Apa yang membentuk karbon. Keadaan valensi atom karbon

Salah satu unsur paling menakjubkan yang mampu membentuk berbagai macam senyawa organik dan anorganik adalah karbon. Ini adalah unsur dengan sifat yang tidak biasa sehingga Mendeleev meramalkan masa depan yang cerah, berbicara tentang ciri-ciri yang belum terungkap.

Belakangan hal ini secara praktis dikonfirmasi. Diketahui bahwa ini adalah elemen biogenik utama planet kita, yang merupakan bagian dari semua makhluk hidup. Selain itu, ia mampu eksis dalam bentuk yang berbeda secara radikal dalam segala hal, namun pada saat yang sama hanya terdiri dari atom karbon.

Secara umum, struktur ini memiliki banyak fitur, dan kami akan mencoba memahaminya sepanjang artikel ini.

Karbon: rumus dan kedudukannya dalam sistem unsur

Dalam tabel periodik, unsur karbon terletak pada golongan IV (menurut model baru pada 14), subkelompok utama. Nomor serinya adalah 6, dan berat atom 12.011. Penunjukan suatu unsur dengan tanda C menunjukkan namanya dalam bahasa Latin - carboneum. Ada beberapa bentuk karbon yang berbeda. Oleh karena itu rumusnya bervariasi dan bergantung pada modifikasi spesifiknya.

Namun tentunya ada notasi khusus untuk penulisan persamaan reaksi. Secara umum, ketika berbicara tentang suatu zat di bentuk murni, rumus molekul karbon adalah C, tanpa indeksasi.

Sejarah penemuan unsur

Unsur ini sendiri sudah dikenal sejak zaman dahulu kala. Bagaimanapun, salah satu mineral terpenting di alam adalah batu bara. Oleh karena itu, hal ini bukanlah rahasia bagi orang Yunani kuno, Romawi, dan bangsa lain.

Selain variasi ini, berlian dan grafit juga digunakan. Dengan yang terakhir untuk waktu yang lama ada banyak situasi yang membingungkan, karena senyawa seperti:

• timah perak;
• besi karbida;
• Molibdenum sulfida.

Semuanya dicat hitam dan karena itu dianggap grafit. Kesalahpahaman ini kemudian diklarifikasi dan bentuk karbon ini menjadi dirinya sendiri.

Sejak tahun 1725, berlian menjadi sangat penting secara komersial, dan pada tahun 1970 teknologi untuk memproduksinya secara artifisial telah dikuasai. Sejak 1779, berkat karya Karl Scheele, mereka belajar Sifat kimia karbon yang ditunjukkan. Hal ini menjadi awal dari sejumlah penemuan penting di bidang elemen ini dan menjadi dasar untuk menjelaskan semua fitur uniknya.

Isotop karbon dan sebarannya di alam

Terlepas dari kenyataan bahwa unsur yang dimaksud adalah salah satu unsur biogenik yang paling penting, kandungan totalnya dalam massa kerak bumi adalah 0,15%. Hal ini terjadi karena ia tunduk pada sirkulasi yang konstan, siklus alam yang alami.

Secara umum kita dapat menyebutkan beberapa senyawa mineral yang mengandung karbon. Ini adalah ras alami seperti:

• dolomit dan batugamping;
• antrasit;
• serpih minyak;
• gas alam;
• batu bara;
• minyak;
• batubara coklat;
• gambut;
• aspal.

Selain itu, kita tidak boleh melupakan makhluk hidup, yang hanyalah gudang senyawa karbon. Bagaimanapun, mereka membentuk protein, lemak, karbohidrat, asam nukleat, yang berarti molekul struktural paling vital. Secara umum, dari 70 kg massa tubuh kering, 15 diantaranya merupakan unsur murni. Demikian pula halnya dengan setiap orang, tidak terkecuali hewan, tumbuhan, dan makhluk lainnya.

Jika kita memperhatikan air, yaitu hidrosfer secara keseluruhan dan atmosfer, maka terdapat campuran karbon dan oksigen, yang dinyatakan dengan rumus CO 2. Dioksida atau karbon dioksida adalah salah satu gas utama penyusun udara. Dalam bentuk inilah fraksi massa karbon adalah 0,046%. Bahkan lebih larut karbon dioksida di perairan Samudra Dunia.

