NGUYÊN TỬ CACBON: ĐẶC ĐIỂM, CẤU TẠO, LAI HÓA - HÓA HỌC - 2025

Nguyên tử cacbon có lẽ là nguyên tố quan trọng nhất và mang tính biểu tượng trong tất cả các nguyên tố, bởi vì nhờ nó mà sự sống mới có thể tồn tại được. Nó chứa trong mình không chỉ một vài electron, hoặc một hạt nhân với proton và neutron, mà còn bao gồm bụi sao, cuối cùng kết hợp lại và tạo thành các sinh vật sống.

Tương tự như vậy, các nguyên tử cacbon được tìm thấy trong vỏ trái đất, mặc dù không nhiều so với các nguyên tố kim loại như sắt, cacbonat, cacbon đioxit, dầu, kim cương, cacbohydrat, v.v., nhưng chúng là một phần của các biểu hiện vật lý và hóa học của nó.

Nguồn: Gabriel Bolívar

Nhưng nguyên tử cacbon như thế nào? Bản phác thảo đầu tiên không chính xác là bản được nhìn thấy trong hình trên, có các đặc điểm được mô tả trong phần tiếp theo.

Các nguyên tử cacbon chạy qua bầu khí quyển, biển, lòng đất, thực vật và bất kỳ loài động vật nào. Sự đa dạng hóa học tuyệt vời của nó là do tính ổn định cao của các liên kết và cách sắp xếp chúng trong không gian. Như vậy, bạn có một mặt than chì mịn và bôi trơn; và mặt khác, kim cương, có độ cứng vượt qua nhiều vật liệu.

Nếu nguyên tử cacbon không có các phẩm chất đặc trưng cho nó, thì hóa học hữu cơ sẽ không tồn tại hoàn toàn. Một số người có tầm nhìn xa nhìn thấy trong đó những vật liệu mới của tương lai, thông qua thiết kế và chức năng hóa các cấu trúc dị hướng của chúng (ống nano cacbon, graphene, fullerenes, v.v.).

Đặc điểm của nguyên tử cacbon

Nguyên tử cacbon được ký hiệu bằng chữ C. Số nguyên tử Z của nó là 6, do đó nó có sáu proton (các vòng tròn màu đỏ với ký hiệu "+" trong hạt nhân). Ngoài ra, nó còn có sáu neutron (vòng tròn màu vàng với chữ "N") và cuối cùng là sáu electron (sao xanh).

Tổng khối lượng của các hạt nguyên tử của nó cho giá trị trung bình là 12,0107 u. Tuy nhiên, nguyên tử trong hình ảnh tương ứng với đồng vị cacbon 12 ( ¹² C), bao gồm d. Các đồng vị khác, chẳng hạn như ¹³ C và ¹⁴ C, ít phong phú hơn, chỉ khác nhau về số lượng neutron.

Do đó, nếu các đồng vị này được vẽ, ¹³ C sẽ có thêm một vòng tròn màu vàng, và ¹⁴ C sẽ có thêm hai. Điều này hợp lý có nghĩa là chúng là các nguyên tử cacbon nặng hơn.

Ngoài điều này, những đặc điểm nào khác có thể được đề cập trong vấn đề này? Nó là tứ hóa trị, tức là, nó có thể tạo thành bốn liên kết cộng hóa trị. Nó nằm ở nhóm 14 (IVA) của bảng tuần hoàn, cụ thể hơn là ở khối p.

Nó cũng là một nguyên tử rất linh hoạt, có khả năng liên kết với hầu hết các nguyên tố trong bảng tuần hoàn; đặc biệt là với chính nó, tạo thành các đại phân tử và polyme mạch thẳng, phân nhánh và nhiều lớp.

Kết cấu

Cấu trúc của nguyên tử cacbon là gì? Để trả lời câu hỏi này, trước tiên bạn phải đi đến cấu hình điện tử của nó: 1s ² 2s ² 2p ² hoặc 2s ² 2p ² .

Do đó, có ba obitan: 1s ² , 2s ² và 2p ² , mỗi obitan có hai electron. Điều này cũng có thể được nhìn thấy trong hình trên: ba vòng với hai điện tử (sao xanh) mỗi vòng (đừng nhầm các vòng với quỹ đạo: chúng là obitan).

Tuy nhiên, lưu ý rằng hai trong số các ngôi sao có màu xanh lam đậm hơn bốn ngôi sao còn lại. Tại sao? Vì hai phần đầu tương ứng với lớp bên trong 1s ² o, không tham gia trực tiếp vào việc hình thành liên kết hóa học; trong khi các electron ở lớp vỏ ngoài cùng, 2s và 2p, thì có.

