אטום פחמן: מאפיינים, מבנה, הכלאה - כִּימִיָה - 2025

אטום פחמן הוא אולי הכי חשוב סמלי של כל האלמנטים, כי בזכות זה את קיומו של חיים הוא אפשרי. הוא תוחם בפני עצמו לא רק מעט אלקטרונים, או גרעין עם פרוטונים ונויטרונים, אלא גם אבק כוכבים, שבסופו של דבר משולב ויוצר יצורים חיים.

כמו כן, אטומי פחמן נמצאים בקרום כדור הארץ, אם כי לא בשפע הדומה לאלמנטים מתכתיים כמו ברזל, קרבונט, פחמן דו חמצני, שמן, יהלומים, פחמימות וכו ', הם חלק מ הביטויים הפיזיים והכימיים שלה.

מקור: גבריאל בוליבר

אבל איך דומה אטום הפחמן? מערכון ראשון לא מדויק הוא זה שנראה בתמונה למעלה, שתכונותיו מתוארות בחלק הבא.

אטומי פחמן עוברים באטמוספירה, בים, בתת-הקרקע, בצמחים ובכל מיני בעלי חיים. המגוון הכימי הגדול שלה נובע מהיציבות הגבוהה של קשריו והאופן בו הם מסודרים בחלל. לפיכך, יש לך מצד אחד את הגרפיט החלק והמסוך; ומצד שני יהלום, שקשיותו עולה על חומרים רבים.

אם לאטום הפחמן לא היה בעל התכונות המאפיינות אותו, הכימיה האורגנית לא הייתה קיימת לחלוטין. יש אנשי חזון הרואים בו את החומרים החדשים של העתיד, דרך תכנון ופונקציונאליזציה של המבנים האלו-טרופיים שלהם (צינורות פחמן, גרפן, פולרן וכו ').

מאפייני אטום הפחמן

אטום הפחמן מסומן על ידי האות C. המספר האטומי שלו Z הוא 6, ולכן יש לו שישה פרוטונים (עיגולים אדומים עם הסמל "+" בגרעין). בנוסף יש לו שישה נויטרונים (עיגולים צהובים עם האות "N") ולבסוף שישה אלקטרונים (כוכבים כחולים).

סכום ההמונים של חלקיקי האטום שלו נותן ערך ממוצע של 12.0107 u. עם זאת, האטום שבתמונה מתאים לאיזוטופ פחמן 12 ( ¹² צלזיוס), המורכב מ- d. איזוטופים אחרים, כמו ¹³ C ו- ¹⁴ C, פחות נפוצים, משתנים רק במספר הנויטרונים.

לפיכך, אם היו נמשכים איזוטופים אלה, ¹³ C היה עיגול צהוב נוסף, ו ^-14 C היו שני שניים נוספים. משמעות הדבר הגיונית היא שהם אטומי פחמן כבדים יותר.

בנוסף לכל אלה, אילו מאפיינים נוספים ניתן להזכיר בהקשר זה? זה טסטראוולנטי, כלומר הוא יכול ליצור ארבעה קשרים קוולנטיים. הוא ממוקם בקבוצה 14 (IVA) בטבלה המחזורית, ליתר דיוק בגוש עמ '.

זהו גם אטום רב-תכליתי, המסוגל להתקשר כמעט עם כל האלמנטים בטבלה המחזורית; במיוחד כשלעצמו, ויוצרים מקרומולקולות פולימריות ליניאריות, מסועפות ולמינריות.

מִבְנֶה

מהו המבנה של אטום פחמן? כדי לענות על שאלה זו, ראשית עליכם לעבור לתצורה האלקטרונית שלה: 1s ² 2s ² 2p ² או 2s ² 2p ² .

לכן ישנם שלושה מסלולי אורביטלים: 1s ² , 2s ² ו- 2p ² , לכל אחד שני אלקטרונים. ניתן לראות זאת גם בתמונה למעלה: שלוש טבעות עם שני אלקטרונים (כוכבים כחולים) כל אחת (אל תטעו את הטבעות במסלולי מסלול: הן אורביטליות).

עם זאת, שים לב ששני הכוכבים הם בעלי גוון כחול כהה יותר מארבעת הנותרים. למה? מכיוון שהשניים הראשונים תואמים את השכבה הפנימית 1s ² o, שאינה משתתפת ישירות ביצירת קשרים כימיים; ואילו האלקטרונים במעטפת החיצונית, 2s ו- 2p, כן.

