Átomo de carbono: características, estrutura, hibridação

O átomo de carbono é talvez o mais importante e emblemático de todos os elementos, porque graças a ele a existência da vida é possível. Contém em si não apenas alguns elétrons, ou um núcleo com prótons e nêutrons, mas também poeira estelar, que acaba incorporada e forma seres vivos .

Da mesma forma, átomos de carbono são encontrados na crosta terrestre, embora não com abundância comparável a elementos metálicos como ferro , carbonatos, dióxido de carbono, petróleo, diamantes, carboidratos , etc. suas manifestações físicas e químicas.

Átomo de carbono: características, estrutura, hibridação 1

Fonte: Gabriel Bolívar

Mas como está o átomo de carbono? Um primeiro esboço impreciso é o visto na imagem acima, cujas características são descritas na seção a seguir.

Os átomos de carbono viajam pela atmosfera, mares, subsolo, plantas e qualquer espécie animal. Sua grande diversidade química se deve à alta estabilidade de seus elos e à maneira como eles estão dispostos no espaço. Assim, temos grafite macia e lubrificante; por outro, o diamante cuja dureza excede a de muitos materiais.

Se o átomo de carbono não tivesse as qualidades que o caracterizam, a química orgânica não existiria completamente. Alguns visionários veem nele os novos materiais do futuro, através do design e funcionalização de suas estruturas alotrópicas (nanotubos de carbono, grafeno, fulerenos, etc.).

Características do átomo de carbono

O átomo de carbono é simbolizado com a letra C. Seu número atômico Z é 6, portanto, possui seis prótons (círculos vermelhos com o símbolo “+” no núcleo). Além disso, possui seis nêutrons (círculos amarelos com a letra “N”) e, finalmente, seis elétrons (as estrelas azuis).

A soma das massas de suas partículas atômicas dá um valor médio de 12,0107 u. No entanto, o átomo da imagem corresponde ao isótopo de carbono 12 ( 12 C), que consiste em d. Outros isótopos, como 13 ° C e 14 ° C, menos abundantes, variam apenas no número de nêutrons.

Assim, se esses isótopos fossem desenhados, 13 C teriam um círculo amarelo adicional e 14 C, mais dois. Isso significa logicamente que eles são átomos de carbono mais pesados.

Além disso, que outros recursos podem ser mencionados? É tetravalente, ou seja, pode formar quatro ligações covalentes . Está localizado no grupo 14 (IVA) da tabela periódica, mais especificamente no bloco p.

É também um átomo muito versátil, capaz de se conectar com quase todos os elementos da tabela periódica ; especialmente consigo mesmo, formando macromoléculas e polímeros lineares, ramificados e laminares.

Estrutura

Qual é a estrutura de um átomo de carbono? Para responder a essa pergunta, você deve primeiro acessar sua configuração eletrônica: 1s 2 2s 2 2p 2 ou [He] 2s 2 2p 2 .

Portanto, existem três orbitais: o 1s 2 , o 2s 2 e o 2p 2 , cada um com dois elétrons. Isso também pode ser visto na imagem acima: três anéis com dois elétrons (estrelas azuis) cada (não confunda os anéis com órbitas: são orbitais).

Note, no entanto, que duas das estrelas têm uma tonalidade mais escura de azul do que as quatro restantes. Porque Porque os dois primeiros correspondem à camada interna 1s 2 ou [He], que não participa diretamente da formação de ligações químicas ; enquanto os elétrons na camada externa, 2s e 2p, sim.

Os orbitais syp não têm a mesma forma, portanto o átomo ilustrado não concorda com a realidade; além da grande desproporção da distância entre os elétrons e o núcleo, que deve ser centenas de vezes maior.

Portanto, a estrutura do átomo de carbono consiste em três orbitais onde os elétrons “derretem” em nuvens eletrônicas borradas. E entre o núcleo e esses elétrons, existe uma distância que revela o imenso “vazio” dentro do átomo.

Hibridização

Foi mencionado anteriormente que o átomo de carbono é tetravalente. De acordo com sua configuração eletrônica, seus elétrons 2s estão emparelhados e o 2p está ausente:

Átomo de carbono: características, estrutura, hibridação 2

Fonte: Gabriel Bolívar

Existe um orbital p disponível, vazio e preenchido com um elétron adicional no átomo de nitrogênio (2p 3 ).

De acordo com a definição da ligação covalente, cada átomo precisa fornecer um elétron para sua formação; no entanto, pode-se ver que no estado basal do átomo de carbono, ele mal tem dois elétrons ausentes (um em cada orbital 2p). Isso significa que, nesse estado, é um átomo divalente e, portanto, forma apenas duas ligações (–C–).

Então, como é possível que o átomo de carbono forme quatro ligações? Para fazer isso, você deve promover um elétron do orbital 2s para o orbital 2p de maior energia. Feito isso, os quatro orbitais resultantes são degenerados ; em outras palavras, eles têm a mesma energia ou estabilidade (observe que estão alinhados).

Esse processo é conhecido como hibridação e, graças a ele, agora o átomo de carbono tem quatro orbitais sp 3 com um elétron cada um para formar quatro ligações. Isto é devido à sua característica de ser tetravalente.

sp 3

Quando o átomo de carbono tem uma hibridação sp três , quatro híbridos orienta os cantos de um tetraedro, que é a geometria orbital electrónico.

