ลักษณะอะตอมของคาร์บอนโครงสร้างการผสมพันธุ์ - เคมี - 2026

อะตอมของคาร์บอนอาจจะเป็นที่สำคัญที่สุดและเป็นสัญลักษณ์ขององค์ประกอบทั้งหมดเพราะต้องขอบคุณมันดำรงอยู่ของชีวิตที่เป็นไปได้ มันล้อมรอบตัวเองไม่เพียงอิเล็กตรอนไม่กี่ตัวหรือนิวเคลียสที่มีโปรตอนและนิวตรอน แต่ยังรวมถึงฝุ่นละอองดาวซึ่งรวมเข้าด้วยกันและก่อตัวเป็นสิ่งมีชีวิต

ในทำนองเดียวกันอะตอมของคาร์บอนจะพบได้ในเปลือกโลกแม้ว่าจะไม่ได้มีมากมายเทียบเท่ากับธาตุโลหะเช่นเหล็กคาร์บอเนตคาร์บอนไดออกไซด์น้ำมันเพชรคาร์โบไฮเดรต ฯลฯ แต่ก็เป็นส่วนหนึ่งของ อาการทางกายภาพและทางเคมี

ที่มา: Gabriel Bolívar

แต่อะตอมของคาร์บอนเป็นอย่างไร? ภาพร่างแรกที่ไม่ถูกต้องคือภาพที่เห็นในภาพด้านบนซึ่งมีการอธิบายลักษณะต่างๆในหัวข้อถัดไป

อะตอมของคาร์บอนวิ่งผ่านชั้นบรรยากาศทะเลดินดานพืชและสัตว์ทุกชนิด ความหลากหลายทางเคมีที่ดีเกิดจากความเสถียรสูงของพันธะและวิธีการจัดเรียงในอวกาศ ดังนั้นคุณมีกราไฟท์ที่เรียบและหล่อลื่นอยู่ในมือข้างหนึ่ง และในอีกด้านหนึ่งคือเพชรซึ่งมีความแข็งมากกว่าวัสดุหลายชนิด

ถ้าอะตอมของคาร์บอนไม่มีคุณสมบัติตามที่กำหนดแสดงว่าเคมีอินทรีย์จะไม่มีอยู่อย่างสมบูรณ์ ผู้มีวิสัยทัศน์บางคนมองเห็นวัสดุใหม่ในอนาคตผ่านการออกแบบและการใช้งานโครงสร้างอัลโลทรอปิก (ท่อนาโนคาร์บอนกราฟีนฟูลเลอรีน ฯลฯ )

ลักษณะของอะตอมของคาร์บอน

อะตอมของคาร์บอนมีสัญลักษณ์เป็นตัวอักษร C เลขอะตอม Z คือ 6 ดังนั้นจึงมีโปรตอนหกตัว (วงกลมสีแดงที่มีสัญลักษณ์ "+" ในนิวเคลียส) นอกจากนี้ยังมีนิวตรอนหกตัว (วงกลมสีเหลืองที่มีตัวอักษร "N") และสุดท้ายมีอิเล็กตรอน 6 ตัว (ดาวสีน้ำเงิน)

ผลรวมของมวลของอนุภาคอะตอมให้ค่าเฉลี่ย 12.0107 u อย่างไรก็ตามอะตอมในภาพตรงกับไอโซโทปของคาร์บอน 12 ( ¹² C) ซึ่งประกอบด้วย d. ไอโซโทปอื่น ๆ เช่น¹³ C และ¹⁴ C มีความอุดมสมบูรณ์น้อยแตกต่างกันไปในจำนวนนิวตรอนเท่านั้น

ดังนั้นถ้าไอโซโทปเหล่านี้ถูกดึงออกมา¹³ C จะมีวงกลมสีเหลืองเพิ่มขึ้นและ¹⁴ C จะมีอีกสองวง นี่หมายความว่ามีเหตุผลว่าพวกมันเป็นอะตอมของคาร์บอนที่หนักกว่า

นอกจากนี้มีลักษณะอื่นใดบ้างที่สามารถกล่าวถึงในเรื่องนี้ได้? เป็นเตตราวาเลนต์กล่าวคือสามารถสร้างพันธะโควาเลนต์ได้สี่พันธะ มันอยู่ในกลุ่มที่ 14 (IVA) ของตารางธาตุโดยเฉพาะในบล็อก p

นอกจากนี้ยังเป็นอะตอมที่มีความหลากหลายมากซึ่งสามารถเชื่อมโยงกับองค์ประกอบเกือบทั้งหมดของตารางธาตุ โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับตัวมันเองการสร้างโมเลกุลและโพลีเมอร์แบบเส้นตรงกิ่งและแบบลามินาร์

