Atom uhlíku: struktura, vlastnosti a vlastnosti

V tomto článku považujeme prvek, který je součástí periodické tabulky D.I. Mendelejev, a to uhlík. V moderní nomenklatuře je označen symbolem C, je v čtrnácté skupině a je "účastníkem" druhého období, má šesté pořadové číslo a jeho amu. = 12,0107.

Atomové orbitaly a jejich hybridizace

Začneme zvažovat uhlík z jeho orbitálů a jejich hybridizaci - její hlavní rysy, díky čemuž stále dělají zájem vědců z celého světa. Jaká je jejich struktura?

Hybridizace atomu uhlíku je uspořádána takovým způsobem, že valenční elektrony zaujímají pozice na třech orbitálech, a to: jedna je na orbitálních dvous a dva jsou na 2p-orbitals. Poslední dvě ze tří orbitálů tvoří úhel rovný 90 ° vůči sobě navzájem a oběžná dráha 2s má sférickou symetrii. Nicméně, tato forma zařízení uvažovaných orbitálů nám neumožňuje pochopit, proč uhlík vstupuje organických sloučenin tvoří úhly 120, 180 a 109,5 stupňů. Vzorec pro elektronickou strukturu atomu uhlíku se vyjadřuje takto: (He) 2s ² 2p ² .

Řešení výsledného rozporu bylo provedeno zavedením konceptu hybridizace atomových orbitálů. Abychom porozuměli trojstranné, variantní povaze C, bylo nutné vytvořit tři formy porozumění její hybridizace. Hlavním přínosem pro vznik a vývoj tohoto konceptu byl Linus Pauling.

Fyzikální vlastnosti

Struktura atomu uhlíku určuje přítomnost určitých vlastností fyzické povahy. Atomy tohoto prvku tvoří jednoduchou látku - uhlík, který má modifikace. Změny v jeho struktuře mohou mít formovanou látku různé kvalitativní charakteristiky. Důvodem přítomnosti velkého množství uhlíkových modifikací je jejich schopnost vytvářet a vytvářet heterogenní vazby chemické povahy.

Struktura atomu uhlíku se může lišit, což mu umožňuje mít určitý počet izotopových forem. Uhlík nalezený v přírodě je tvořen pomocí dvou izotopů ve stabilním stavu - ¹² C a ¹³ C - a izotopu s radioaktivními vlastnostmi - ¹⁴ C. Poslední izotop je soustředěn v horních vrstvách zemské kůry av atmosféře. Kvůli vlivu kosmického záření, jmenovitě jeho neutronů, na jádro atomů dusíku vzniká radioaktivní izotop ¹⁴ C. Po polovině padesátých let dvacátého století se začal v prostředí jaderných elektráren začlenit do životního prostředí jako produkt vytvořený člověkem a díky použití vodíková bomba. Je na procesu rozpadu ¹⁴ C, že metoda založená na radiokarbonovém datování je založena, což našlo široké uplatnění v archeologii a geologii.

Modifikace uhlíku v alotropní formě

V přírodě existuje mnoho látek, které obsahují uhlík. Člověk používá strukturu atomu uhlíku pro své vlastní účely při vytváření různých látek, včetně:

1. Krystalické uhlíky (diamanty, uhlíkové nanotrubice, vlákna a dráty, fullereny atd.).
2. Amorfní uhlíky (aktivované a uhlí, různé druhy koksu, sazí, saze, nanofoam a antracit).
3. Cluster formy uhlíku (di-uhlík, nanocone a astralenové sloučeniny).

Strukturální charakteristiky atomové struktury

Elektronická struktura atomu uhlíku může mít jinou geometrii, která závisí na úrovni hybridizace orbitálů, které má. Existují 3 hlavní typy geometrie:

1. Tetrahedral - je vytvořen kvůli vysídlení čtyř elektronů, z nichž jeden je s- a tři patří k p-elektronům. Atom C zaujímá centrální polohu v tetraedru, je spojen čtyřmi ekvivalentními sigma vazbami s jinými atomy, které zaujímají vrchol tohoto tetraedru. S takovým geometrickým uspořádáním uhlíku mohou jeho alotropické formy tvořit například diamant a lonsdaleit.
2. Trigonal - má svůj vzhled na posunutí tří orbitálů, z nichž jeden je s- a dva p-. Zde jsou tři sigma vazby, které jsou ve stejné pozici; leží ve společné rovině a drží se pod úhlem 120 stupňů vůči sobě navzájem. Volný p-orbitál je umístěn kolmo na rovinu sigma-bond. Grafit má podobnou geometrii.
3. Diagonal - se objevuje v důsledku smíchání s-a p-elektronů (sp hybridizace). Elektronové mraky jsou vytaženy podél obecného směru a mají formu asymetrické činky. Volné elektrony vytvářejí π-vazby. Tato struktura geometrie v uhlíku vede k vzhledu karbynu, což je zvláštní forma modifikace.

