탄소 원자는 삶의 그 덕분에 존재가 가능하기 때문에, 아마도 가장 중요하고 모든 요소의 상징이다. 그것은 그 자체로 몇 개의 전자, 또는 양성자와 중성자가있는 핵뿐만 아니라, 통합되어 살아있는 존재를 형성하는 별 먼지도 둘러싸고 있습니다.
또한 탄소 원자는 지각에서 발견되지만 철, 탄산염, 이산화탄소, 기름, 다이아몬드, 탄수화물 등과 같은 금속 원소와 비교할 수 없을 정도로 풍부하지는 않지만 탄소 원자는 그것의 물리적, 화학적 발현.
출처 : Gabriel Bolívar
그러나 탄소 원자는 어떻습니까? 정확하지 않은 첫 번째 스케치는 위의 이미지에서 볼 수있는 스케치이며, 그 특성은 다음 섹션에서 설명합니다.
탄소 원자는 대기, 바다, 심토, 식물 및 모든 동물 종을 통과합니다. 그것의 큰 화학적 다양성은 결합의 높은 안정성과 공간에 배치되는 방식 때문입니다. 따라서 한편으로는 부드럽고 윤활성있는 흑연이 있습니다. 다른 한편으로는 다이아몬드가 많은 재료의 경도를 능가합니다.
탄소 원자에 특징적인 특성이 없다면 유기 화학은 완전히 존재하지 않을 것입니다. 일부 선지자들은 동소체 구조 (탄소 나노 튜브, 그래 핀, 풀러렌 등)의 설계와 기능화를 통해 미래의 새로운 물질을보고 있습니다.
탄소 원자의 특성
탄소 원자는 문자 C로 상징됩니다. 원자 번호 Z는 6이므로 6 개의 양성자를 가지고 있습니다 (핵에 "+"기호가있는 빨간색 원). 또한 6 개의 중성자 ( "N"문자가있는 노란색 원)와 마지막으로 6 개의 전자 (파란색 별)가 있습니다.
원자 입자의 질량 합계는 12.0107 u의 평균 값을 제공합니다. 그러나 이미지의 원자 는 d로 구성된 탄소 12 ( 12 C) 동위 원소에 해당합니다 . 같은 다른 동위 원소, 13 C 및 14 C 덜 풍부은 중성자의 개수 만 변할.
따라서 이러한 동위 원소가 그려지면 13 C에는 추가 노란색 원이 있고 14 C에는 두 개가 더 있습니다. 이것은 논리적으로 그들이 더 무거운 탄소 원자임을 의미합니다.
이 외에도 이와 관련하여 어떤 다른 특성을 언급 할 수 있습니까? 그것은 4가, 즉 4 개의 공유 결합을 형성 할 수 있습니다. 주기율표의 그룹 14 (IVA), 특히 블록 p에 있습니다.
또한 주기율표의 거의 모든 원소와 결합 할 수있는 매우 다재다능한 원자입니다. 특히 그 자체로 선형, 분 지형 및 층류 거대 분자 및 중합체를 형성합니다.
구조
탄소 원자의 구조는 무엇입니까? 이 질문에 답하려면 먼저 전자 구성으로 이동해야합니다. 1s 2 2s 2 2p 2 또는 2s 2 2p 2 .
따라서 각각 2 개의 전자를 가진 1s 2 , 2s 2 및 2p 2의 세 가지 궤도가 있습니다 . 이것은 또한 위의 이미지에서 볼 수 있습니다. 각각 두 개의 전자 (파란색 별)가있는 세 개의 고리 (고리를 궤도로 착각하지 마십시오 : 궤도입니다).
그러나 2 개의 별은 나머지 4 개보다 파란색 음영이 더 짙습니다. 왜? 처음 두 개 는 화학 결합 형성에 직접 참여하지 않는 내부 층 1s 2 o에 해당하기 때문에 ; 외부 껍질의 전자 인 2s와 2p는 그렇게합니다.
s와 p 궤도는 같은 모양이 아니므로 그림에 나와있는 원자는 현실과 일치하지 않습니다. 전자와 핵 사이의 거리의 큰 불균형 외에도 수백 배 더 커야합니다.