โครงสร้าง

โครงสร้างของอะตอมคาร์บอนคืออะไร? เพื่อตอบคำถามนี้เป็นครั้งแรกที่คุณจะต้องไปกับการกำหนดค่าอิเล็กทรอนิกส์: 1s ² 2s ² 2p ²หรือ 2s ² 2p 2

ดังนั้นจึงมีวงโคจรสามวง: 1s ² , 2s ²และ 2p ²แต่ละวงมีอิเล็กตรอนสองตัว สิ่งนี้ยังสามารถเห็นได้จากภาพด้านบน: วงแหวนสามวงที่มีอิเล็กตรอนสองตัว (ดาวสีน้ำเงิน) แต่ละวง (อย่าเข้าใจผิดว่าวงแหวนสำหรับวงโคจรคือวงโคจร)

อย่างไรก็ตามโปรดทราบว่าดาวสองดวงมีสีฟ้าเข้มกว่าดวงที่เหลืออีก 4 ดวง ทำไม? เนื่องจากสองชั้นแรกสอดคล้องกับชั้นใน 1s ² o ซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมโดยตรงในการสร้างพันธะเคมี ในขณะที่อิเล็กตรอนในเปลือกนอก 2s และ 2p ทำ

วงโคจร s และ p ไม่มีรูปร่างเหมือนกันดังนั้นอะตอมในภาพประกอบจึงไม่เห็นด้วยกับความเป็นจริง นอกเหนือจากความไม่สมส่วนอย่างมากของระยะห่างระหว่างอิเล็กตรอนและนิวเคลียสซึ่งควรจะมากกว่าหลายร้อยเท่า

ดังนั้นโครงสร้างของอะตอมของคาร์บอนจึงประกอบด้วยออร์บิทัลสามวงที่อิเล็กตรอน "หลอม" เป็นเมฆอิเล็กทรอนิกส์ที่เบลอ และระหว่างนิวเคลียสกับอิเล็กตรอนเหล่านี้มีระยะห่างซึ่งเผยให้เห็น "โมฆะ" อันยิ่งใหญ่ภายในอะตอม

การผสมพันธุ์

มีการกล่าวไว้ก่อนหน้านี้ว่าอะตอมของคาร์บอนเป็นเตตราวาเลนต์ ตามการกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์อิเล็กตรอน 2 ตัวจะถูกจับคู่และ 2p ไม่มีการจับคู่:

ที่มา: Gabriel Bolívar

มีออร์บิทัล p ที่มีอยู่หนึ่งวงซึ่งว่างเปล่าและเต็มไปด้วยอิเล็กตรอนเพิ่มเติมที่อะตอมไนโตรเจน (2p ³ )

ตามคำจำกัดความของพันธะโควาเลนต์จำเป็นที่แต่ละอะตอมจะสร้างอิเล็กตรอนขึ้นมาเพื่อก่อตัว อย่างไรก็ตามจะเห็นได้ว่าในสถานะกราวด์ของอะตอมของคาร์บอนนั้นมีอิเล็กตรอนที่ไม่ได้จับคู่เพียงสองตัว (หนึ่งตัวในแต่ละออร์บิทัล 2p) ซึ่งหมายความว่าในสถานะนี้เป็นอะตอมดิวาเลนต์ดังนั้นจึงสร้างพันธะเพียงสองพันธะ (–C–)

แล้วอะตอมของคาร์บอนจะสร้างพันธะสี่พันธะได้อย่างไร? ในการทำเช่นนี้คุณต้องเลื่อนอิเล็กตรอนจากออร์บิทัล 2s ไปยังออร์บิทัล 2p ที่มีพลังงานสูงกว่า สิ่งนี้ทำให้เกิดออร์บิทัลสี่ตัวที่เสื่อมสภาพ กล่าวอีกนัยหนึ่งก็คือพวกมันมีพลังงานหรือความเสถียรเท่ากัน (สังเกตว่ามันอยู่ในแนวเดียวกัน)

กระบวนการนี้เรียกว่าไฮบริดไดเซชันและด้วยเหตุนี้อะตอมของคาร์บอนจึงมีออร์บิทัล sp ^{3 จำนวน 4}ออร์บิทัลที่มีอิเล็กตรอนหนึ่งตัวเพื่อสร้างพันธะสี่พันธะ เนื่องจากลักษณะของการเป็นเตตราวาเลนต์

SP

เมื่ออะตอมของคาร์บอนมีการผสมพันธ์ sp ³มันจะนำออร์บิทัลไฮบริดทั้งสี่ของมันไปยังจุดยอดของจัตุรมุขซึ่งเป็นรูปทรงเรขาคณิตอิเล็กทรอนิกส์

