Ugljikov atom: struktura, svojstva i svojstva

U ovom članku razmatramo element koji je dio periodnog sustava D.I. Mendeleev, naime ugljik. U suvremenoj nomenklaturi označena je simbolom C, nalazi se u četrnaestoj skupini i "sudionik" drugog razdoblja, ima šesti redni broj i svoj amu. = 12,0107.

Atomske orbitale i njihova hibridizacija

Počnimo razmatrati ugljik iz njegovih orbitala i njihovu hibridizaciju - njegove glavne značajke, zahvaljujući kojima se znanstvenici cijelog svijeta još uvijek pitaju. Kakva je njihova struktura?

Hibridizacija ugljikovog atoma uređena je na takav način da valentni elektroni zauzimaju položaje na tri orbitale, i to: jedan je na 2s orbitalima, a dva na 2p-orbitali. Zadnja dva od tri orbitale tvore kut jednak 90 stupnjeva u odnosu jedan na drugi, a orbitalna sfera 2s ima sferičnu simetriju. Međutim, ovaj oblik uređaja razmatranih orbitala ne dopušta nam da shvatimo zašto ugljik ulazi organski spojevi oblikuje kutove od 120, 180 i 109,5 stupnjeva. Formula za elektroničku strukturu ugljikovog atoma izražava se na sljedeći način: (He) 2s ² 2p ² .

Rješenje nastale kontradikcije napravljeno je uvođenjem koncepta hibridizacije atomskih orbitala. Da bismo razumjeli trostranu, varijantnu prirodu C, bilo je potrebno stvoriti tri oblika razumijevanja njegove hibridizacije. Glavni doprinos nastanku i razvoju ovog koncepta dao je Linus Pauling.

Fizička svojstva

Struktura ugljikovog atoma određuje prisutnost niza određenih značajki fizičke prirode. Atomi ovog elementa tvore jednostavnu tvar - ugljik, koji ima modifikacije. Varijacije u promjenama strukture mogu oblikovanoj tvari dati različite karakteristike kvalitete. Razlog prisutnosti velikog broja modifikacija ugljika leži u njegovoj sposobnosti da uspostavi i formira heterogene veze kemijske prirode.

Struktura ugljikovog atoma može varirati, što mu omogućuje određeni broj izotopnih oblika. Pronađeni ugljik u prirodi nastaje uz pomoć dva izotopa u stabilnom stanju - ¹² C i ¹³ C - i izotopa s radioaktivnim svojstvima - ¹⁴ C. Posljednji izotop je koncentriran u gornjim slojevima Zemljine kore iu atmosferi. Zbog utjecaja kozmičkog zračenja, naime njegovih neutrona, na jezgru dušikovih atoma nastaje radioaktivni izotop od ¹⁴ C. Nakon sredine pedesetih godina dvadesetog stoljeća počeo je ulaziti u okoliš kao umjetni proizvod nastao tijekom rada nuklearnih elektrana, i kao rezultat toga. vodikova bomba. Metoda radiokarbonskog datiranja, koja je našla svoju široku primjenu u arheologiji i geologiji, temelji se na procesu raspadanja ¹⁴ C.

Modifikacija ugljika u alotropnom obliku

U prirodi postoje mnoge tvari koje sadrže ugljik. Čovjek koristi strukturu ugljikovog atoma za vlastite potrebe pri stvaranju različitih tvari, uključujući:

1. Kristalni ugljici (dijamanti, ugljikove nanocijevi, vlakna i žice, fulereni itd.).
2. Amorfni ugljici (aktivirani i drveni ugljen, razne vrste koksa, čađa, čađa, nanofoam i antracit).
3. Cluster oblici ugljika (di-ugljik, nanocone i astralene spojevi).

Strukturne značajke atomske strukture

Elektronska struktura ugljikovog atoma može imati različitu geometriju, koja ovisi o razini hibridizacije orbitala koje posjeduje. Postoje 3 glavne vrste geometrije:

1. Tetraedarska - nastaje uslijed pomicanja četiri elektrona, od kojih je jedan s-, a tri pripadaju p-elektronima. Atom C zauzima središnje mjesto u tetraedru i povezan je s četiri jednakovrijedne sigma veze s drugim atomima koji zauzimaju vrh ovog tetraedra. S takvim geometrijskim rasporedom ugljika, njegovi alotropni oblici mogu tvoriti, na primjer, dijamant i lonsdaleit.
2. Trigonal - svoj izgled duguje pomicanju tri orbitale, od kojih je jedna s- i dvije p-. Ovdje postoje tri sigma veze koje su u jednakoj poziciji jedna s drugom; oni leže u zajedničkoj ravnini i prianjaju pod kutom od 120 stupnjeva u odnosu jedan na drugi. Slobodna p-orbitala nalazi se okomito na ravninu sigma-veze. Grafit ima sličnu geometriju.
3. Dijagonala - pojavljuje se zbog miješanja s-i p-elektrona (sp hibridizacija). Elektronski oblaci izvlače se duž općeg smjera i poprimaju oblik asimetrične bučice. Slobodni elektroni stvaraju π-veze. Ova struktura geometrije u ugljiku dovodi do pojave karbina, posebnog oblika modifikacije.

