Какое количество протонов в углероде?
Элемент углерод содержит в своей атомной структуре шесть протонов. Углерод имеет шесть нейтронов, которые существуют вместе с протонами, находящимися в ядре каждого атома углерода.
Атомный символ углерода — C. Элемент имеет атомный номер 6. Элемент содержит шесть электронов на внешних оболочках атома. Название «углерод» происходит от латинского слова «карбо», что означает уголь или древесный уголь.
Углерод — четвертый по содержанию элемент во Вселенной. Этот элемент является вторым наиболее часто встречающимся элементом в организме человека; Самый распространенный элемент в организме человека — кислород.
Как мы узнали, что углерод имеет 6 протонов, а не 7?
Эксперименты Генри Мозли показали, что каждый элемент имеет уникальную атомную структуру, которая особым образом взаимодействует с рентгеновскими лучами.
Водород, гелий, литий, бериллий, бор, углерод…
Этот набор слов вернет большинство из нас на урок химии в школе, где нас просили выучить наизусть элементы периодической таблицы. по крайней мере, до 20-го элемента. Нас также учили, что элементы в периодической таблице расположены в соответствии с их атомными номерами. Это число протонов в атоме, такое же как и число электронов.
Но. как мы это вычислили? Поскольку атомы очень малы, сосчитать их на глаз не представляется возможным, так откуда же ученые знали, что такое атомный номер?
Это произошло благодаря одной случайной зиме в Германии и молодому блестящему ученому из Манчестерского университета.
Рентген и его лучи
Кто-то может удивиться, почему ученые просто не рассматривали атомы под микроскопом и не считали количество протонов? Ну, можно использовать самый мощный в мире оптический микроскоп и все равно не увидеть атом. Мы можем видеть только то, что нарушает путь световых волн и отражает их обратно в наши глаза.
Атом в 10 000 раз меньше длины волны видимого света, поэтому его присутствие не влияет на волны. Представьте себе песчинку, стоящую на фоне гигантской океанской волны.
Исследования мира субатомных частиц получили огромный толчок после открытия Вильгельмом Рентгеном рентгеновских лучей. Это было зимой 1895 года, когда Рентген, как и многие другие ученые его времени, исследовал лучи, испускаемые трубкой Крукса.
Трубка Крукса или катодная лучевая трубка представляет собой герметичную стеклянную вакуумную камеру с двумя электродами, помещенными внутрь. При подаче напряжения на электроды трубка излучала слабое свечение.
Рентген нашел свой момент Эврики, когда заметил, что лучи, испускаемые трубкой, создают яркие пятна на платинобариевом экране, который находился на расстоянии почти 9 футов от установки. Чтобы проверить проникающую способность невидимых лучей, он закрыл трубку толстым черным картоном, но на экране все равно наблюдалось свечение. Он назвал эти неизвестные лучи рентгеновскими.
За три дня до Рождества, 22 декабря, он положил левую руку своей жены Анны на лист фотобумаги и сделал первый в мире рентгеновский снимок кости. Лучи прошли через кожу, но были остановлены костями и обручальным кольцом. Пораженная темным силуэтом своей руки на фотопластинке, она воскликнула: «Я видела свою смерть», поскольку это был первый случай в истории, когда живой человек увидел свой собственный скелет.
Первый в истории рентгеновский снимок человеческой руки.
В течение следующих нескольких лет рентгеновские лучи стали одним из величайших открытий человечества, поскольку они произвели революцию в науке. Оно также позабавило обывателей, посещавших рентгеновские выставки с такими аттракционами, как «Посчитайте монеты в вашем кошельке» или «Рентгеновские фотографии, сделанные здесь».
Итак, как открытие рентгеновских лучей решило нашу проблему атомного номера? К счастью для нас, рентгеновские лучи имеют длину волны меньше, чем размер атома, и поэтому могут взаимодействовать с ними.
Генри Мозли и атомные числа
К 1900-м годам стало ясно, что рентгеновские лучи — это электромагнитные волны, такие же как и видимый свет, но с более высокой энергией и способные проникать туда, куда не мог проникнуть свет. Любовь к этому новому инструменту исследования объединила химиков, биологов и физиков той эпохи. Рентгеновские лучи не только выявили скелетную структуру биологических видов, но и показали прекрасное расположение атомов в кристаллах с помощью рентгеновской дифракционной кристаллографии.