Các obitan s và p không có hình dạng giống nhau, vì vậy nguyên tử được minh họa không phù hợp với thực tế; cộng với sự chênh lệch lớn về khoảng cách giữa các electron và hạt nhân, nên lớn hơn hàng trăm lần.

Do đó, cấu trúc của nguyên tử cacbon bao gồm ba obitan ở đó các điện tử "tan chảy" thành các đám mây điện tử mờ. Và giữa hạt nhân và các electron này có một khoảng cách làm lộ ra "khoảng trống" bao la bên trong nguyên tử.

Lai ghép

Trước đó, người ta đã đề cập rằng nguyên tử cacbon là nguyên tử hóa trị bốn. Theo cấu hình điện tử của nó, các điện tử 2s của nó được ghép đôi và 2p không được ghép đôi:

Nguồn: Gabriel Bolívar

Có một obitan p có sẵn, trống và chứa thêm một electron ở nguyên tử nitơ (2p ³ ).

Theo định nghĩa của liên kết cộng hóa trị, mỗi nguyên tử đóng góp một electron cho sự hình thành của nó; tuy nhiên, có thể thấy rằng ở trạng thái cơ bản của nguyên tử cacbon, nó chỉ có hai electron chưa ghép đôi (một trong mỗi obitan 2p). Điều này có nghĩa là ở trạng thái này, nó là một nguyên tử hóa trị hai, và do đó, nó chỉ tạo thành hai liên kết (–C–).

Vậy làm thế nào để nguyên tử cacbon có thể hình thành liên kết bốn? Để làm được điều này, bạn phải xúc tiến một electron từ quỹ đạo 2s sang quỹ đạo 2p năng lượng cao hơn. Điều này được thực hiện, bốn quỹ đạo kết quả là suy biến; nói cách khác, chúng có cùng năng lượng hoặc độ ổn định (lưu ý rằng chúng thẳng hàng).

Quá trình này được gọi là lai hóa, và nhờ nó, nguyên tử cacbon bây giờ có bốn obitan sp ³ với một electron mỗi obitan để tạo thành bốn liên kết. Điều này là do đặc tính của nó là hóa trị bốn.

sp

Khi nguyên tử cacbon có sự lai hóa sp ³ , nó định hướng bốn obitan lai hóa của nó đến các đỉnh của một tứ diện, đó là hình học điện tử của nó.

Do đó, một carbon sp ³ có thể được xác định vì nó chỉ tạo thành bốn liên kết đơn giản, như trong phân tử metan (CH ₄ ). Và xung quanh đây có thể quan sát thấy một môi trường tứ diện.

Sự xen phủ của ³ obitan sp hiệu quả và bền vững đến mức liên kết đơn CC có entanpi là 345,6 kJ / mol. Điều này giải thích tại sao có vô số cấu trúc cacbonat và vô số các hợp chất hữu cơ. Bên cạnh đó, các nguyên tử cacbon có thể hình thành các loại liên kết khác.

sp

Nguồn: Gabriel Bolívar

Nguyên tử cacbon cũng có khả năng áp dụng các dạng lai hóa khác, cho phép nó tạo thành liên kết đôi hoặc thậm chí là liên kết ba.

Trong phép lai hóa sp ² , như trong hình, có ba obitan sp ² suy biến và một obitan 2p không thay đổi hoặc "nguyên chất". Với ba obitan sp ² cách nhau 120º, cacbon tạo thành ba liên kết cộng hóa trị vẽ nên một hình học điện tử phẳng tam giác; còn với obitan 2p, vuông góc với ba obitan kia, nó tạo thành liên kết π: –C = C–.

Trong trường hợp lai hóa sp, có hai obitan sp cách nhau 180º, sao cho chúng vẽ một dạng hình học điện tử tuyến tính. Lần này, chúng có hai obitan 2p thuần khiết, vuông góc với nhau, cho phép cacbon tạo liên kết ba hoặc hai liên kết đôi: –C≡C– hoặc ·· C = C = C ·· (cacbon trung tâm có sự lai hóa sp ).

Lưu ý rằng luôn luôn (nói chung) nếu các liên kết xung quanh carbon được thêm vào thì sẽ thấy rằng số lượng bằng bốn. Thông tin này rất cần thiết khi vẽ cấu trúc Lewis hoặc cấu trúc phân tử. Về mặt lý thuyết và thực nghiệm, một nguyên tử cacbon tạo thành năm liên kết (= C≡C) là không thể chấp nhận được.