따라서 탄소 원자의 구조는 전자가 흐릿한 전자 구름으로 "용융"되는 3 개의 궤도로 구성됩니다. 그리고 핵과이 전자들 사이에는 원자 내부의 거대한 "공극"을 드러내는 거리가 있습니다.
이종 교잡
탄소 원자는 4 가라고 앞서 언급했습니다. 전자 구성에 따르면 2s 전자는 쌍을 이루고 2p는 쌍을 이루지 않습니다.
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비어 있고 질소 원자 (2p 3 ) 에서 추가 전자로 채워진 하나의 사용 가능한 p 궤도가 있습니다 .
공유 결합의 정의에 따르면, 각 원자는 그 형성을 위해 전자에 기여할 필요가 있습니다. 그러나 탄소 원자의 기저 상태에서는 두 개의 비쌍 전자 (각 2p 궤도에 하나씩) 만 있음을 알 수 있습니다. 이것은이 상태에서 2가 원자이므로 두 개의 결합 (–C–) 만 형성한다는 것을 의미합니다.
그렇다면 탄소 원자가 4 개의 결합을 형성하는 것이 어떻게 가능할까요? 이를 위해서는 2s 궤도에서 더 높은 에너지의 2p 궤도로 전자를 승격시켜야합니다. 이렇게되면 결과적으로 4 개의 궤도가 퇴화됩니다. 즉, 동일한 에너지 또는 안정성을 갖습니다 (정렬됨에 유의하십시오).
이 과정을 혼성화라고하며, 그 덕분에 탄소 원자는 이제 4 개의 결합을 형성하기 위해 각각 하나의 전자 가있는 4 개의 sp 3 궤도를 가지고 있습니다. 이것은 4 가의 특성 때문입니다.
sp
탄소 원자가 sp 3 혼성화를 가질 때 4 개의 혼성 궤도를 전자 기하학 인 4 면체의 꼭지점으로 향하게합니다.
따라서 sp 3 탄소는 메탄 분자 (CH 4 ) 에서와 같이 4 개의 단순한 결합 만 형성하기 때문에 식별 할 수 있습니다 . 그리고이 주위에서 사면체 환경이 관찰 될 수 있습니다.
sp 3 궤도의 겹침 은 매우 효과적이고 안정적이어서 단일 결합 CC의 엔탈피는 345.6 kJ / mol입니다. 이것은 무한한 탄산염 구조와 헤아릴 수없는 수의 유기 화합물이있는 이유를 설명합니다. 이 외에도 탄소 원자는 다른 유형의 결합을 형성 할 수 있습니다.
sp
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탄소 원자는 또한 다른 혼성화를 채택하여 이중 또는 심지어 삼중 결합을 형성 할 수 있습니다.
이미지에서 볼 수 있듯이 sp 2 혼성화 에서는 3 개의 퇴화 sp 2 궤도가 있고 하나의 2p 궤도는 변경되지 않거나 "순수"상태로 유지됩니다. 3 개의 sp 2 궤도가 120º 떨어져있는 상태에서 탄소는 삼각 평면 전자 기하학을 그리는 3 개의 공유 결합을 형성합니다. 다른 3 개에 수직 인 2p 궤도에서는 π 결합을 형성합니다. –C = C–.
sp 혼성화의 경우, 선형 전자 기하학을 그리는 방식으로 180º 떨어져있는 두 개의 sp 궤도가 있습니다. 이번에는 탄소가 삼중 결합 또는 두 개의 이중 결합을 형성 할 수 있도록 서로 수직 인 두 개의 순수한 2p 궤도를 가지고 있습니다. –C≡C– 또는 ·· C = C = C ·· ).