Эрнест Резерфорд, исследовавший радиоактивность с помощью рентгеновских лучей, в 1910 году назначил молодого Генри Мозли работать в своей лаборатории. Резерфорд хотел, чтобы Гарри больше изучал радиоактивные элементы, но сердце Гарри принадлежало рентгеновской спектроскопии. Он объединился с Чарльзом Дарвином (внуком «Эволюции» Дарвина) и исследовал природу рентгеновских лучей, испускаемых различными металлами. Проработав три года под руководством Резерфорда, он неожиданно переехал обратно в Оксфорд, откуда был родом, и начал работать самостоятельно в лаборатории своего коллеги-ученого.
Примерно в это время внимание Гарри привлекло исследование, опубликованное Антониусом ван ден Бруком, голландским экономистом и ученым-любителем. В нем утверждалось, что элементы в периодической таблице должны быть расположены в соответствии с зарядом в их атомном ядре, а не в соответствии с атомным весом, как предлагал Дмитрий Менделеев. Гарри решил экспериментально проверить эту гипотезу с помощью рентгеновской спектроскопии.
Аппарат Мозли пускал пучок рентгеновских лучей на образцы, которые обычно представляли собой чистые формы различных элементов, а иногда и металлические сплавы. Затем образцы испускали вторичные рентгеновские лучи, которые попадали на фотопластинку, расположенную позади них. Гарри заметил, что каждый элемент при попадании на фотопластинку создавал уникальную серию полос или спектров. Он использовал эти спектры для расчета частоты рентгеновского излучения каждого элемента, который попадал ему в руки.
Его расчеты привели его к выводу, что квадратный корень из частоты рентгеновских лучей, испускаемых элементом, пропорционален Z-1, где Z представляет собой целое число, эквивалентное заряду атомного ядра элемента. Закон Мозли привел к появлению концепции атомных номеров, что в конечном итоге привело к перестройке периодической таблицы. На самом деле это позволило устранить многие избыточности, которые мешали первой периодической таблице Менделеева.
Лестница Мозли: фотография уникального рентгеновского излучения от различных элементов
К сожалению, поразительная научная карьера Гарри оборвалась, когда в 1914 году началась первая мировая война. Он добровольно вступил в армию в качестве инженера и погиб во время турецкого вторжения. Вспоминая о работе Гарри, Эрнест Резерфорд сказал, что он, несомненно, получил бы Нобелевскую премию, если бы не его безвременная смерть.
Введение квантовой механики доказало, что уникальные рентгеновские спектры были обусловлены квантованными электронными переходами, а не ядерным зарядом. Тем не менее эксперименты Мозли окольным путем дали нам представление о том, что находится внутри атома, а также о его последствиях для внешнего мира.
Теперь мы можем увидеть, как выглядит атом, с помощью сканирующих туннельных микроскопов. Однако мы все еще далеки от реальности, в которой мы сможем препарировать атом, чтобы заглянуть внутрь и подсчитать количество субатомных частиц. С тех пор как Мозли познакомил мир с атомными числами, прошло уже более века, но он все еще определяет то, как мы манипулируем элементами и работаем в этой увлекательной области химии.
Характеристика атома углерода, структура, гибридизация, классификация
атом углерода Это, пожалуй, самый важный и символический из всех элементов, потому что благодаря этому возможно существование жизни. Он включает в себя не только несколько электронов или ядро с протонами и нейтронами, но и звездную пыль, которая в конечном итоге включается и образует живые существа.
Кроме того, атомы углерода находятся в земной коре, хотя их количество не сопоставимо с такими металлическими элементами, как железо, карбонаты, диоксид углерода, нефть, алмазы, углеводы и т. Д., Которые являются частью его физические и химические проявления.
Но как атом углерода? Первым неточным эскизом является тот, который наблюдается на изображении выше, характеристики которого описаны в следующем разделе..
Атомы углерода путешествуют через атмосферу, моря, недра, растения и любые виды животных. Его большое химическое разнообразие обусловлено высокой стабильностью его связей и тем, как они упорядочены в пространстве. Таким образом, он имеет с одной стороны гладкий и смазывающий графит; а с другой стороны, алмаз, твердость которого превосходит твердость многих материалов.