לסביבות ה- s ו- p אין אותה צורה, ולכן האטום המצויר אינו מסכים עם המציאות; נוסף על חוסר הפרופורציה הגדולה של המרחק בין האלקטרונים לגרעין, שאמור להיות גדול פי מאות.

לכן, מבנה אטום הפחמן מורכב משלושה אורביטלים שבהם אלקטרונים "נמסים" לעננים אלקטרוניים מטושטשים. ובין הגרעין לאלקטרונים האלה יש מרחק החושף את "הריק" העצום שבתוך האטום.

הַכלָאָה

הוזכר קודם לכן כי אטום הפחמן הוא טריוואלי. על פי התצורה האלקטרונית שלה, האלקטרונים של ה- 2 משויכים זה לזה וה- 2p לא מותאם:

מקור: גבריאל בוליבר

ישנו אורביטל p זמין אחד, שהוא ריק ומלא באלקטרון נוסף באטום החנקן (2p ³ ).

על פי הגדרת הקשר הקוואלינטי, הכרחי שכל אטום תורם אלקטרון ליצירתו; עם זאת ניתן לראות כי במצב האדמה של אטום הפחמן יש לו רק שני אלקטרונים לא צמודים (אחד בכל מסלול 2p). המשמעות היא שבמצב זה זהו אטום דו-ערכי, ולכן הוא יוצר רק שני קשרים (–C–).

אז איך יתכן כי אטום הפחמן יוצר ארבעה קשרים? לשם כך, עליכם לקדם אלקטרון מהקבוצה השנייה לסיבוב המוליך 2p לאנרגיה גבוהה יותר. זאת, ארבעת המסלוליות המתקבלות מנוון; במילים אחרות, יש להם אותה אנרגיה או יציבות (שימו לב שהם מיושרים).

תהליך זה ידוע כהכלאה, ובזכותו, לאטום הפחמן יש כעת ארבעה אורביטלים sp ³ עם אלקטרון אחד כל אחד ויוצר ארבעה קשרים. זה נובע מהמאפיין שלה להיות טסטראוולנטי.

sp

כאשר לאטום הפחמן יש הכלאה SP ³ , הוא מכוון את ארבעת האורביטלים ההיברידיים שלו לקודקודי הטטרהדרון, שהיא הגיאומטריה האלקטרונית שלו.

לפיכך, sp ³ פחמן ניתן לזהות כי זה יוצר רק ארבעה אג"ח פשוטים, כמו מולקולת מתאן (CH ₄ ). וסביב זה ניתן לצפות בסביבה טטרהדראלית.

החפיפה של אורביטאלי ה- sp ³ כה יעילה ויציבה, עד שלקשר היחיד CC יש אנטלפיה של 345.6 kJ / mol. זה מסביר מדוע ישנם אינסוף מבני קרבונט ומספר לא מבוטל של תרכובות אורגניות. מלבד זה, אטומי פחמן יכולים ליצור סוגים אחרים של קשרים.

sp

מקור: גבריאל בוליבר

אטום הפחמן מסוגל גם לאמץ הכלאות אחרות, שיאפשרו לו ליצור קשר כפול או אפילו משולש.

בהכלאה של sp ² , כפי שניתן לראות בתמונה, ישנם שלושה אורביטאלי sp ² מנווונים ואורביטל 2p הוא ללא שינוי או "טהור". עם שלושת המרחקים האורביטליים sp ² המרוחקים זה מזה, הפחמן יוצר שלושה קשרים קוולנטיים השואבים גיאומטריה אלקטרונית של המישור הטריגונאלי; ואילו עם המסלול 2p, בניצב לשלושת האחרים, הוא יוצר קשר π: –C = C–.

במקרה של הכלאה SP, ישנם שני אורביטלים sp בגודל של 180 מעלות זה מזה, כך שהם ישרטטו גיאומטריה אלקטרונית ליניארית. הפעם, יש להם שני אורביטלים טהורים של 2p, בניצב זה לזה, המאפשרים לפחמן ליצור קשרים משולשים או שני קשרים כפולים: –C≡C– או ·· C = C = C ·· (לפחמן המרכזי יש הכלאה sp ).

שימו לב שתמיד (באופן כללי) אם יתווספו הקשרים סביב הפחמן, יתגלה שהמספר שווה לארבעה. מידע זה חיוני בעת ציור מבנים או מבנים מולקולריים של לואיס. אטום פחמן שיוצר חמישה קשרים (= C≡C) אינו קביל באופן תיאורטי וניסיוני.