ดังนั้นจึงสามารถระบุคาร์บอน sp ³ได้เนื่องจากสร้างพันธะสี่อย่างง่ายๆเท่านั้นเช่นเดียวกับในโมเลกุลของมีเธน (CH ₄ ) และรอบ ๆ นี้สามารถสังเกตเห็นสภาพแวดล้อมแบบ tetrahedral

การทับซ้อนกันของวงโคจร sp ³มีประสิทธิภาพและเสถียรมากจน CC พันธะเดี่ยวมีเอนทาลปี 345.6 กิโลจูล / โมล สิ่งนี้อธิบายได้ว่าเหตุใดจึงมีโครงสร้างคาร์บอเนตที่ไม่มีที่สิ้นสุดและสารประกอบอินทรีย์จำนวนมากมายก่ายกอง นอกจากนี้อะตอมของคาร์บอนยังสามารถสร้างพันธะประเภทอื่น ๆ ได้

SP

ที่มา: Gabriel Bolívar

อะตอมของคาร์บอนยังสามารถใช้การผสมพันธุ์แบบอื่น ๆ ซึ่งจะทำให้เกิดพันธะคู่หรือสามพันธะ

ในการผสมพันธุ์ sp ²ดังที่เห็นในภาพมีวงโคจรsp ^{2 ที่}เสื่อมสภาพสามวงและวงโคจร 2p หนึ่งวงยังคงไม่เปลี่ยนแปลงหรือ "บริสุทธิ์" เมื่อวงโคจร sp ²สามวงห่างกัน 120 carbon คาร์บอนจะสร้างพันธะโควาเลนต์สามพันธะวาดรูปเรขาคณิตอิเล็กทรอนิกส์ของระนาบตรีโกณมิติ ในขณะที่วงโคจร 2p ตั้งฉากกับอีกสามวงจะสร้างพันธะπ: –C = C–

ในกรณีของการผสมพันธุ์ sp จะมีวงโคจร sp สองวงห่างกัน180ºในลักษณะที่วาดรูปเรขาคณิตอิเล็กทรอนิกส์เชิงเส้น คราวนี้พวกมันมีออร์บิทัลบริสุทธิ์ 2p สองตัวตั้งฉากซึ่งทำให้คาร์บอนสร้างพันธะสามหรือพันธะคู่สองพันธะ: –C≡C– หรือ·· C = C = C ·· (คาร์บอนกลางมี sp ไฮบริดไดเซชัน )

โปรดสังเกตว่า (โดยทั่วไป) เสมอ (โดยทั่วไป) หากเพิ่มพันธะรอบคาร์บอนจะพบว่าจำนวนนั้นเท่ากับสี่ ข้อมูลนี้จำเป็นอย่างยิ่งเมื่อวาดโครงสร้างลิวอิสหรือโครงสร้างโมเลกุล อะตอมของคาร์บอนที่สร้างพันธะห้าพันธะ (= C≡C) นั้นไม่สามารถยอมรับได้ในทางทฤษฎีและในการทดลอง

การจัดหมวดหมู่

อะตอมของคาร์บอนจำแนกได้อย่างไร? มากกว่าการจำแนกตามลักษณะภายในจริงๆแล้วมันขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมของโมเลกุล นั่นคือภายในโมเลกุลสามารถจำแนกอะตอมของคาร์บอนได้ดังต่อไปนี้

ประถม

คาร์บอนหลักคือคาร์บอนที่ถูกผูกไว้กับคาร์บอนอื่นเท่านั้น ตัวอย่างเช่นโมเลกุลอีเทน CH ₃ –CH ₃ประกอบด้วยคาร์บอนหลักสองตัวที่ถูกผูกมัด สิ่งนี้ส่งสัญญาณถึงจุดสิ้นสุดหรือจุดเริ่มต้นของโซ่คาร์บอน

รอง

เป็นหนึ่งที่เชื่อมโยงกับคาร์บอนสองอัน ดังนั้นสำหรับโมเลกุลโพรเพน CH ₃ - CH ₂ –CH ₃อะตอมของคาร์บอนกลางจึงเป็นธาตุทุติยภูมิ (หมู่เมทิลีน, –CH ₂ -)

ระดับอุดมศึกษา

คาร์บอนในระดับตติยภูมิแตกต่างจากส่วนที่เหลือเนื่องจากกิ่งก้านของโซ่หลักโผล่ออกมาจากพวกมัน ตัวอย่างเช่น 2-methylbutane (เรียกอีกอย่างว่า isopentane), CH ₃ - CH (CH ₃ ) –CH ₂ –CH ₃มีคาร์บอนในระดับตติยภูมิที่เน้นเป็นตัวหนา