Atomi ugljika u prirodi

Strukturu i svojstva ugljikovog atoma čovjek već dugo razmatra i koristi se za dobivanje velikog broja različitih tvari. Atomi ovog elementa, zbog svoje jedinstvene sposobnosti stvaranja različitih kemijskih veza i prisutnosti hibridizacije orbitala, stvaraju mnoge različite alotropne modifikacije uz sudjelovanje samo jednog elementa, iz atoma istog tipa, ugljika.

U prirodi se ugljik nalazi u zemljinoj kori; u obliku dijamanata, grafita, raznih zapaljivih prirodnih resursa, kao što su ulje, antracit, mrki ugljen, škriljac, treset itd. Uključeno u plinove koje čovjek koristi u energetskoj industriji. Ugljik u sastavu njegovog dioksida ispunjava hidrosferu i atmosferu Zemlje, au zraku doseže 0,046%, au vodi - do šezdeset puta više.

U ljudskom tijelu, C je sadržan u količini koja je približno jednaka 21%, i uglavnom se izlučuje urinom i izdisanim zrakom. Isti element je uključen u biološki ciklus, apsorbira ga biljka i konzumira tijekom fotosinteze.

Atomi ugljika, zbog svoje sposobnosti da uspostave različite kovalentne veze i grade njihove lance, pa čak i cikluse, mogu stvoriti veliku količinu tvari organske prirode. Osim toga, ovaj element je dio sunčeve atmosfere, a nalazi se u spojevima s vodikom i dušikom.

Kemijska svojstva

Sada razmotrite strukturu i svojstva ugljikovog atoma s kemijskog stajališta.

Važno je znati da ugljik u normalnim temperaturnim uvjetima pokazuje inertna svojstva, ali nam može pokazati svojstva reducirajuće prirode pod utjecajem visokih temperatura. glavni oksidacijska stanja: + - 4, ponekad +2, i također +3.

Sudjeluje u reakciji s velikim brojem elemenata. Može reagirati s vodom, vodikom, halogenom, alkalijskih metala kiseline, fluor, sumpor itd.

Struktura ugljikovog atoma generira nevjerojatno veliku količinu tvari koje se razdvajaju u zasebnu klasu. Takvi se spojevi nazivaju organski i temelje se na C. Moguće je zbog svojstava atoma ovog elementa formirati polimerne lance. Među najpoznatijim i opsežnijim skupinama su proteini (proteini), masti, ugljikohidrati i ugljikovodični spojevi.

Načini rada

Zbog jedinstvene strukture ugljikovog atoma i njegovih pratećih svojstava, element je naširoko korišten kod ljudi, na primjer, pri izradi olovaka ovdje se koristi taljenje metalnih lonaca - grafita. Dijamanti se koriste kao abrazivni materijali, nakit, mlaznice za bušilice itd.

Farmakologija i medicina također sudjeluju u uporabi ugljika u različitim spojevima. Ovaj element je dio čelika, služi kao osnova za svaki organska tvar sudjeluje u procesu fotosinteze itd.

Toksičnost elemenata

Struktura ugljikovog atoma sadrži prisutnost opasnog učinka na živu materiju. Ugljik ulazi u svijet oko nas kao posljedica izgaranja ugljena u termoelektranama, dio je plinova proizvedenih u automobilima, u slučaju koncentrata ugljena, itd.

Visok postotak ugljika u aerosolima, što podrazumijeva povećanje učestalosti ljudi. Gornji dišni putevi i pluća su najčešće pogođeni. Neke bolesti mogu se klasificirati kao profesionalne, npr. Prašni bronhitis i bolesti pneumokonioze.

¹⁴ C je toksičan, a jačina njegovog utjecaja određena je radijacijskom interakcijom s β-česticama. Ovaj atom je dio sastava bioloških molekula, uključujući one sadržane u deoksi i ribonukleinskim kiselinama. Smatra se da je dopuštena količina od ¹⁴ C u zraku radnog područja 1,3 Bq / l. Maksimalna količina ugljika koja ulazi u tijelo tijekom disanja jednaka je 3,2 * 10 ⁸ Bq / god.