Atomy uhlíku v přírodě

Struktura a vlastnosti atomu uhlíku jsou člověkem dlouho zvažovány a používají se k získání velkého množství různých látek. Atomy tohoto prvku, kvůli své jedinečné schopnosti vytvářet různé chemické vazby a přítomnost hybridizace orbitálů, vytvářejí mnoho různých alotropních modifikací za účasti pouze jednoho prvku, z atomů stejného typu, uhlíku.

V přírodě se uhlí vyskytuje v zemské kůře; Má formu diamantů, grafitů, různých hořlavých přírodních bohatství, například ropy, antracitu, hnědého uhlí, břidlice, rašeliny atd. Zahrnuty do plynů používaných člověkem v energetickém průmyslu. Uhlík ve složení jeho oxidu vyplňuje hydrosféru a atmosféru Země, ve vzduchu dosahuje 0,046% a ve vodě - až šedesátkrát více.

U lidí je C obsaženo v množství přibližně 21% a je vylučováno hlavně močí a vydechovaným vzduchem. Stejný prvek se podílí na biologickém cyklu, absorbuje ho rostlinami a spotřebuje se během fotosyntézy.

Atomové uhlíky, díky své schopnosti vytvářet různé kovalentní vazby a vytvářet řetězce z nich a dokonce i cykly, mohou vytvářet obrovské množství látek organické povahy. Kromě toho je tento prvek součástí sluneční atmosféry, která je ve sloučeninách s vodíkem a dusíkem.

Chemické vlastnosti

Nyní zvážit strukturu a vlastnosti atomu uhlíku z chemického hlediska.

Je důležité vědět, že uhlík vykazuje inertní vlastnosti za normálních teplotních podmínek, ale může nám vykazovat vlastnosti redukující povahy pod vlivem vysokých teplot. Hlavní oxidační stavy: + - 4, někdy +2 a také +3.

Účastní se reakce s velkým počtem prvků. Může reagovat s vodou, vodíkem, halogeny, alkalických kovů kyseliny, fluor, síru atd.

Struktura atomu uhlíku vytváří neuvěřitelně velké množství látek rozdělených do samostatné třídy. Takové sloučeniny se nazývají organické a jsou založeny na C. Je možné, vzhledem k vlastnostem atomů tohoto prvku, vytvářet polymerní řetězce. Mezi nejznámější a nejrozsáhlejší skupiny patří bílkoviny (bílkoviny), tuky, uhlohydráty a uhlovodíkové sloučeniny.

Provozní metody

Vzhledem k jedinečné struktuře atomu uhlíku a jeho doprovodným vlastnostem je tento prvek široce používán lidmi, například při vytváření tužek, tavení kovových kelímků - tu se používá grafit. Diamanty se používají jako abrazivní materiály, šperky, trysky pro vrtáky apod.

Farmakologie a medicína se také podílejí na použití uhlíku v různých sloučeninách. Tento prvek je součástí oceli, slouží jako základ pro každou z nich organické látky podílí se na procesu fotosyntézy atd.

Toxicita prvků

Struktura atomu uhlíku obsahuje přítomnost nebezpečného vlivu na živou hmotu. Uhlí vniká do světa kolem nás jako důsledek spalování uhlí v tepelných elektrárnách, je součástí plynů vyráběných automobily, v případě uhelného koncentrátu atd.

Vysoké procento uhlíku v aerosolů, které souvisí s nárůstem výskytu lidí. Horní dýchací cesty a plic jsou nejčastěji postiženy. Některé nemoci mohou být klasifikovány jako profesionální, například prachová bronchitida a nemoci skupiny pneumokoniózy.

¹⁴ C je toxický a síla jeho vlivu je určena radiační interakcí s beta-částicemi. Tento atom je součástí složení biologických molekul, včetně těch obsažených v deoxy a ribonukleových kyselinách. Přípustné množství ¹⁴ C ve vzduchu v pracovním prostoru je považováno za 1,3 Bq / l. Maximální množství uhlíku vstupující do těla při dýchání se rovná 3,2 * 10 ⁸ Bq / rok.