ATOMO DI CARBONIO: CARATTERISTICHE, STRUTTURA, IBRIDAZIONE - CHIMICA - 2025

L' atomo di carbonio è forse il più importante ed emblematico di tutti gli elementi, perché grazie ad esso l'esistenza della vita è possibile. Racchiude in sé non solo pochi elettroni, o un nucleo con protoni e neutroni, ma anche polvere di stelle, che finisce per incorporarsi e forma esseri viventi.

Allo stesso modo, gli atomi di carbonio si trovano nella crosta terrestre, sebbene non in abbondanza paragonabile a elementi metallici come ferro, carbonati, anidride carbonica, petrolio, diamanti, carboidrati, ecc., Fanno parte di le sue manifestazioni fisiche e chimiche.

Fonte: Gabriel Bolívar

Ma com'è l'atomo di carbonio? Un primo schizzo impreciso è quello visto nell'immagine sopra, le cui caratteristiche sono descritte nella sezione successiva.

Gli atomi di carbonio attraversano l'atmosfera, i mari, il sottosuolo, le piante e qualsiasi specie animale. La sua grande diversità chimica è dovuta all'elevata stabilità dei suoi legami e al modo in cui sono disposti nello spazio. Quindi, hai da un lato la grafite liscia e lubrificante; e dall'altro il diamante, la cui durezza supera quella di molti materiali.

Se l'atomo di carbonio non avesse le qualità che lo caratterizzano, la chimica organica non esisterebbe completamente. Alcuni visionari vedono in esso i nuovi materiali del futuro, attraverso il design e la funzionalizzazione delle loro strutture allotropiche (nanotubi di carbonio, grafene, fullereni, ecc.).

Caratteristiche dell'atomo di carbonio

L'atomo di carbonio è simboleggiato dalla lettera C. Il suo numero atomico Z è 6, quindi ha sei protoni (cerchi rossi con il simbolo "+" nel nucleo). Inoltre, ha sei neutroni (cerchi gialli con la lettera "N") e infine sei elettroni (stelle blu).

La somma delle masse delle sue particelle atomiche dà un valore medio di 12,0107 u. Tuttavia, l'atomo nell'immagine corrisponde all'isotopo del carbonio 12 ( ¹² C), che consiste di d. Altri isotopi, come ¹³ C e ¹⁴ C, meno abbondanti, variano solo per il numero di neutroni.

Quindi, se questi isotopi fossero disegnati, ¹³ C avrebbe un cerchio giallo aggiuntivo e ¹⁴ C ne avrebbe altri due. Ciò significa logicamente che sono atomi di carbonio più pesanti.

Oltre a questo, quali altre caratteristiche si possono citare a riguardo? È tetravalente, cioè può formare quattro legami covalenti. Si trova nel gruppo 14 (IVA) della tavola periodica, più precisamente nel blocco p.

È anche un atomo molto versatile, capace di legarsi con quasi tutti gli elementi della tavola periodica; soprattutto con se stesso, formando macromolecole e polimeri lineari, ramificati e laminare.

Struttura

Qual è la struttura di un atomo di carbonio? Per rispondere a questa domanda, devi prima andare nella sua configurazione elettronica: 1s ² 2s ² 2p ² o 2s ² 2p ² .

Pertanto, ci sono tre orbitali: 1s ² , 2s ² e 2p ² , ciascuno con due elettroni. Questo può essere visto anche nell'immagine sopra: tre anelli con due elettroni (stelle blu) ciascuno (non confondere gli anelli per orbite: sono orbitali).

Si noti, tuttavia, che due delle stelle hanno una tonalità di blu più scura rispetto alle restanti quattro. Perché? Perché i primi due corrispondono allo strato interno 1s ² o, che non partecipa direttamente alla formazione dei legami chimici; mentre gli elettroni nel guscio esterno, 2s e 2p, lo fanno.

Gli orbitali se p non hanno la stessa forma, quindi l'atomo illustrato non è d'accordo con la realtà; oltre alla grande sproporzione della distanza tra gli elettroni e il nucleo, che dovrebbe essere centinaia di volte maggiore.

Pertanto, la struttura dell'atomo di carbonio è costituita da tre orbitali in cui gli elettroni "si fondono" in nuvole elettroniche sfocate. E tra il nucleo e questi elettroni c'è una distanza che rivela l'immenso "vuoto" all'interno dell'atomo.

ibridazione

È stato menzionato in precedenza che l'atomo di carbonio è tetravalente. Secondo la sua configurazione elettronica, i suoi elettroni 2s sono accoppiati e il 2p non accoppiati:

Fonte: Gabriel Bolívar

C'è un p orbitale disponibile, che è vuoto e riempito con un elettrone aggiuntivo nell'atomo di azoto (2p ³ ).

Secondo la definizione del legame covalente, è necessario che ogni atomo contribuisca con un elettrone alla sua formazione; tuttavia, si può vedere che nello stato fondamentale dell'atomo di carbonio, ha solo due elettroni spaiati (uno in ogni orbitale 2p). Ciò significa che in questo stato è un atomo bivalente e quindi forma solo due legami (–C–).

Allora come è possibile che l'atomo di carbonio formi quattro legami? Per fare ciò, è necessario promuovere un elettrone dall'orbitale 2s all'orbitale 2p di maggiore energia. Fatto ciò, i quattro orbitali risultanti sono degenerati; in altre parole, hanno la stessa energia o stabilità (nota che sono allineati).

