Ogljikov atom: struktura, lastnosti in lastnosti

V tem članku upoštevamo element, ki je del periodnega sistema D.I. Mendeleev, in sicer ogljik. V sodobni nomenklaturi je označena s simbolom C, je v štirinajsti skupini in je "udeleženec" drugega obdobja, ima šesto zaporedno številko in svoj amu. = 12,0107.

Atomske orbitale in njihova hibridizacija

Začnimo razmišljati o ogljiku iz njegovih orbital in o njihovi hibridizaciji - njenih glavnih značilnostih, zaradi katerih se znanstveniki iz celega sveta še vedno sprašujejo. Kakšna je njihova struktura?

Hibridizacija ogljikovega atoma je urejena tako, da valentni elektroni zavzamejo položaje na treh orbitalih, in sicer: ena je na 2s orbitali, dve pa na 2p-orbitali. Zadnja dva od treh orbitalov tvorita kot, ki je enaka 90 stopinjam, in 2s orbitalna sferična simetrija. Vendar pa ta oblika naprave obravnavanih orbitalov ne omogoča razumevanja, zakaj vstopajo ogljik organske spojine oblikuje kote 120, 180 in 109,5 stopinj. Formula za elektronsko strukturo ogljikovega atoma se izraža takole: (He) 2s ² 2p ² .

Rešitev nastalega protislovja je nastala z uvedbo koncepta hibridizacije atomskih orbitalov. Da bi razumeli triedrsko, variantno naravo C, je bilo potrebno ustvariti tri oblike razumevanja njegove hibridizacije. Glavni prispevek k nastanku in razvoju tega koncepta je naredil Linus Pauling.

Fizične lastnosti

Struktura ogljikovega atoma določa prisotnost številnih fizikalnih lastnosti. Atomi tega elementa tvorijo preprosto snov - ogljik, ki ima spremembe. Razlike v spremembah njegove strukture lahko oblikovani snovi dajo različne kakovostne značilnosti. Razlog za prisotnost velikega števila modifikacij ogljika je v njegovi sposobnosti, da vzpostavi in ​​oblikuje heterogene vezi kemijske narave.

Struktura ogljikovega atoma se lahko spreminja, kar omogoča, da ima določeno število izotopskih oblik. Ogljik, ki ga najdemo v naravi, nastane s pomočjo dveh izotopov v stabilnem stanju - ¹² C in ¹³ C - in izotopom z radioaktivnimi lastnostmi - ¹⁴ C. Zadnji izotop je koncentriran v zgornjih plasteh zemeljske skorje in v atmosferi. Zaradi vpliva kozmičnega sevanja, in sicer njegovih nevtronov, na jedro dušikovih atomov nastane radioaktivni izotop ¹⁴ C. Po sredini petdesetih let dvajsetega stoletja se je začel spuščati v okolje kot umetni produkt, nastal med obratovanjem jedrskih elektrarn in zaradi uporabe vodikove bombe. Prav proces razgradnje 14C temelji na metodi radiokarbonskega datiranja, ki je našla široko uporabo v arheologiji in geologiji.

Modifikacija ogljika v alotropni obliki

V naravi obstaja veliko snovi, ki vsebujejo ogljik. Človek uporablja strukturo ogljikovega atoma za lastne namene pri ustvarjanju različnih snovi, med drugim:

1. Kristalni ogljiki (diamanti, ogljikove nanocevke, vlakna in žice, fulereni itd.).
2. Amorfni ogljiki (aktivni in oglje, različne vrste koksa, saje, saje, nanofoam in antracit).
3. Oblike grozdov ogljika (di-ogljik, nanokon in astralne spojine).

Strukturne značilnosti atomske strukture

Elektronska struktura ogljikovega atoma ima lahko drugačno geometrijo, ki je odvisna od stopnje hibridizacije orbitalov, ki jih ima. Obstajajo 3 glavne vrste geometrije:

1. Tetraedrska - nastane zaradi premika štirih elektronov, od katerih je eden s-, tri pa pripadajo p-elektronim. Atom C zavzema osrednji položaj v tetraedru in je povezan s štirimi enakovrednimi sigma vezmi z drugimi atomi, ki zasedajo vrh tega tetraedra. S takšno geometrijsko razporeditvijo ogljika lahko tvorijo njene alotropne oblike, na primer diamant in lonsdaleit.
2. Trigonal - svoj videz dolguje premiku treh orbital, od katerih je ena s- in dve p-. Tu so tri sigma vezi, ki so v enakem položaju; ležijo v skupni ravnini in se med seboj držijo kota 120 stopinj. Prosti p-orbital je pravokoten na ravnino sigma-vezi. Grafit ima podobno geometrijo.
3. Diagonal - pojavlja se zaradi mešanja s-in p-elektronov (sp hibridizacija). Elektronski oblaki so narisani vzdolž splošne smeri in imajo obliko asimetrične dumbbell. Prosti elektroni ustvarjajo π-vezi. Ta struktura geometrije v ogljiku povzroča nastanek carbyne, posebne oblike modifikacije.