항상 (일반적으로) 탄소 주변의 결합이 추가되면 그 수가 4와 같음을 알 수 있습니다. 이 정보는 루이스 구조 또는 분자 구조를 그릴 때 필수적입니다. 5 개의 결합을 형성하는 탄소 원자 (= C≡C)는 이론적으로나 실험적으로 허용되지 않습니다.
분류
탄소 원자는 어떻게 분류됩니까? 내부 특성에 의한 분류 이상으로 실제로 분자 환경에 따라 다릅니다. 즉, 분자 내에서 탄소 원자는 다음과 같이 분류 될 수 있습니다.
일 순위
1 차 탄소는 하나의 다른 탄소에만 결합 된 탄소입니다. 예를 들어, 에탄 분자 인 CH 3 –CH 3 은 2 개의 결합 된 1 차 탄소로 구성됩니다. 이것은 탄소 사슬의 끝 또는 시작을 나타냅니다.
중고등 학년
두 개의 탄소에 연결된 것입니다. 따라서 프로판 분자 CH 3 - CH 2 -CH 3 의 경우 중간 탄소 원자는 2 차 (메틸렌 그룹, -CH 2- )입니다.
제삼기
3 차 탄소는 주 사슬의 가지가 그들로부터 나오기 때문에 나머지 탄소와 다릅니다. 예를 들어 2- 메틸 부탄 (이소 펜탄이라고도 함), CH 3 - CH (CH 3 ) –CH 2 –CH 3 에는 굵게 강조 표시된 3 차 탄소가 있습니다.
네개 한 조인 것
마지막으로 4 차 탄소는 이름에서 알 수 있듯이 4 개의 다른 탄소 원자와 연결되어 있습니다. 네오 분자, C (CH 3 ) 4, 사차 탄소 원자를 갖는다.
응용
원자 질량 단위
평균 원자량 12 C는 다른 원소의 질량을 계산하는 표준 척도로서 사용된다. 따라서 수소는 원자 질량 단위 u로 알려진 것을 정의하는 데 사용되는이 탄소 동위 원소의 12 분의 1의 무게를가집니다.
따라서 다른 원자 질량은 12 C 및 1 H 의 원자 질량과 비교할 수 있습니다 . 예를 들어 마그네슘 ( 24 Mg)의 무게는 탄소 원자의 약 2 배, 수소 원자의 24 배 무게입니다.
탄소 순환과 수명
식물은 이산화탄소 흡수 2 대기에 산소를 해제하고 공장의 폐 역할을하는 광합성 과정에서. 죽으면 목탄이되고 연소 후 다시 CO2를 방출 합니다 . 한 부분은 식물로 돌아가고 다른 부분은 해저에 들어가 많은 미생물에 영양을 공급합니다.
미생물이 죽으면 고체는 생물학적 분해 퇴적물에 남아 있으며 수백만 년 후에는 기름으로 알려진 것으로 변합니다.
인류가 석탄 연소의 대체 에너지 원으로서이 오일을 사용하면,보다 CO의 방출에 기여 2 (및 기타 바람직하지 않은 가스).
반면에 생명체는 맨 아래의 탄소 원자를 사용합니다. 이것은 결합의 안정성으로 인해 DNA만큼 중요한 거대 분자를 구성하는 사슬과 분자 구조를 형성 할 수 있습니다.
NMR 분광법
(13) 가 훨씬 낮은 비율로하지만 C가 12 C, 그들의 풍부한 핵 자기 공명 분광법 탄소 (13)에 의해 분자 구조를 명료하게하기에 충분하다.
이 분석 기술 덕분에 13 C를 둘러싸고있는 원자 와 이들이 속한 작용기 를 결정할 수 있습니다. 따라서 모든 유기 화합물의 탄소 골격을 결정할 수 있습니다.
참고 문헌
- Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. 유기 화학. 아민. (10 판) Wiley Plus.
- Blake D. (2018 년 5 월 4 일). 탄소의 4 가지 특성. 출처 : sciencing.com
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