Questo processo è noto come ibridazione e, grazie ad esso, l'atomo di carbonio ora ha quattro orbitali sp ³ con un elettrone ciascuno per formare quattro legami. Ciò è dovuto alla sua caratteristica di essere tetravalente.

sp

Quando l'atomo di carbonio ha un'ibridazione sp ³ , orienta i suoi quattro orbitali ibridi ai vertici di un tetraedro, che è la sua geometria elettronica.

Quindi, un carbonio sp ³ può essere identificato perché forma solo quattro legami semplici, come nella molecola di metano (CH ₄ ). E intorno a questo si può osservare un ambiente tetraedrico.

La sovrapposizione degli orbitali sp ³ è così efficace e stabile che il singolo legame CC ha un'entalpia di 345,6 kJ / mol. Questo spiega perché ci sono infinite strutture di carbonato e un numero incommensurabile di composti organici. Oltre a questo, gli atomi di carbonio possono formare altri tipi di legami.

sp

Fonte: Gabriel Bolívar

L'atomo di carbonio è anche in grado di adottare altre ibridazioni, che gli consentiranno di formare un doppio o addirittura triplo legame.

Nell'ibridazione sp ² , come si vede nell'immagine, ci sono tre orbitali sp ² degeneri e un orbitale 2p rimane invariato o "puro". Con i tre orbitali sp ² distanti 120º, il carbonio forma tre legami covalenti disegnando una geometria elettronica del piano trigonale; mentre con l'orbitale 2p, perpendicolare agli altri tre, forma un legame π: –C = C–.

Nel caso dell'ibridazione sp, ci sono due orbitali sp separati di 180º, in modo tale da disegnare una geometria elettronica lineare. Questa volta, hanno due orbitali 2p puri, perpendicolari tra loro, che consentono al carbonio di formare tripli legami o due doppi legami: –C≡C– o ·· C = C = C ·· (il carbonio centrale ha ibridazione sp ).

Si noti che sempre (generalmente) se si aggiungono i legami attorno al carbonio si troverà che il numero è uguale a quattro. Questa informazione è essenziale quando si disegnano strutture di Lewis o strutture molecolari. Un atomo di carbonio che forma cinque legami (= C≡C) è teoricamente e sperimentalmente inammissibile.

Classificazione

Come vengono classificati gli atomi di carbonio? Più che una classificazione per caratteristiche interne, in realtà dipende dall'ambiente molecolare. Cioè, all'interno di una molecola i suoi atomi di carbonio possono essere classificati in base a quanto segue.

Primario

Un carbonio primario è quello legato solo a un altro carbonio. Ad esempio, la molecola di etano, CH ₃ –CH _{3 è} costituita da due atomi di carbonio primari legati. Questo segnala la fine o l'inizio di una catena di carbonio.

Secondario

È uno che è collegato a due atomi di carbonio. Quindi, per la molecola di propano, CH ₃ - CH ₂ –CH ₃ , l'atomo di carbonio medio è secondario (il gruppo metilene, –CH ₂ -).

Terziario

I carboni terziari differiscono dagli altri perché da essi emergono rami della catena principale. Ad esempio, 2-metilbutano (chiamato anche isopentano), CH ₃ - CH (CH ₃ ) –CH ₂ –CH ₃ ha un carbonio terziario evidenziato in grassetto.

Quaternario

E infine, i carboni quaternari, come suggerisce il nome, sono collegati ad altri quattro atomi di carbonio. La molecola di neopentano, C (CH ₃ ) _4, ha un atomo di carbonio quaternario.

applicazioni

Unità di massa atomica

La massa atomica media di ¹² C viene utilizzata come misura standard per il calcolo delle masse degli altri elementi. Pertanto, l'idrogeno pesa un dodicesimo di questo isotopo del carbonio, che viene utilizzato per definire ciò che è noto come unità di massa atomica u.

Pertanto, le altre masse atomiche possono essere confrontate con quelle di ¹² C e ¹ H. Ad esempio, il magnesio ( ²⁴ Mg) pesa circa il doppio di un atomo di carbonio e 24 volte di più di un atomo di idrogeno.

Ciclo e vita del carbonio

Le piante assorbono CO ₂ nel processo di fotosintesi per rilasciare ossigeno nell'atmosfera e agire come polmoni delle piante. Quando muoiono, diventano carbone, che dopo essere bruciato rilascia di _nuovo CO ₂ . Una parte ritorna alle piante, ma un'altra finisce nei fondali, nutrendo molti microrganismi.

Quando i microrganismi muoiono, il solido che rimane nella sua decomposizione biologica si sedimenta e, dopo milioni di anni, si trasforma in quello che è noto come olio.

Quando l'umanità utilizza questo petrolio come fonte di energia alternativa alla combustione del carbone, contribuisce al rilascio di più CO ₂ (e altri gas indesiderati).

D'altra parte, la vita utilizza atomi di carbonio dal fondo. Ciò è dovuto alla stabilità dei suoi legami, che gli consente di formare catene e strutture molecolari che compongono macromolecole importanti quanto il DNA.

Spettroscopia NMR

I ¹³ C, sebbene siano in una proporzione molto più bassa dei ¹² C, la loro abbondanza è sufficiente per chiarire le strutture molecolari mediante la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare al carbonio 13.

Grazie a questa tecnica di analisi è possibile determinare quali atomi circondano il ¹³ C ea quali gruppi funzionali appartengono. Pertanto, è possibile determinare lo scheletro di carbonio di qualsiasi composto organico.

Riferimenti

1. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. Chimica organica. Le ammine. (10a edizione.) Wiley Plus.
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6. Pappas S. (29 settembre 2017). Fatti sul carbonio. Estratto da: livescience.com