karbon diklasifikasikan? Lebih dari sekadar klasifikasi berdasarkan karakteristik internal, pada kenyataannya tergantung pada lingkungan molekul. Dengan kata lain, bahwa dalam suatu molekul atom karbonnya dapat diklasifikasikan menurut berikut ini.

Primer

Karbon primer adalah karbon yang hanya terkait dengan karbon lain. Misalnya, molekul etana, CH₃-CH₃ terdiri dari dua karbon primer terikat. Ini menandakan akhir atau awal dari rantai karbon.

Sekunder

Ini adalah salah satu yang terkait dengan dua karbon. Jadi, untuk molekul propana, CH₃-CH₂-CH₃, atom karbon medium adalah sekunder (gugus metilen, -CH₂-).

Tersier

Karbon tersier berbeda dari yang lain karena dari mereka muncul cabang-cabang rantai utama. Sebagai contoh, 2-methylbutane (juga disebut isopentane), CH₃-CH(CH₃) -CH₂-CH₃ Ini memiliki karbon tersier yang disoroti dengan huruf tebal.

Kuarter

Dan akhirnya, karbon kuartener, seperti namanya, terkait dengan empat atom karbon lainnya. Molekul neopentana, C(CH₃)₄ memiliki atom karbon kuaterner.

Penggunaan

Unit massa atom

Massa atom rata-rata dari ¹²C digunakan sebagai ukuran standar untuk perhitungan massa elemen lainnya. Dengan demikian, hidrogen memiliki berat kedua belas dari isotop karbon ini, yang digunakan untuk mendefinisikan apa yang dikenal sebagai satuan massa atom u.

Dengan demikian, massa atom lainnya dapat dibandingkan dengan massa atom ¹²C dan ¹H. Misalnya, magnesium (²⁴Mg) memiliki berat sekitar dua kali lipat atom karbon, dan 24 kali lebih banyak dari atom hidrogen.

Siklus karbon dan kehidupan

Tanaman menyerap CO₂ dalam proses fotosintesis untuk melepaskan oksigen ke atmosfer dan bertindak sebagai paru-paru tanaman. Ketika mereka mati, mereka menjadi arang, yang setelah terbakar, melepaskan CO₂. Satu bagian kembali ke tanaman, tetapi yang lain berakhir di dasar laut, memelihara banyak mikroorganisme.

Ketika mikroorganisme mati, sisa padat ke sedimen dekomposisi biologisnya, dan setelah jutaan tahun, ia berubah menjadi apa yang dikenal sebagai minyak..

Ketika manusia menggunakan minyak ini sebagai sumber energi alternatif untuk pembakaran batu bara, ia berkontribusi pada pelepasan lebih banyak CO₂ (dan gas yang tidak diinginkan lainnya).

Di sisi lain, kehidupan menggunakan atom karbon dari fondasinya yang paling dalam. Hal ini disebabkan oleh stabilitas ikatannya, yang memungkinkannya untuk membentuk rantai dan struktur molekul yang membentuk makromolekul sama pentingnya dengan DNA.

Spektroskopi NMR ¹³C

itu ¹³C, meskipun dalam proporsi yang jauh lebih kecil daripada ¹²C, kelimpahannya cukup untuk menjelaskan struktur molekul melalui spektroskopi resonansi magnetik nuklir-13.

Berkat teknik analisis ini, dapat ditentukan atom mana yang mengelilingi ¹³C dan kelompok fungsional mana yang mereka miliki. Dengan demikian, kerangka karbon dari setiap senyawa organik dapat ditentukan.

Referensi

1. Graham Solomons TW., Craig B. Fryhle. Kimia Organik. Amina (Edisi ke-10.) Wiley Plus.
2. Blake D. (4 Mei 2018). Empat Karakteristik Karbon. Diperoleh dari: sciencing.com
3. Royal Society of Chemistry. (2018). Karbon. Diambil dari: rsc.org
4. Memahami Evolusi. (s.f.). Perjalanan atom karbon. Diperoleh dari: evolution.berkeley.edu
5. Encyclopædia Britannica. (14 Maret 2018). Karbon. Diperoleh dari: britannica.com
6. Pappas S. (29 September 2017). Fakta Tentang Karbon. Diperoleh dari: livescience.com