Massa atom karbon sebagai suatu unsur adalah 12,011. Diketahui bahwa nilai ini dihitung sebagai rata-rata aritmatika antara berat atom semua varietas isotop yang ada di alam, dengan mempertimbangkan kelimpahannya (dalam persentase). Hal ini terjadi dengan substansi yang dimaksud. Ada tiga isotop utama tempat terjadinya karbon. Ini:

• 12 C - fraksi massanya sebagian besar adalah 98,93%;
• 13C - 1,07%;
• 14 C - radioaktif, waktu paruh 5700 tahun, pemancar beta stabil.

Dalam praktek penentuan umur geokronologis suatu sampel, isotop radioaktif 14 C banyak digunakan, yang merupakan indikator karena masa peluruhannya yang lama.

Modifikasi unsur alotropik

Karbon adalah suatu unsur yang, sebagai zat sederhana, terdapat dalam beberapa bentuk. Artinya, ia mampu membentuk modifikasi alotropik dalam jumlah terbesar yang diketahui saat ini.

1. Variasi kristal - ada dalam bentuk struktur kuat dengan kisi tipe atom biasa. Kelompok ini mencakup varietas seperti:

• berlian;
• fullerene;
• grafit;
• karabin;
• penduduk London;
• dan tabung.

Mereka semua memiliki kisi yang berbeda, di titik simpulnya terdapat atom karbon. Oleh karena itu sifat-sifatnya yang benar-benar unik dan berbeda, baik fisik maupun kimia.

2. Bentuk amorf - dibentuk oleh atom karbon, yang merupakan bagian dari beberapa senyawa alami. Artinya, ini bukan varietas murni, tetapi dengan campuran unsur lain dalam jumlah kecil. DI DALAM kelompok ini termasuk:

• Karbon aktif;
• batu dan kayu;
• jelaga;
• karbon nanofoam;
• antrasit;
• karbon seperti kaca;
• variasi teknis suatu zat.

Mereka juga disatukan oleh ciri struktural kisi kristal, yang menjelaskan dan menunjukkan sifat.

3. Senyawa karbon berbentuk gugus. Ini adalah struktur di mana atom-atom terkunci dalam konformasi khusus yang berlubang dari dalam, berisi air atau inti unsur lainnya. Contoh:

• nanokon karbon;
• astralen;
• dikarbon.

Sifat fisik karbon amorf

Karena variasi yang sangat banyak modifikasi alotropik, sulit untuk mengidentifikasi sifat fisik umum karbon. Lebih mudah membicarakan bentuk tertentu. Misalnya, karbon amorf memiliki ciri-ciri sebagai berikut.

1. Semua bentuk didasarkan pada jenis grafit kristal halus.
2. Kapasitas panas tinggi.
3. Sifat konduktif yang baik.
4. Kepadatan karbon sekitar 2 g/cm3.
5. Ketika dipanaskan di atas 1600 0 C, terjadi transisi ke bentuk grafit.

Varietas jelaga dan batu banyak digunakan tujuan teknis. Mereka bukan merupakan manifestasi dari modifikasi karbon dalam bentuk murni, tetapi mengandungnya dalam jumlah yang sangat besar.

Karbon kristal

Ada beberapa pilihan dimana karbon merupakan zat yang membentuk kristal biasa berbagai jenis, dimana atom-atomnya dihubungkan secara seri. Hasilnya, modifikasi berikut terbentuk.

