ذرة الكربون: الخصائص ، الهيكل ، التهجين - كيمياء - 2026

على ذرة كربون وربما كان الأكثر أهمية ورمزية من جميع العناصر، لأن ذلك بفضل وجود حياة ممكن. إنه يحوي في حد ذاته ليس فقط عددًا قليلاً من الإلكترونات ، أو نواة بالبروتونات والنيوترونات ، ولكن أيضًا غبار النجوم ، الذي ينتهي به الأمر ويشكل كائنات حية.

أيضًا ، توجد ذرات الكربون في القشرة الأرضية ، وإن لم تكن بوفرة مماثلة للعناصر المعدنية مثل الحديد والكربونات وثاني أكسيد الكربون والزيت والماس والكربوهيدرات وما إلى ذلك ، فهي جزء من مظاهره الفيزيائية والكيميائية.

المصدر: غابرييل بوليفار

لكن كيف تبدو ذرة الكربون؟ الرسم الأول غير الدقيق هو الذي يظهر في الصورة أعلاه ، ويتم وصف خصائصه في القسم التالي.

تمر ذرات الكربون عبر الغلاف الجوي والبحار وباطن التربة والنباتات وأي نوع من الحيوانات. يرجع تنوعها الكيميائي الكبير إلى الاستقرار العالي في روابطها والطريقة التي يتم بها ترتيبها في الفضاء. وبالتالي ، لديك من ناحية الجرافيت السلس والمزلق ؛ ومن ناحية أخرى ، الماس ، الذي تفوق صلابته صلابة العديد من المواد.

إذا لم تكن ذرة الكربون تمتلك الصفات التي تميزها ، فلن توجد الكيمياء العضوية تمامًا. يرى بعض الحالمين فيه المواد الجديدة للمستقبل ، من خلال تصميم وتفعيل هياكلها المتآصلة (الأنابيب النانوية الكربونية ، الجرافين ، الفوليرين ، إلخ).

خصائص ذرة الكربون

ذرة الكربون يرمز لها بالحرف C. رقمها الذري Z هو 6 ، لذلك فهي تحتوي على ستة بروتونات (دوائر حمراء برمز "+" في النواة). بالإضافة إلى ذلك ، يحتوي على ستة نيوترونات (دوائر صفراء بحرف "N") وأخيراً ستة إلكترونات (نجوم زرقاء).

يعطي مجموع كتل جسيماتها الذرية متوسط ​​قيمة 12.0107 ش. ومع ذلك ، فإن الذرة في الصورة تتوافق مع نظير الكربون 12 (¹² درجة مئوية) ، والذي يتكون من د. تختلف النظائر الأخرى ، مثل ¹³ درجة مئوية و ¹⁴ درجة مئوية ، الأقل وفرة ، فقط في عدد النيوترونات.

وبالتالي ، إذا تم رسم هذه النظائر ، فإن ¹³ C سيكون لها دائرة صفراء إضافية ، و ¹⁴ C سيكون لها اثنين آخرين. هذا يعني منطقيًا أنها ذرات كربون أثقل.

بالإضافة إلى ذلك ، ما هي الخصائص الأخرى التي يمكن ذكرها في هذا الصدد؟ إنه رباعي التكافؤ ، أي أنه يمكن أن يشكل أربعة روابط تساهمية. وهي تقع في المجموعة 14 (IVA) من الجدول الدوري ، وبشكل أكثر تحديدًا في المجموعة p.

إنها أيضًا ذرة متعددة الاستخدامات ، قادرة على الترابط مع جميع عناصر الجدول الدوري تقريبًا ؛ خاصة مع نفسها ، وتشكيل الجزيئات والبوليمرات الخطية والمتفرعة والرققية.

بناء

ما هو هيكل ذرة الكربون؟ للإجابة على هذا السؤال ، عليك أولاً الانتقال إلى التكوين الإلكتروني: 1s ² 2s ² 2p ² أو 2s ² 2p ².

لذلك ، هناك ثلاثة مدارات: 1s ² و 2s ² و 2p ² ، ولكل منها إلكترونان. يمكن رؤية هذا أيضًا في الصورة أعلاه: ثلاث حلقات مع إلكترونين (نجوم زرقاء) لكل منهما (لا تخطئ في الحلقات من أجل المدارات: فهي مدارات).

لاحظ ، مع ذلك ، أن اثنين من النجوم لهما ظل أزرق أغمق من الأربعة المتبقية. لماذا ا؟ لأن الأولين يتوافقان مع الطبقة الداخلية 1s ² o ، والتي لا تشارك مباشرة في تكوين الروابط الكيميائية ؛ بينما تعمل الإلكترونات الموجودة في الغلاف الخارجي ، 2s و 2p.