ประกอบด้วยสี่

และในที่สุดควอเทอร์นารีคาร์บอนตามชื่อก็มีความเชื่อมโยงกับคาร์บอนอีกสี่อะตอม โมเลกุลนีโอเพนเทนC (CH ₃ ) ₄มีอะตอมคาร์บอนควอเทอร์นารี

การประยุกต์ใช้งาน

หน่วยมวลอะตอม

มวลอะตอมเฉลี่ย¹² C ใช้เป็นหน่วยวัดมาตรฐานในการคำนวณมวลขององค์ประกอบอื่น ๆ ดังนั้นไฮโดรเจนจึงมีน้ำหนักหนึ่งในสิบสองของไอโซโทปของคาร์บอนซึ่งใช้ในการกำหนดสิ่งที่เรียกว่าหน่วยมวลอะตอม u

ดังนั้นมวลอะตอมอื่น ๆ จึงสามารถเปรียบเทียบได้กับ¹² C และ¹ H ตัวอย่างเช่นแมกนีเซียม ( ²⁴ Mg) มีน้ำหนักประมาณสองเท่าของอะตอมของคาร์บอนและมากกว่าอะตอมไฮโดรเจน 24 เท่า

วัฏจักรและชีวิตของคาร์บอน

พืชดูดซับ CO ₂ในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงเพื่อปลดปล่อยออกซิเจนสู่บรรยากาศและทำหน้าที่เป็นปอดของพืช เมื่อพวกเขาตายพวกเขากลายเป็นถ่านซึ่งหลังจากการเผาไหม้เผยแพร่ CO ₂ อีกครั้ง ส่วนหนึ่งกลับไปที่พืช แต่อีกส่วนหนึ่งไปอยู่ที่เตียงทะเลซึ่งหล่อเลี้ยงจุลินทรีย์มากมาย

เมื่อจุลินทรีย์ตายของแข็งที่เหลืออยู่ในตะกอนจากการสลายตัวทางชีวภาพและหลังจากผ่านไปหลายล้านปีมันจะถูกเปลี่ยนเป็นสิ่งที่เรียกว่าน้ำมัน

เมื่อมนุษยชาติใช้น้ำมันนี้เป็นแหล่งพลังงานทดแทนในการเผาไหม้ถ่านหินจะมีส่วนช่วยในการปลดปล่อย CO ₂มากขึ้น(และก๊าซที่ไม่พึงปรารถนาอื่น ๆ )

ในทางกลับกันสิ่งมีชีวิตใช้อะตอมของคาร์บอนจากด้านล่างสุด เนื่องจากความเสถียรของพันธะซึ่งช่วยให้สามารถสร้างโซ่และโครงสร้างโมเลกุลที่ประกอบเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่ที่มีความสำคัญเช่นเดียวกับดีเอ็นเอ

NMR สเปกโทรสโกปี

¹³ C, แม้ว่ามันจะอยู่ในสัดส่วนที่ต่ำกว่ามากของ¹² C, ความอุดมสมบูรณ์ของพวกเขาจะเพียงพอที่จะชี้ให้เห็นโครงสร้างโมเลกุลนิวเคลียร์ด้วยคลื่นสนามแม่เหล็กสเปกโทรสโกคาร์บอน 13

ด้วยเทคนิคการวิเคราะห์นี้ทำให้สามารถระบุได้ว่าอะตอมใดล้อมรอบ¹³ C และอยู่ในหมู่ฟังก์ชันใด ดังนั้นจึงสามารถกำหนดโครงกระดูกคาร์บอนของสารประกอบอินทรีย์ใด ๆ ได้

อ้างอิง

1. Graham Solomons TW, Craig B.Fryhle เคมีอินทรีย์. เอมีน (พิมพ์ครั้งที่ 10) Wiley Plus.
2. Blake D. (4 พฤษภาคม 2018). ลักษณะสี่ประการของคาร์บอน ดึงมาจาก: sciencing.com
3. ราชสมาคมเคมี. (2018) ถ่านหิน. นำมาจาก: rsc.org
4. การทำความเข้าใจวิวัฒนาการ (เอสเอฟ) การเดินทางของอะตอมคาร์บอน ดึงมาจาก: evolution.berkeley.edu
5. สารานุกรมบริแทนนิกา. (14 มีนาคม 2561). ถ่านหิน. ดึงมาจาก: britannica.com
6. Pappas S. (29 กันยายน 2017). ข้อเท็จจริงเกี่ยวกับคาร์บอน ดึงมาจาก: livescience.com