1. - kubik, di mana empat tetrahedron terhubung. Akibatnya, semua ikatan kimia kovalen setiap atom menjadi jenuh dan sekuat mungkin. Hal ini menjelaskan sifat fisik: kepadatan karbon 3300 kg/m3. Kekerasan tinggi, kapasitas panas rendah, konduktivitas listrik rendah - semua ini adalah akibat dari struktur kisi kristal. Ada berlian yang diproduksi secara teknis. Mereka terbentuk selama transisi grafit ke modifikasi berikutnya di bawah pengaruh suhu tinggi dan tekanan tertentu. Secara umum, kekuatannya setinggi - sekitar 3500 0 C.
2. Grafit. Atom-atomnya tersusun mirip dengan struktur zat sebelumnya, namun hanya tiga ikatan yang jenuh, dan ikatan keempat menjadi lebih panjang dan kurang kuat; ia menghubungkan “lapisan” cincin kisi heksagonal. Hasilnya, ternyata grafit merupakan zat berwarna hitam yang lembut dan berminyak jika disentuh. Ia memiliki konduktivitas listrik yang baik dan memiliki titik leleh yang tinggi - 3525 0 C. Mampu melakukan sublimasi - sublimasi dari padat ke gas, melewati cairan (pada suhu 3700 0 C). Massa jenis karbon adalah 2,26 g/cm3, jauh lebih rendah dibandingkan berlian. Ini menjelaskannya berbagai properti. Karena struktur kisi kristal yang berlapis, grafit dapat digunakan untuk membuat ujung pensil. Saat dilewatkan di atas kertas, sisiknya terkelupas dan meninggalkan bekas hitam di kertas.
3. Fullerene. Mereka baru ditemukan pada tahun 80-an abad terakhir. Mereka adalah modifikasi di mana karbon dihubungkan satu sama lain menjadi struktur tertutup cembung khusus dengan rongga di tengahnya. Apalagi bentuk kristalnya polihedron, organisasi yang tepat. Jumlah atomnya genap. Bentuk fullerene C 60 yang paling terkenal. Sampel zat serupa ditemukan selama penelitian:

• meteorit;
• sedimen dasar;
• orang folgur;
• orang shung;
• luar angkasa, di mana mereka terkandung dalam bentuk gas.

Semua jenis karbon kristal sangat penting secara praktis karena memiliki sejumlah sifat yang berguna dalam teknologi.

Aktivitas kimia

Karbon molekuler menunjukkan aktivitas kimia yang rendah karena konfigurasinya yang stabil. Ia dapat dipaksa untuk bereaksi hanya dengan memberikan energi tambahan pada atom dan memaksa elektron pada tingkat terluar menguap. Pada titik ini valensinya menjadi 4. Oleh karena itu, dalam senyawa ia mempunyai bilangan oksidasi + 2, + 4, - 4.

Hampir semua reaksi dengan zat sederhana, baik logam maupun nonlogam, terjadi di bawah pengaruh suhu tinggi. Unsur yang dimaksud dapat berupa zat pengoksidasi atau zat pereduksi. Namun, sifat-sifat terakhir ini sangat menonjol di dalamnya, dan inilah yang menjadi dasar penggunaannya dalam industri metalurgi dan lainnya.

Secara umum, kemampuan untuk melakukan interaksi kimia bergantung pada tiga faktor:

• dispersi karbon;
• modifikasi alotropik;
• suhu reaksi.

Jadi, dalam beberapa kasus, terjadi interaksi dengan zat berikut:

• non-logam (hidrogen, oksigen);
• logam (aluminium, besi, kalsium dan lain-lain);
• oksida logam dan garamnya.

Tidak bereaksi dengan asam dan basa, sangat jarang dengan halogen. Sifat karbon yang paling penting adalah kemampuannya untuk membentuk rantai panjang satu sama lain. Mereka dapat menutup dalam satu siklus dan membentuk cabang. Dari sinilah terjadi pembentukan senyawa organik yang saat ini jumlahnya mencapai jutaan. Senyawa ini didasarkan pada dua unsur - karbon dan hidrogen. Komposisinya juga dapat mencakup atom lain: oksigen, nitrogen, belerang, halogen, fosfor, logam dan lain-lain.

Koneksi dasar dan karakteristiknya

ada banyak berbagai koneksi, yang mengandung karbon. Rumusnya yang paling terkenal adalah CO 2 - karbon dioksida. Namun selain oksida ini, ada juga CO - monoksida atau karbon monoksida, serta suboksida C 3 O 2.