المدارات s و p ليس لها نفس الشكل ، لذا فإن الذرة المصورة لا تتفق مع الواقع ؛ بالإضافة إلى التفاوت الكبير في المسافة بين الإلكترونات والنواة ، والتي يجب أن تكون أكبر بمئات المرات.

لذلك ، تتكون بنية ذرة الكربون من ثلاثة مدارات حيث "تذوب" الإلكترونات في سحب إلكترونية غير واضحة. وبين النواة وهذه الإلكترونات توجد مسافة تكشف "الفراغ" الهائل داخل الذرة.

تهجين

ذكرنا سابقًا أن ذرة الكربون رباعي التكافؤ. وفقًا لتكوينه الإلكتروني ، يتم إقران إلكترونات 2s وإلغاء ازدواج 2p:

المصدر: غابرييل بوليفار

يوجد مدار p واحد متاح ، وهو فارغ ومليء بإلكترون إضافي في ذرة النيتروجين (2p ³).

وفقًا لتعريف الرابطة التساهمية ، من الضروري أن تساهم كل ذرة بإلكترون في تكوينها ؛ ومع ذلك ، يمكن ملاحظة أنه في الحالة الأرضية لذرة الكربون ، تحتوي فقط على إلكترونين غير متزاوجين (واحد في كل مدار 2p). هذا يعني أنه في هذه الحالة تكون ذرة ثنائية التكافؤ ، وبالتالي ، فإنها تشكل رابطتين فقط (–C–).

إذن كيف يمكن لذرة الكربون أن تشكل أربع روابط؟ للقيام بذلك ، يجب أن تقوم بترقية إلكترون من مدار 2s إلى مدار 2p عالي الطاقة. عند القيام بذلك ، تتدهور المدارات الأربعة الناتجة ؛ بمعنى آخر ، لديهم نفس الطاقة أو الاستقرار (لاحظ أنهما متوازيان).

تُعرف هذه العملية باسم التهجين ، وبفضلها ، تحتوي ذرة الكربون الآن على أربعة مدارات sp ³ مع إلكترون واحد لكل منها لتشكيل أربع روابط. هذا يرجع إلى صفة كونه رباعي التكافؤ.

ص

عندما تحتوي ذرة الكربون على تهجين sp ³ ، فإنها توجه مداراتها الهجينة الأربعة إلى رؤوس رباعي الوجوه ، وهي هندستها الإلكترونية.

وبالتالي ، يمكن تحديد الكربون sp ³ لأنه يشكل فقط أربعة روابط بسيطة ، كما هو الحال في جزيء الميثان (CH ₄). وحول هذا يمكن ملاحظة بيئة رباعية السطوح.

يعتبر التداخل بين المدارات sp ³ فعالاً ومستقرًا لدرجة أن الرابطة المفردة CC لها محتوى حراري يبلغ 345.6 كيلو جول / مول. وهذا يفسر سبب وجود هياكل كربونية لا حصر لها وعدد لا حصر له من المركبات العضوية. إلى جانب ذلك ، يمكن لذرات الكربون أن تشكل أنواعًا أخرى من الروابط.

ص

المصدر: غابرييل بوليفار

ذرة الكربون قادرة أيضًا على تبني عمليات تهجين أخرى ، والتي ستسمح لها بتكوين رابطة مزدوجة أو حتى ثلاثية.

في التهجين sp ² ، كما هو موضح في الصورة ، هناك ثلاثة مدارات متدرجة sp ² ويبقى مدار 2p واحدًا دون تغيير أو "نقي". مع المدارات الثلاثة sp ^{2 على} حدة 120 درجة ، يشكل الكربون ثلاثة روابط تساهمية ترسم هندسة إلكترونية مثلثية الشكل ؛ بينما مع المدار 2p ، المتعامد مع الثلاثة الأخرى ، فإنه يشكل رابطة π: –C = C-.

في حالة تهجين sp ، يوجد مداريان sp بزاوية 180 درجة ، بحيث يرسمان هندسة إلكترونية خطية. هذه المرة ، لديهم مداريان نقيان 2p ، متعامدين مع بعضهما البعض ، مما يسمح للكربون بتكوين روابط ثلاثية أو روابط مزدوجة: –C≡C- أو ·· C = C = C ·· (يحتوي الكربون المركزي على تهجين sp).

لاحظ أنه دائمًا (بشكل عام) إذا تمت إضافة الروابط حول الكربون ، فسيوجد أن الرقم يساوي أربعة. هذه المعلومات ضرورية عند رسم هياكل لويس أو الهياكل الجزيئية. ذرة كربون تشكل خمس روابط (= C≡C) غير مقبولة نظريًا وتجريبيًا.