Phân loại

Nguyên tử cacbon được phân loại như thế nào? Hơn cả sự phân loại theo đặc điểm bên trong, nó thực sự phụ thuộc vào môi trường phân tử. Nghĩa là, trong một phân tử, các nguyên tử cacbon của nó có thể được phân loại theo như sau.

Sơ cấp

Carbon chính là carbon chỉ liên kết với một carbon khác. Ví dụ, phân tử etan, CH ₃ –CH ₃ bao gồm hai nguyên tử nguyên tố liên kết với nhau. Điều này báo hiệu sự kết thúc hoặc bắt đầu của một chuỗi carbon.

Thứ hai

Nó là một liên kết với hai cacbon. Do đó, đối với phân tử propan, CH ₃ - CH ₂ –CH ₃ , nguyên tử cacbon ở giữa là thứ cấp (nhóm metylen, –CH ₂ -).

Cấp ba

Các nguyên tử bậc ba khác với các nguyên tử còn lại vì các nhánh của chuỗi chính xuất hiện từ chúng. Ví dụ, 2-metylbutan (còn gọi là isopentan), CH ₃ – CH (CH ₃ ) –CH ₂ –CH ₃ có cacbon bậc ba được tô đậm.

Đệ tứ

Và cuối cùng, các nguyên tử cacbon bậc bốn, như tên gọi của chúng, được liên kết với bốn nguyên tử cacbon khác. Phân tử neopentan, C (CH ₃ ) _4, có một nguyên tử cacbon bậc bốn.

Các ứng dụng

Đơn vị khối lượng nguyên tử

Nguyên tử khối trung bình của ¹² C được dùng làm thước đo tiêu chuẩn để tính khối lượng của các nguyên tố khác. Do đó, hydro nặng bằng một phần mười hai đồng vị này của carbon, được sử dụng để định nghĩa cái được gọi là đơn vị khối lượng nguyên tử u.

Do đó, các khối lượng nguyên tử khác có thể được so sánh với khối lượng ¹² C và ¹ H. Ví dụ, magiê ( ²⁴ Mg) nặng xấp xỉ hai lần nguyên tử cacbon và gấp 24 lần nguyên tử hiđrô.

Vòng đời và chu kỳ carbon

Thực vật hấp thụ CO ₂ trong quá trình quang hợp để giải phóng ôxy vào khí quyển và hoạt động như lá phổi của thực vật. Khi chết đi, chúng trở thành than củi, sau khi đốt cháy sẽ giải phóng CO _{2 trở lại} . Một phần quay trở lại thực vật, nhưng phần khác lại nằm dưới đáy biển, nuôi dưỡng nhiều vi sinh vật.

Khi các vi sinh vật chết đi, chất rắn còn lại trong các trầm tích phân hủy sinh học của nó, và sau hàng triệu năm, nó được chuyển hóa thành chất được gọi là dầu.

Khi loài người sử dụng dầu này như một nguồn năng lượng thay thế cho việc đốt than, nó góp phần giải phóng nhiều CO ₂ (và các khí không mong muốn khác).

Mặt khác, sự sống sử dụng các nguyên tử cacbon từ tận đáy. Điều này là do sự ổn định của các liên kết của nó, cho phép nó hình thành các chuỗi và cấu trúc phân tử tạo nên các đại phân tử quan trọng như DNA.

Quang phổ NMR

Các ¹³ C, mặc dù nó là một tỷ lệ thấp hơn nhiều của ¹² C, phong phú của họ là đủ để làm sáng tỏ cấu trúc phân tử của cộng hưởng từ hạt nhân phổ carbon 13.

Nhờ kỹ thuật phân tích này, người ta có thể xác định được nguyên tử nào bao quanh ¹³ C và chúng thuộc về nhóm chức nào. Do đó, có thể xác định được khung carbon của bất kỳ hợp chất hữu cơ nào.

Người giới thiệu

1. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. Hóa học hữu cơ. Các amin. (Tái bản lần thứ 10.) Wiley Plus.
2. Blake D. (ngày 4 tháng 5 năm 2018). Bốn đặc tính của Carbon. Phục hồi từ: sciining.com
3. Hiệp hội Hóa học Hoàng gia. (2018). Than đá. Lấy từ: rsc.org
4. Hiểu biết về sự tiến hóa. (sf). Hành trình của một nguyên tử cacbon. Phục hồi từ: Evolution.berkeley.edu
5. Encyclopædia Britannica. (Ngày 14 tháng 3 năm 2018). Than đá. Phục hồi từ: britannica.com
6. Pappas S. (ngày 29 tháng 9 năm 2017). Sự thật về Carbon. Phục hồi từ: livescience.com