מִיוּן

כיצד מסווגים אטומי פחמן? יותר ממיון לפי מאפיינים פנימיים, זה תלוי למעשה בסביבה המולקולרית. כלומר בתוך מולקולה ניתן לסווג את אטומי הפחמן שלה לפי הדברים הבאים.

יְסוֹדִי

פחמן ראשוני הוא כזה הקשור רק לפחמן אחד אחר. לדוגמא, מולקולת אתאן, CH ₃ -CH ₃ מורכבת משני פחמנים ראשוניים ערובה. זה מסמל את סיומה או תחילתה של שרשרת פחמן.

מִשׁנִי

זהו אחד המקושר לשני פחמימות. לפיכך, עבור מולקולת פרופאן, CH ₃ - CH ₂ -CH ₃ , לאטום הפחמן האמצעי הוא משנית (הקבוצה מתילן, -CH ₂ -).

שלישי

הפחמן השלישיות נבדלות מהשאר מכיוון שענפים של השרשרת הראשית יוצאים מהם. לדוגמה, 2-מתילבוטאן (נקרא גם איזופנטן), CH ₃ - CH (CH ₃ ) –CH ₂ –CH ₃ יש פחמן שלישוני שמודגש מודגש.

ריבועי

ולבסוף, פחמן מרובע, כשמו כן הוא, מקושר לארבעה אטומי פחמן אחרים. למולקולת הניאופנטן, C (CH ₃ ) _4, יש אטום פחמן רביעוני.

יישומים

יחידת מסה אטומית

המסה האטומית הממוצעת של ¹² צלזיוס משמשת כמדד סטנדרטי לחישוב ההמונים של שאר היסודות. לפיכך, מימן שוקל שתים-עשרה מאיזוטופ זה של פחמן, המשמש להגדרת מה שמכונה יחידת המסה האטומית u.

לפיכך, ניתן להשוות בין המוני האטום האחרים לזה של ¹² C ו- ¹ H. לדוגמא, מגנזיום ( ²⁴ מג"ג) שוקל בערך פי שניים מזה של אטום פחמן, ופי 24 יותר מאשר אטום מימן.

מחזור פחמן וחיים

צמחים סופגים CO ₂ בתהליך הפוטוסינתזה כדי לשחרר חמצן לאטמוספרה ופועלים כריאות צמחיות. כאשר הם מתים הם הופכים לפחם, שאחרי שריפתם משחרר _{שוב את} CO ₂ . חלק אחד חוזר לצמחים, אך חלק אחר מסתיים בערוגות הים, ומזין מיקרואורגניזמים רבים.

כאשר המיקרואורגניזמים מתים, המוצק שנשאר בסדימנטים של הפירוק הביולוגי שלו, ואחרי מיליוני שנים, הוא הופך למה שמכונה שמן.

כאשר האנושות משתמשת בשמן זה כמקור אנרגיה חלופי לשריפת פחם, הוא תורם לשחרור עוד CO ₂ (וגזים לא רצויים אחרים).

מצד שני, החיים משתמשים באטומי פחמן מהתחתית. זה נובע מיציבות קשריו, המאפשרת לו ליצור שרשראות ומבנים מולקולריים המרכיבים מקרומולקולות חשובות כמו DNA.

ספקטרוסקופיה של NMR

ה- ¹³ צלזיוס, למרות שהוא נמצא ביחס נמוך בהרבה מ- ¹² צלזיוס, השפע שלהם מספיק כדי להבהיר מבנים מולקולריים על ידי פחמן ספקטרוסקופיה גרעינית מגנטית גרעינית 13.

בזכות טכניקת ניתוח זו ניתן לקבוע אילו אטומים מקיפים את ¹³ C ואילו קבוצות פונקציונליות הם שייכים. לפיכך, ניתן לקבוע את שלד הפחמן של כל תרכובת אורגנית.

הפניות

1. גרהם סולומונס TW, קרייג ב. פרלה. כימיה אורגנית. אמינים. (מהדורה 10). וויילי פלוס.
2. בלייק ד (4 במאי 2018). ארבעה מאפיינים של פחמן. התאושש מ: sciencing.com
3. החברה המלכותית לכימיה. (2018). פֶּחָם. נלקח מ: rsc.org
4. הבנת האבולוציה. (sf). מסע של אטום פחמן. התאושש מ: evolution.berkeley.edu
5. אנציקלופדיה בריטניקה. (14 במרץ, 2018). פֶּחָם. התאושש מ: britannica.com
6. Pappas S. (29 בספטמבר 2017). עובדות על פחמן. התאושש מ: livescience.com