Atom węgla: struktura, cechy i właściwości

W tym artykule rozważamy element, który jest częścią układu okresowego D.I. Mendeleev, czyli węgiel. W nowoczesnej nomenklaturze jest oznaczony symbolem C, znajduje się w czternastej grupie i jest "uczestnikiem" drugiego okresu, ma szósty numer sekwencji i jej amu. = 12,0107.

Orbitale atomowe i ich hybrydyzacja

Zacznijmy rozważać węgiel z jego orbitali i ich hybrydyzację - jego główne cechy, dzięki którym wciąż zastanawiają się naukowcy całego świata. Jaka jest ich struktura?

Hybrydyzacja atomu węgla jest zorganizowana w taki sposób, że elektrony walencyjne zajmują pozycje na trzech orbitach, a mianowicie: jeden znajduje się na orbitach 2s, a dwa na orbitach 2p. Dwa ostatnie z trzech orbitali tworzą kąt równy 90 stopni względem siebie, a orbital 2s ma sferyczną symetrię. Jednak ta forma urządzenia z rozważanych orbitali nie pozwala nam zrozumieć, dlaczego węgiel, wchodząc w związki organiczne tworzy kąty 120, 180 i 109,5 stopnia. Wzór na strukturę elektronową atomu węgla wyraża się następująco: (He) 2s ² 2p ² .

Rozstrzygnięcie powstałej sprzeczności dokonano poprzez wprowadzenie pojęcia hybrydyzacji orbitali atomowych. Aby zrozumieć trihedron, wariant natury C, konieczne było stworzenie trzech form zrozumienia jego hybrydyzacji. Główny wkład w powstanie i rozwój tej koncepcji złożył Linus Pauling.

Właściwości fizyczne

Struktura atomu węgla determinuje obecność pewnej liczby pewnych cech natury fizycznej. Atomy tego pierwiastka tworzą prostą substancję - węgiel, który ma modyfikacje. Różnice w zmianach jego struktury mogą nadawać uformowanej substancji różne cechy jakościowe. Przyczyną obecności dużej liczby modyfikacji węgla jest jego zdolność do tworzenia i tworzenia heterogenicznych wiązań o charakterze chemicznym.

Struktura atomu węgla może być różna, co pozwala na uzyskanie pewnej liczby form izotopowych. Węgiel występujący w przyrodzie tworzy się za pomocą dwóch izotopów w stanie stabilnym - ¹² ° C i ¹³ ° C - oraz izotopu o właściwościach radioaktywnych - ^{14 °} C. Ostatni izotop jest skoncentrowany w górnych warstwach skorupy ziemskiej i w atmosferze. Ze względu na wpływ promieniowania kosmicznego, a mianowicie jego neutronów, na jądro atomów azotu, powstaje radioaktywny izotop ¹⁴ C. Po połowie lat pięćdziesiątych XX wieku zaczął on wpadać do środowiska jako produkt wytworzony przez człowieka podczas eksploatacji elektrowni jądrowych, a także ze względu na wykorzystanie bomba wodorowa. Właśnie w procesie rozpadu ¹⁴ C opiera się metoda datowania radiowęglowego, która znalazła szerokie zastosowanie w archeologii i geologii.

Modyfikacja węgla w postaci allotropowej

W przyrodzie istnieje wiele substancji, które zawierają węgiel. Człowiek używa struktury atomu węgla do swoich własnych celów podczas tworzenia różnych substancji, w tym:

1. Węglany krystaliczne (diamenty, nanorurki węglowe, włókna i druty, fulereny itp.).
2. Węgle amorficzne (węgiel aktywowany i węgiel drzewny, różne rodzaje koksu, sadza, sadza, nanopianki i antracyt).
3. Klastry formy węgla (związki di-węgla, nanokon i astralenu).

Strukturalne cechy struktury atomowej

Struktura elektronowa atomu węgla może mieć inną geometrię, która zależy od poziomu hybrydyzacji orbitali, które posiada. Istnieją 3 główne typy geometrii:

1. Tetrahedral - powstaje w wyniku przesunięcia czterech elektronów, z których jeden to s-, a trzy należą do p-elektronów. Atom C zajmuje centralne położenie w czworościanie i jest połączony przez cztery równoważne wiązania sigma z innymi atomami zajmującymi wierzchołek tego czworościanu. Przy takim geometrycznym układzie węgla jego alotropowe formy mogą tworzyć, na przykład, diament i lonsdaleit.
2. Trigonal - zawdzięcza swój wygląd przesunięciu trzech orbitali, z których jeden to s- i dwa p-. Tutaj są trzy wiązania sigma, które znajdują się w równej pozycji względem siebie; leżą we wspólnej płaszczyźnie i przylegają do siebie pod kątem 120 stopni względem siebie. Wolny orbital p znajduje się prostopadle do płaszczyzny wiązania sigma. Grafit ma podobną geometrię.
3. Przekątna - pojawia się ze względu na mieszanie s-i p-elektronów (hybrydyzacja sp). Chmury elektronów są wyciągane wzdłuż ogólnego kierunku i przyjmują formę asymetrycznego hantli. Wolne elektrony tworzą wiązania π. Ta struktura geometrii w węglu powoduje powstanie Carbyne, specjalnej formy modyfikacji.