Если бы атом углерода не обладал качествами, которые его характеризуют, органическая химия не существовала бы полностью. Некоторые провидцы видят в нем новые материалы будущего через конструирование и функционализацию его аллотропных структур (углеродные нанотрубки, графен, фуллерены и т. Д.).
- 1 Характеристика атома углерода
- 2 Структура
- 3 Гибридизация
- 3.1 sp3
- 3.2 sp2 и sp
- 4.1 Первичный
- 4.2 Вторичный
- 4.3 третичный
- 4.4 Четвертичный
- 5.1 Атомная единица массы
- 5.2 Углеродный цикл и жизнь
- 5.3 13C ЯМР спектроскопия
Характеристики атома углерода
Атом углерода обозначается буквой C. Его атомный номер Z равен 6, следовательно, он имеет шесть протонов (красные кружки с символом «+» в ядре). Кроме того, он имеет шесть нейтронов (желтые кружки с буквой «N») и, наконец, шесть электронов (голубые звезды).
Сумма масс их атомных частиц дает среднее значение 12.0107 ед. Однако атом на изображении соответствует 12-изотопу углерода ( 12 В), который состоит из д. Другие изотопы, такие как 13 С и 14 С, менее обильные, изменяются только по числу нейтронов.
Итак, если вы рисуете эти изотопы на 13 C будет иметь дополнительный желтый круг, а 14 С, еще два. Это логически означает, что они являются более тяжелыми атомами углерода.
В дополнение к этому, какие еще характеристики могут быть упомянуты в этом отношении? Он четырехвалентен, то есть может образовывать четыре ковалентные связи. Он расположен в группе 14 (НДС) периодической таблицы, более конкретно в блоке p.
Это также очень универсальный атом, способный связывать практически все элементы периодической таблицы; особенно с самим собой, образуя макромолекулы и линейные, разветвленные и пластинчатые полимеры.
структура
Какова структура атома углерода? Чтобы ответить на этот вопрос, сначала вы должны перейти к вашей электронной конфигурации: 1с 2 2s 2 2р 2 или [Он] 2с 2 2р 2 .
Таким образом, есть три орбитали: 1 2 , 2s 2 и 2р 2 , каждый с двумя электронами. Это также можно увидеть на изображении выше: три кольца с двумя электронами (голубые звезды) каждое (не путайте кольца с орбитами: они орбитальные).
Обратите внимание, однако, что две звезды имеют более темный оттенок синего цвета, чем остальные четыре. Почему? Потому что первые два соответствуют внутреннему слою 1с 2 или [He], который не участвует непосредственно в образовании химических связей; в то время как электроны во внешнем слое, 2s и 2p, делают.
S и p орбитали не имеют одинаковую форму, поэтому проиллюстрированный атом не соответствует действительности; в дополнение к большой диспропорции расстояния между электронами и ядром, которое должно быть в сотни раз больше.
Поэтому структура атома углерода состоит из трех орбиталей, где электроны «тают» в рассеянные электронные облака. И между ядром и этими электронами есть расстояние, которое позволяет нам увидеть огромную «пустоту» внутри атома.
гибридизация
Ранее упоминалось, что атом углерода является четырехвалентным. В соответствии с его электронной конфигурацией его 2s-электроны спарены, а 2p-электроны спарены:
Остается свободная орбиталь, которая пуста и заполнена дополнительным электроном в атоме азота (2р 3 ).
Согласно определению ковалентной связи, необходимо, чтобы каждый атом вносил электрон для своего образования; Тем не менее, можно заметить, что в базальное состояние атома углерода, он едва имеет два неспаренных электрона (по одному в каждой 2p-орбитали). Это означает, что в этом состоянии это двухвалентный атом, и, следовательно, он образует только две связи (-C-).
Итак, как это возможно, что атом углерода образует четыре связи? Для этого вы должны продвинуть электрон с орбитали 2s на орбиту с более высокой энергией 2p. Это сделано, четыре получающиеся орбитали вырождаться; другими словами, они имеют одинаковую энергию или стабильность (обратите внимание, что они выровнены).
Этот процесс известен как гибридизация, и благодаря этому теперь атом углерода имеет четыре орбитальных sp 3 с одним электроном каждый, чтобы сформировать четыре связи. Это связано с тем, что он является четырехвалентным.