Diantara garam yang dikandungnya elemen ini, yang paling umum adalah kalsium dan magnesium karbonat. Jadi, kalsium karbonat memiliki beberapa sinonim dalam namanya, karena terdapat di alam dalam bentuk:

• kapur;
• marmer;
• batu gamping;
• dolomit

Pentingnya karbonat logam alkali tanah diwujudkan dalam kenyataan bahwa mereka berperan aktif dalam pembentukan stalaktit dan stalagmit, serta air tanah.

Asam karbonat adalah senyawa lain yang membentuk karbon. Rumusnya adalah H 2 CO 3. Namun, dalam bentuknya yang biasa, ia sangat tidak stabil dan segera terurai menjadi karbon dioksida dan air dalam larutan. Oleh karena itu, hanya garamnya yang diketahui, dan bukan dirinya sendiri sebagai larutan.

Karbon halida diperoleh terutama secara tidak langsung, karena sintesis langsung hanya terjadi pada suhu yang sangat tinggi dan hasil produk yang rendah. Salah satu yang paling umum adalah CCL 4 - karbon tetraklorida. Senyawa beracun yang dapat menyebabkan keracunan jika terhirup. Diperoleh melalui reaksi substitusi fotokimia radikal dalam metana.

Karbida logam adalah senyawa karbon yang menunjukkan bilangan oksidasi 4. Mungkin juga terdapat kombinasi dengan boron dan silikon. Sifat utama karbida dari beberapa logam (aluminium, tungsten, titanium, niobium, tantalum, hafnium) adalah kekuatan tinggi dan konduktivitas listrik yang sangat baik. Boron karbida B 4 C adalah salah satu yang paling banyak padatan setelah intan (9,5 Mohs). Senyawa ini digunakan dalam teknologi, serta industri kimia, sebagai sumber hidrokarbon (kalsium karbida dengan air mengarah pada pembentukan asetilena dan kalsium hidroksida).

Banyak paduan logam dibuat menggunakan karbon, sehingga meningkatkan kualitas dan kualitasnya secara signifikan spesifikasi(baja adalah paduan besi dan karbon).

Banyak senyawa karbon organik yang patut mendapat perhatian khusus, karena merupakan unsur fundamental yang mampu bergabung dengan atom yang sama untuk membentuk rantai panjang dengan berbagai struktur. Ini termasuk:

• alkana;
• alkena;
• arena;
• protein;
• karbohidrat;
• asam nukleat;
• alkohol;
• asam karboksilat dan banyak kelas zat lainnya.

Penerapan karbon

Pentingnya senyawa karbon dan modifikasi alotropiknya dalam kehidupan manusia sangat besar. Anda dapat menyebutkan beberapa industri paling global untuk memperjelas bahwa hal ini memang benar adanya.

1. Unsur ini membentuk semua jenis bahan bakar organik yang menjadi sumber energi manusia.
2. Industri metalurgi menggunakan karbon sebagai zat pereduksi yang kuat untuk memperoleh logam dari senyawanya. Karbonat juga banyak digunakan di sini.
3. Konstruksi dan industri kimia mengkonsumsi senyawa karbon dalam jumlah besar untuk mensintesis zat baru dan memperoleh produk yang diperlukan.

Anda juga dapat menyebutkan sektor-sektor ekonomi seperti:

• industri nuklir;
• pembuatan perhiasan;
• Peralatan teknis(pelumas, cawan lebur tahan panas, pensil, dll);
• penentuan umur geologi batuan - indikator radioaktif 14 C;
• Karbon adalah adsorben yang sangat baik sehingga dapat digunakan untuk pembuatan filter.

Siklus di alam

Massa karbon yang terdapat di alam termasuk dalam siklus konstan, yang terjadi setiap detik secara siklis ke dunia. Dengan demikian, sumber karbon di atmosfer, CO 2, diserap oleh tumbuhan dan dilepaskan oleh semua makhluk hidup selama respirasi. Begitu memasuki atmosfer, ia diserap kembali, sehingga siklus terus berlanjut. Dalam hal ini, kematian sisa-sisa organik menyebabkan pelepasan karbon dan akumulasinya di dalam tanah, kemudian diserap kembali oleh organisme hidup dan dilepaskan ke atmosfer dalam bentuk gas.

Kemampuan karbon untuk membentuk rantai polimer memunculkan kelas besar senyawa berbasis karbon yang disebut organik, yang jumlahnya jauh lebih banyak daripada senyawa anorganik dan merupakan studi kimia organik.