Atomy węgla w przyrodzie

Struktura i właściwości atomu węgla od dawna są uważane przez człowieka i są wykorzystywane do uzyskiwania dużej liczby różnych substancji. Atomy tego pierwiastka, ze względu na ich wyjątkową zdolność do tworzenia różnych wiązań chemicznych i obecności hybrydyzacji orbitali, tworzą wiele różnych alotropowych modyfikacji z udziałem tylko jednego pierwiastka, z atomów tego samego typu, węgla.

W naturze węgiel znajduje się w skorupie ziemskiej; Ma on postać diamentów, grafitów, różnych palnych bogactw naturalnych, na przykład ropy naftowej, antracytu, węgla brunatnego, łupków, torfu itp. Zawarte w gazach używanych przez człowieka w przemyśle energetycznym. Węgiel w składzie dwutlenku węgla wypełnia hydrosferę i atmosferę Ziemi, aw powietrzu osiąga 0,046%, a w wodzie - nawet sześćdziesiąt razy więcej.

W ludzkim ciele C jest zawarty w ilości w przybliżeniu równej 21% i jest głównie wydalany z moczem i wydychanym powietrzem. Ten sam element bierze udział w cyklu biologicznym, jest pochłaniany przez rośliny i konsumowany podczas fotosyntezy.

Atomy węgla, ze względu na ich zdolność do tworzenia różnych wiązań kowalencyjnych i ich łańcuchów budujących, a nawet cykli, mogą wytworzyć ogromną ilość substancji o charakterze organicznym. Ponadto element ten jest częścią atmosfery słonecznej, będąc w związkach z wodorem i azotem.

Właściwości chemiczne

Rozważmy teraz strukturę i właściwości atomu węgla z chemicznego punktu widzenia.

Ważne jest, aby wiedzieć, że węgiel wykazuje właściwości obojętne w normalnych warunkach temperaturowych, ale może pokazać nam właściwości o charakterze redukującym pod wpływem wysokich temperatur. Główny stany utleniania: + - 4, czasami +2, a także +3.

Uczestniczy w reakcji z dużą liczbą elementów. Może reagować z wodą, wodorem, halogenami, metale alkaliczne kwasy, fluor, siarka itp.

Struktura atomu węgla generuje niesamowicie dużą ilość substancji rozdzielonych na osobną klasę. Takie związki są nazywane organicznymi i są oparte na C. Jest to możliwe dzięki właściwościom atomów tego pierwiastka do tworzenia łańcuchów polimerowych. Do najbardziej znanych i rozległych grup należą białka (białka), tłuszcze, węglowodany i związki węglowodorowe.

Metody operacyjne

Ze względu na unikalną strukturę atomu węgla i towarzyszące mu właściwości, element ten jest szeroko stosowany przez ludzi, na przykład podczas tworzenia ołówków, wytapiania metalowych tygli - stosuje się tutaj grafit. Diamenty są używane jako materiały ścierne, biżuteria, dysze do wiertarek itp.

Farmakologia i medycyna są również zaangażowane w wykorzystanie węgla w różnych związkach. Ten element stanowi część stali i stanowi podstawę każdego z nich materia organiczna bierze udział w procesie fotosyntezy itp.

Toksyczność pierwiastka

Struktura atomu węgla zawiera niebezpieczny wpływ na żywą materię. Węgiel przedostaje się do otaczającego nas świata w wyniku spalania węgla w elektrowniach cieplnych, jest częścią gazów produkowanych przez samochody, w przypadku koncentratu węgla itp.

Wysoki procent węgla w aerozolach, co pociąga za sobą wzrost liczby osób. Najczęściej dotyczy to górnych dróg oddechowych i płuc. Niektóre choroby można sklasyfikować jako profesjonalne, na przykład pyłkowe zapalenie oskrzeli i choroby z grupy pylicy płuc.

¹⁴ C jest toksyczne, a siła jego oddziaływania jest określona przez radiacyjne oddziaływanie z β-cząstkami. Ten atom jest częścią składu cząsteczek biologicznych, w tym zawartych w kwasach deoksy i rybonukleinowych. Dopuszczalna ilość ¹⁴ C w powietrzu obszaru roboczego to 1.3 Bq / l. Maksymalna ilość węgla wchodzącego do organizmu podczas oddychania wynosi 3,2 * 10 ⁸ Bq / rok.