зр 3
Когда атом углерода обладает sp-гибридизацией 3 , Ориентируйте его четыре гибридные орбитали к вершинам тетраэдра, который является его электронной геометрией.
Таким образом, вы можете определить углеродный сп 3 потому что он образует только четыре простые связи, как в молекуле метана (СН4). И вокруг этого можно наблюдать тетраэдрическую среду.
Перекрытие sp орбиталей 3 она настолько эффективна и стабильна, что простая связь C-C имеет энтальпию 345,6 кДж / моль. Это объясняет, почему существуют бесконечные углеродистые структуры и неизмеримое количество органических соединений. В дополнение к этому, атомы углерода могут образовывать другие типы связей.
зр 2 и зр
Атом углерода также способен принимать другие гибридизации, которые позволят ему образовывать двойную или даже тройную связь.
В sp гибридизации 2 , Как видно на изображении, есть три sp-орбитали 2 вырождается и 2p орбиталь остается неизменной или «чистой». С тремя орбитали 2 отделенный на 120º, углерод образует три ковалентные связи, рисуя электронную геометрию в треугольной плоскости; в то время как с 2p-орбиталью, перпендикулярной остальным трем, она образует связь π: -C = C-.
Для случая sp-гибридизации есть две sp-орбитали, разделенные на 180º, так что они рисуют линейную электронную геометрию. На этот раз они имеют две чистые 2p-орбитали, перпендикулярные друг другу, которые позволяют углероду образовывать тройные связи или две двойные связи: -C≡C- или . C = C = C . (центральный углерод имеет sp-гибридизацию) ).
Обратите внимание, что всегда (обычно), если вы добавите ссылки вокруг углерода, вы обнаружите, что число равно четырем. Эта информация важна при рисовании структур Льюиса или молекулярных структур. Атом углерода, образующий пять связей (= C≡C), теоретически и экспериментально недопустим.
классификация
Как классифицируются атомы углерода? Больше, чем классификация по внутренним характеристикам, в действительности это зависит от молекулярной среды. То есть, что внутри молекулы ее атомы углерода могут быть классифицированы в соответствии со следующим.
первичный
Первичный углерод — это тот, который связан только с другим углеродом. Например, молекула этана, СН3-СН3 состоит из двух связанных первичных углеродов. Это сигнализирует о конце или начале углеродной цепи.
вторичный
Это тот, который связан с двумя атомами углерода. Итак, для молекулы пропана, СН3—СН2-СН3, атом углерода среды является вторичным (метиленовая группа, -CH2-).
третичный
Третичные атомы углерода отличаются от остальных тем, что из них возникают ветви основной цепи. Например, 2-метилбутан (также называемый изопентан), СН3—СН(СН3) -CH2-СН3 Третичный углерод выделен жирным шрифтом.
четвертичный
И, наконец, четвертичные атомы углерода, как следует из названия, связаны с четырьмя другими атомами углерода. Молекула неопентана, С(СН3)4 имеет четвертичный атом углерода.
приложений
Атомная единица массы
Средняя атомная масса 12 C используется в качестве стандартной меры для расчета массы других элементов. Таким образом, водород весит двенадцатую часть этого изотопа углерода, который используется для определения того, что известно как атомная единица массы u.
Таким образом, другие атомные массы можно сравнить с 12 С а 1 H. Например, магний ( 24 Mg) весит примерно вдвое больше, чем атом углерода, и в 24 раза больше, чем атом водорода.
Углеродный цикл и жизнь
Растения поглощают СО2 в процессе фотосинтеза выделяют кислород в атмосферу и действуют как легкие растений. Когда они умирают, они становятся древесным углем, который после сжигания выделяет СО2. Одна часть возвращается к растениям, а другая попадает в морское дно, питая многие микроорганизмы.
Когда микроорганизмы умирают, оставшиеся твердые в его осадок биологического разложения, и через миллионы лет, он превращается в то, что известно как нефть.
Когда человечество использует это масло в качестве альтернативного источника энергии для сжигания угля, оно способствует выделению большего количества СО2 (и другие нежелательные газы).
С другой стороны, жизнь использует атомы углерода из самых глубоких ее основ. Это происходит из-за стабильности его связей, что позволяет ему формировать цепочки и молекулярные структуры, которые составляют макромолекулы, столь же важные, как ДНК.