Cerita

Pada pergantian abad XVII-XVIII. muncul teori flogiston yang dikemukakan oleh Johann Becher dan Georg Stahl. Teori ini mengakui keberadaan zat dasar khusus di setiap benda yang mudah terbakar - cairan tanpa bobot - flogiston, yang menguap selama proses pembakaran. Karena ketika sejumlah besar batubara dibakar, hanya sedikit abu yang tersisa, ahli flogistik percaya bahwa batubara hampir merupakan flogiston murni. Hal inilah yang menjelaskan, khususnya, efek “phlogistik” batubara – kemampuannya untuk mereduksi logam dari “kapur” dan bijih. Ahli flogistik selanjutnya, Reaumur, Bergman dan lain-lain, sudah mulai memahami bahwa batubara adalah suatu zat unsur. Namun, “batubara bersih” pertama kali dikenal oleh Antoine Lavoisier, yang mempelajari proses pembakaran batu bara dan zat lain di udara dan oksigen. Dalam buku karya Guiton de Morveau, Lavoisier, Berthollet dan Fourcroix "Method tata nama kimia"(1787) nama "karbon" (carbone) muncul sebagai ganti "batubara murni" Perancis (charbone pur). Dengan nama yang sama, karbon muncul dalam “Tabel Benda Sederhana” dalam “Buku Teks Dasar Kimia” Lavoisier.

asal usul nama

Pada awal abad ke-19, istilah “larutan karbon” kadang-kadang digunakan dalam literatur kimia Rusia (Scherer, 1807; Severgin, 1815); Sejak 1824, Solovyov memperkenalkan nama “karbon”. Senyawa karbon mempunyai bagian dalam namanya karbohidrat (dia)- dari lat. karbon. karbonis) "batu bara".

Properti fisik

Karbon terdapat dalam banyak modifikasi alotropik dengan sangat beragam properti fisik. Beragamnya modifikasi ini disebabkan oleh kemampuan karbon untuk membentuk ikatan kimia yang berbeda jenisnya.

Isotop karbon

Karbon alam terdiri dari dua isotop stabil - 12 C (98,93%) dan 13 C (1,07%) dan satu isotop radioaktif 14 C (β-emitor, T ½ = 5730 tahun), terkonsentrasi di atmosfer dan bagian atas bumi kulit pohon. Ia terus-menerus terbentuk di lapisan bawah stratosfer sebagai akibat dari dampak neutron dari radiasi kosmik pada inti nitrogen menurut reaksi: 14 N (n, p) 14 C, dan juga, sejak pertengahan 1950-an, sebagai produk buatan manusia dari pembangkit listrik tenaga nuklir dan sebagai hasil pengujian bom hidrogen.

Modifikasi karbon alotropik

Karbon kristal

Karbon amorf

• Batubara fosil: Batubara Antrasit dan Fosil.
• Kokas batubara, kokas minyak bumi, dll.

Dalam praktiknya, bentuk amorf yang disebutkan di atas biasanya merupakan senyawa kimia dengan kandungan karbon tinggi, bukan bentuk karbon alotropik murni.

Bentuk klaster

Struktur

Karbon cair hanya ada pada tekanan eksternal tertentu. Tiga poin: grafit - cair - uap T= 4130K, R= 10,7 MPa dan grafit - intan - cair T≈ 4000 K, R≈ 11 IPK. Grafit garis kesetimbangan - cair dalam fasa R, T- diagram memiliki kemiringan positif, yang berubah menjadi negatif ketika mendekati titik tripel grafit - berlian - cair, yang dikaitkan dengan sifat unik atom karbon untuk membuat molekul karbon yang terdiri dari jumlah atom berbeda (dari dua hingga tujuh) . Kemiringan garis kesetimbangan berlian-cair, jika tidak ada percobaan langsung pada daerah suhu dan tekanan yang sangat tinggi (>4000-5000 K) (>10-20 GPa), bertahun-tahun yang panjang dianggap negatif. Eksperimen langsung yang dilakukan oleh peneliti Jepang dan pengolahan data eksperimen yang diperoleh, dengan mempertimbangkan anomali kapasitas panas suhu tinggi berlian, menunjukkan bahwa kemiringan garis kesetimbangan berlian-cair adalah positif, yaitu berlian lebih berat daripada cairannya. (dalam lelehannya akan tenggelam dan tidak mengapung seperti es di air) .