تصنيف

كيف يتم تصنيف ذرات الكربون؟ أكثر من تصنيف حسب الخصائص الداخلية ، فهو في الواقع يعتمد على البيئة الجزيئية. أي أنه داخل الجزيء يمكن تصنيف ذرات الكربون وفقًا لما يلي.

ابتدائي

الكربون الأساسي هو الكربون المرتبط بكربون واحد آخر. على سبيل المثال، فإن جزيء الايثان، CH ₃ -CH ₃ يتكون من اثنين من الكربون الابتدائية المستعبدين. هذا يشير إلى نهاية أو بداية سلسلة الكربون.

ثانوي

إنه واحد مرتبط باثنين من الكربون. وهكذا ، بالنسبة لجزيء البروبان ، CH ₃ - CH ₂ –CH ₃ ، تكون ذرة الكربون الوسطى ثانوية (مجموعة الميثيلين ، –CH ₂ -).

بعد الثانوي

تختلف ذرات الكربون من الدرجة الثالثة عن بقية الكربون لأن فروع السلسلة الرئيسية تنبثق منها. على سبيل المثال ، 2-methylbutane (ويسمى أيضًا isopentane) ، CH ₃ - CH (CH ₃) -CH ₂ -CH ₃ يحتوي على كربون ثالث مظلل بخط غامق.

رباعي

وأخيرًا ، ترتبط الكربونات الرباعية ، كما يوحي اسمها ، بأربع ذرات كربون أخرى. يحتوي جزيء النيوبنتان ، C (CH ₃) _{4 ،} على ذرة كربون رباعي.

التطبيقات

وحدة كتلة ذرية

يتم استخدام متوسط ​​الكتلة الذرية لـ ¹² درجة مئوية كمقياس قياسي لحساب كتل العناصر الأخرى. وبالتالي ، يزن الهيدروجين واحدًا على اثني عشر من نظير الكربون هذا ، والذي يستخدم لتحديد ما يعرف بوحدة الكتلة الذرية ش.

وهكذا ، يمكن مقارنة الكتل الذرية الأخرى بكتلة ¹² درجة مئوية و ¹ H. على سبيل المثال ، يزن المغنيسيوم (²⁴ ميغاغرام) ضعف وزن ذرة الكربون ، و 24 مرة أكثر من ذرة الهيدروجين.

دورة الكربون والحياة

وتمتص النباتات CO ₂ في عملية التمثيل الضوئي للافراج عن الأوكسجين في الغلاف الجوي، ويكون بمثابة الرئتين المصنع. عندما يموتون ، يصبحون فحمًا ، والذي بعد الاحتراق ، يطلق ثاني أكسيد الكربون _{مرة أخرى}. يعود جزء واحد إلى النباتات ، بينما ينتهي جزء آخر في قاع البحر ، مما يغذي العديد من الكائنات الحية الدقيقة.

عندما تموت الكائنات الحية الدقيقة ، تبقى المادة الصلبة في رواسب التحلل البيولوجي ، وبعد ملايين السنين ، تتحول إلى ما يعرف بالزيت.

عندما تستخدم الإنسانية هذا النفط كمصدر بديل للطاقة لحرق الفحم، فإنه يساهم في إطلاق سراح المزيد من CO ₂ (والغازات الأخرى غير المرغوب فيها).

من ناحية أخرى ، تستخدم الحياة ذرات الكربون من القاع. ويرجع ذلك إلى استقرار روابطها ، مما يسمح لها بتكوين سلاسل وتركيبات جزيئية تشكل الجزيئات الكبيرة مثل أهمية الحمض النووي.

مطيافية الرنين المغناطيسي النووي

و ¹³ C، على الرغم من أنها في نسبة أقل بكثير من ¹² C، وفرة كافية لتوضيح الهياكل الجزيئية بالرنين المغناطيسي النووي الطيفي الكربون 13.

بفضل تقنية التحليل هذه ، من الممكن تحديد الذرات المحيطة بـ ¹³ درجة مئوية والمجموعات الوظيفية التي تنتمي إليها. وبالتالي ، يمكن تحديد الهيكل الكربوني لأي مركب عضوي.

المراجع

1. غراهام سولومونز تي دبليو ، كريج ب. فريهل. الكيمياء العضوية. الأمينات. (الطبعة العاشرة) وايلي بلس.
2. بليك د. (4 مايو 2018). أربع خواص للكربون. تم الاسترجاع من: sciencing.com
3. الجمعية الملكية للكيمياء. (2018). فحم. مأخوذة من: rsc.org
4. فهم التطور. (سادس). رحلة ذرة كربون. تم الاسترجاع من: evolution.berkeley.edu
5. Encyclopædia Britannica. (14 مارس 2018). فحم. تم الاسترجاع من: britannica.com
6. ^ باباس س. (29 سبتمبر 2017). حقائق عن الكربون. تم الاسترجاع من: Livescience.com