Atomi ogljika v naravi

Strukturo in lastnosti ogljikovega atoma človek že dolgo obravnava in se uporablja za pridobivanje velikega števila različnih snovi. Atomi tega elementa zaradi svoje edinstvene sposobnosti, da tvorijo različne kemijske vezi in prisotnost hibridizacije orbitalov, ustvarijo veliko različnih alotropnih modifikacij z udeležbo samo enega elementa, iz atomov istega tipa, ogljika.

V naravi se ogljik nahaja v zemeljski skorji; je v obliki diamantov, grafitov, različnih gorljivih naravnih virov, kot so olje, antracit, rjavi premog, skrilavec, šota itd. Vključeni v pline, ki jih človek uporablja v energetiki. Ogljik v sestavi njegovega dioksida napolni hidrosfero in atmosfero Zemlje, v zraku pa doseže 0,046%, v vodi pa do šestdesetkrat več.

Pri ljudeh je C vsebovan v količini, ki je približno enaka 21%, in se večinoma izloča z urinom in izdihanim zrakom. Isti element je vključen v biološki cikel, rastline se absorbirajo in porabijo med fotosintezo.

Atomi ogljika, zaradi svoje sposobnosti, da vzpostavijo različne kovalentne vezi in gradijo verige, in celo cikle, lahko ustvarijo veliko količino snovi organske narave. Poleg tega je ta element del sončne atmosfere, ki je v spojinah z vodikom in dušikom.

Kemijske lastnosti

Upoštevajte strukturo in lastnosti ogljikovega atoma s kemičnega vidika.

Pomembno je vedeti, da ima ogljik pri normalnih temperaturnih pogojih inertne lastnosti, vendar nam lahko pod vplivom visokih temperatur pokaže lastnosti reducirajoče narave. Main oksidacijska stanja: + - 4, včasih +2 in tudi +3.

Sodeluje v reakciji z velikim številom elementov. Lahko reagira z vodo, vodikom, halogeni, alkalijske kovine kisline, fluor, žveplo itd.

Struktura ogljikovega atoma ustvarja neverjetno veliko količino snovi, ki se ločijo v ločen razred. Takšne spojine se imenujejo organske in temeljijo na C. To je mogoče zaradi lastnosti atomov tega elementa, da tvorijo polimerne verige. Med najbolj znane in obsežne skupine spadajo beljakovine (beljakovine), maščobe, ogljikovi hidrati in ogljikovodiki.

Metode delovanja

Zaradi edinstvene strukture ogljikovega atoma in njegovih spremljajočih lastnosti se element pogosto uporablja pri ljudeh, na primer pri izdelavi svinčnikov se tu uporablja talilni kovinski lonček - grafit. Diamanti se uporabljajo kot abrazivni materiali, nakit, šobe za vrtanje itd.

Farmakologija in medicina sodelujeta tudi pri uporabi ogljika v različnih spojinah. Ta element je del jekla, ki služi kot osnova za vsak organske snovi sodeluje v procesu fotosinteze itd.

Strupenost elementov

Struktura ogljikovega atoma vsebuje prisotnost nevarnega učinka na živo snov. Ogljik vstopa v svet okoli nas kot posledica izgorevanja premoga v termoelektrarnah, je del plinov, ki jih proizvedejo avtomobili, v primeru koncentrata premoga itd.

Visok odstotek ogljika v aerosolih, kar pomeni povečanje pojavnosti ljudi. Najpogosteje prizadenejo zgornje dihalne poti in pljuča. Nekatere bolezni lahko razvrstimo med poklicne, na primer prašni bronhitis in bolezni pnevmokonioze.

¹⁴ C je toksičen in moč njegovega vpliva je določena s sevalno interakcijo z β-delci. Ta atom je del sestave bioloških molekul, vključno s tistimi, ki jih vsebujejo deoksi in ribonukleinske kisline. Dovoljena količina ¹⁴ C v zraku delovnega območja je 1,3 Bq / l. Največja količina ogljika, ki vstopa v telo med dihanjem, je 3,2 * 10 ⁸ Bq / leto.