ЯМР спектроскопия 13 С
13 С, даже если он в гораздо меньшей пропорции, чем 12 С его обилие достаточно, чтобы выяснить молекулярные структуры с помощью ядерной магнитно-резонансной спектроскопии углерода-13.
Благодаря этой методике анализа можно определить, какие атомы окружают 13 С и к каким функциональным группам они относятся. Таким образом, углеродный скелет любого органического соединения может быть определен.
Углерод — С (6 протонов, 6 нейтронов, 6 электронов)
Копоть, сажа, уголь — это и есть углерод практически в чистом виде. Черное пачкающее вещество. Правда, сегодня городскому жителю углерод чаще всего встречается в виде графита, то есть в виде грифеля в простом карандаше. Это тоже пачкающее, мягкое серо-черное вещество. Здесь его пачкающие свойства применяют с пользой — чтобы оставлять следы на бумаге.
Однако есть и другие формы существования углерода — совершенно не черные, не пачкающие и не мягкие, а совсем даже напротив — прозрачные и очень твердые. Такая форма существования углерода называется алмазом. Если грифель растирается в пыль руками, то алмаз — самое твердое вещество на Земле. И кто скажет, что он пачкается? Он прекрасен! Это вам любая женщина подтвердит.
Но каков фокус! С одной стороны — нечто черное, непрозрачное, проводящее электрический ток и очень мягкое. С другой — бесцветный, прозрачный, невероятно твердый изолятор (материал, не проводящий ток). И это все — одно и то же вещество!
Фазовый переход, друзья мои! При определенных (очень высоких) температурах и давлениях графит превращается в алмаз. Химически он остается все тем же веществом, но его физические свойства, как видите, меняются кардинально. А все из-за того, что перестраивается кристаллическая решетка.
Так упакованы атомы в графите
А так они располагаются в алмазе
Однако при прямо противоположных физических свойствах своих химических «привычек» алмаз не лишился. Он точно так же может прореагировать с кислородом (О) и полностью окислиться, то есть сгореть без остатка, целиком превратившись в углекислый газ (СО2).
Углерод — один из важнейших для жизни элементов. Собственно, жизнь из него и «сделана». Этот элемент обладает чудесным свойством выстраивать сам с собой, а также с другими элементами длинные молекулы, именуемые полимерами. Из таких длинных атомных цепочек и строится вся органика, то есть, грубо говоря, «живое вещество».
Азот (N), стоящий в таблице Менделеева правее углерода, — это газ. И соседний кислород (O) тоже газ. И фтор (F) — газ. А вот более легкий, чем эти трое, углерод — почему-то представляет собой твердое вещество. Почему? Потому что он, в отличие от кислорода, азота и фтора, не образует легких молекул из двух атомов, типа О2, N2 и F2. Сила связи между атомами кислорода в одной молекуле кислорода О2 велика, а между разными молекулами кислорода слаба — вот они и разлетаются в разные стороны. Зато в алмазе, например, все атомы углерода связаны друг с другом одинаково крепко — в один сплошной полимер. Можно сказать, что кристалл алмаза — это одна сверхгигантская молекула. И конечно, такая сверхтяжелая «молекула» газом быть никак не может.
Тот раздел химии, который изучает углеродные полимеры, называется органической химией. Углеродные цепочки — тот «скелет», на котором строятся молекулы жизни.
Круговорот углерода в природе прост — животные дышат кислородом, а выдыхают углекислый газ (СО2), связывая таким образом углерод. Растения же, напротив, дышат углекислым газом, выдыхая в атмосферу кислород, а высвобожденный углерод пускают на строительство своего «тела» — ствола, листьев, корней. Потом растения поедаются животными, и углерод, как главный строительный материал всего живого, поступает в их тела.
В человеке массой 70 кг содержится 15 кг углерода. Больше, чем углерода, в организме человека только кислорода — почти 45 кг. А водорода — 6 кг. При этом атомов водорода в штуках почти в два раза больше, чем атомов кислорода, просто водород очень легкий. Водород и кислород присутствуют в нашем организме в основном в виде воды, из который человек состоит на 70 %. Человек, по сути, это водный пузырь, армированный костями. Точнее, миллиарды микроскопических водяных пузыриков, именуемых клетками. Все жизненные реакции внутри нас идут в водном растворе.