Assim, pode-se identificar um sp carbono 3 porque só forma quatro ligações simples, como na molécula de metano (CH 4 ). E ao seu redor um ambiente tetraédrico pode ser observado.

A sobreposição de orbitais sp 3 é tão eficaz e estável, que tem um único CC entalpia de ligação de 345,6 kJ / mol. Isso explica por que existem infinitas estruturas de carbono e um número imensurável de compostos orgânicos. Além disso, os átomos de carbono podem formar outros tipos de ligações.

sp 2 e sp

Átomo de carbono: características, estrutura, hibridação 3

Fonte: Gabriel Bolívar

O átomo de carbono também é capaz de adotar outras hibridizações, o que lhe permitirá formar uma ligação dupla ou tripla.

A hibridao sp 2 , como pode ser visto na imagem, existem três orbitais sp 2 degenerados e 2p restos orbitais inalterada ou “pura”. Com os três sp orbital dois 120 ° entre si, três formas de carbono ligações covalentes que desenham um plano trigonal electrónica geometria; enquanto que com o orbital 2p, perpendicular aos outros três, ele forma um link π: –C = C–.

No caso da hibridação sp, existem dois orbitais sp separados a 180º, para que eles desenhem uma geometria eletrônica linear. Desta vez, eles têm dois orbitais 2p puros, perpendiculares entre si, que permitem ao carbono formar ligações triplas ou duas ligações duplas: –C≡C– ou ·· C = C = C ·· (o carbono central tem hibridação sp )

Observe que sempre (geralmente) se as ligações ao redor do carbono forem adicionadas, o número será igual a quatro. Esta informação é essencial ao desenhar estruturas de Lewis ou estruturas moleculares. Um átomo de carbono formando cinco ligações (= C≡C) é teórica e experimentalmente inadmissível.

Classificação

Como os átomos de carbono são classificados? Mais do que uma classificação por características internas, depende realmente do ambiente molecular. Ou seja, dentro de uma molécula, seus átomos de carbono podem ser classificados de acordo com o seguinte.

Primário

Um carbono primário é aquele que está vinculado apenas a outro carbono. Por exemplo, a molécula de etano, CH 3 -CH 3 consiste em dois átomos de carbono primários ligados. Isso marca o fim ou o começo de uma cadeia de carbono.

Secundário

É aquele que está ligado a dois carbonos. Assim, para a molécula de propano, CH 3CH 2 -CH 3 , o átomo de carbono do meio é (o grupo metileno -CH secundária 2 -).

Terciário

Os carbonos terciários diferem dos demais porque deles emergem ramificações da cadeia principal. Por exemplo, 2-metilbutano (também chamado isopentano), CH 3CH (CH 3 ) –CH 2 –CH 3 possui um carbono terciário destacado em negrito.

Quaternário

E finalmente, os carbonos quaternários, como o nome indica, estão ligados a outros quatro átomos de carbono. molécula neopentano, C (CH 3 ) 4 tem um átomo de carbono quaternário.

Usos

Unidade de massa atômica

A massa atômica média de 12 C é usada como uma medida padrão para o cálculo das massas dos outros elementos. Assim, o hidrogênio pesa a décima segunda parte desse isótopo de carbono, que é usado para definir o que é conhecido como unidade de massa atômica u.

Assim, as outras massas atômicas podem ser comparadas com as de 12 C e 1 H. Por exemplo, o magnésio ( 24 Mg) pesa aproximadamente duas vezes mais que um átomo de carbono e 24 vezes mais que um átomo de hidrogênio.

Ciclo de carbono e vida

As plantas absorvem CO 2 no processo da fotossíntese para libertar oxigénio na atmosfera e actuar como pulmões de plantas. Na morte, eles se tornaram carvão, que depois de queimar novamente liberado CO 2 . Uma parte retorna às plantas, mas outra termina nos fundos marinhos, nutrindo muitos microorganismos.

Quando os microrganismos morrem, o sólido remanescente à sua decomposição biológica sedimentar e, após milhões de anos, é transformado no que é conhecido como petróleo.

Quando a humanidade utiliza deste óleo como uma fonte alternativa de energia queima de carvão, em que contribui para a libertação de mais de CO 2 (e de outros gases indesejáveis).

Por outro lado, a vida usa átomos de carbono do fundo de suas fundações. Isso se deve à estabilidade de suas ligações, o que lhe permite formar cadeias e estruturas moleculares que compõem macromoléculas tão importantes quanto o DNA.

Espectroscopia de RMN de 13 C

A 13 C, mas está numa proporção muito menor do que a 12 C, a sua abundância é suficiente para elucidar as estruturas moleculares por espectroscopia de ressonância magnética nuclear de carbono 13.

Com esta técnica de análise pode determinar quais os átomos de cercar 13 C e que os grupos funcionais pertencem. Assim, o esqueleto de carbono de qualquer composto orgânico pode ser determinado.

Referências

  1. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. Química Orgânica Aminas (10ª edição.) Wiley Plus.
  2. Blake D. (4 de maio de 2018). Quatro características do carbono. Recuperado de: sciencing.com
  3. Sociedade Real de Química. (2018). Carbono Retirado de: rsc.org
  4. Compreendendo a evolução (sf). Viagem de um átomo de carbono. Recuperado de: evolution.berkeley.edu
  5. Encyclopædia Britannica. (14 de março de 2018). Carbono Recuperado de: britannica.com
  6. Pappas S. (29 de setembro de 2017). Fatos sobre carbono. Recuperado de: livescience.com

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