Berlian ultradisperse (berlian nano)

Pada tahun 1980-an di Uni Soviet, ditemukan bahwa dalam kondisi pembebanan dinamis bahan yang mengandung karbon, struktur mirip berlian, yang disebut berlian ultrahalus (UDD), dapat terbentuk. Saat ini, istilah “nanodiamond” semakin banyak digunakan. Ukuran partikel bahan tersebut adalah beberapa nanometer. Kondisi pembentukan UDD dapat diwujudkan ketika bahan peledak diledakkan dengan keseimbangan oksigen negatif yang signifikan, misalnya campuran TNT dengan heksogen. Kondisi seperti ini juga dapat terjadi pada saat terjadinya dampak benda langit tentang permukaan bumi dengan adanya bahan yang mengandung karbon (bahan organik, gambut, batu bara, dll). Jadi, di zona jatuhnya meteorit Tunguska, UDA ditemukan di lantai hutan.

karbin

Modifikasi kristal karbon dari sistem heksagonal dengan struktur rantai molekul disebut karbina. Rantai tersebut memiliki struktur poliena (−C≡C−) atau struktur polikumulen (=C=C=). Beberapa bentuk karbina diketahui, berbeda dalam jumlah atom dalam sel satuan, ukuran sel dan kepadatan (2,68-3,30 g/cm³). Carbyne terjadi di alam dalam bentuk mineral chaoite (urat putih dan inklusi dalam grafit) dan diperoleh secara artifisial dengan dehidropolikondensasi oksidatif asetilena, aksi radiasi laser pada grafit, dari hidrokarbon atau CCl 4 dalam plasma suhu rendah.

Carbyne adalah bubuk hitam kristal halus (densitas 1,9-2 g/cm³) dan memiliki sifat semikonduktor. Diterima di kondisi buatan terdiri dari rantai panjang atom karbon yang disusun sejajar satu sama lain.

Carbyne adalah polimer karbon linier. Dalam molekul karbina, atom karbon dihubungkan dalam rantai secara bergantian baik melalui ikatan rangkap tiga dan tunggal (struktur poliena), atau secara permanen melalui ikatan rangkap (struktur polikumulen). Zat ini pertama kali diperoleh oleh ahli kimia Soviet V.V. Korshak, A.M. Sladkov, V.I. Carbyne memiliki sifat semikonduktor, dan di bawah pengaruh cahaya, konduktivitasnya meningkat pesat. Yang pertama didasarkan pada properti ini penggunaan praktis- di fotosel.

Fullerene dan tabung nano karbon

Karbon juga dikenal dalam bentuk partikel cluster C 60, C 70, C 80, C 90, C 100 dan sejenisnya (fullerene), serta graphene, nanotube dan struktur kompleks - astralene.

Karbon amorf (struktur)

Struktur karbon amorf didasarkan pada struktur grafit kristal tunggal (selalu mengandung pengotor) yang tidak teratur. Ini adalah kokas, batubara coklat dan keras, karbon hitam, jelaga, karbon aktif.

Grafena

Graphene adalah modifikasi karbon alotropik dua dimensi, dibentuk oleh lapisan atom karbon setebal satu atom, dihubungkan melalui ikatan sp² ke dalam kisi kristal dua dimensi heksagonal.

Berada di alam

Diperkirakan bumi secara keseluruhan terdiri dari 730 ppm karbon, dengan 2000 ppm di inti dan 120 ppm di mantel dan kerak. Karena massa bumi adalah 5.972⋅10 24 kg, hal ini menunjukkan adanya 4.360 juta gigaton karbon.

Dianggap sebagai senyawa kimia karbon, namun, mengingat sejarah, masih terus menyebutnya kimia organik. Oleh karena itu, sangat penting untuk mempertimbangkan secara lebih rinci struktur atom suatu unsur, sifat dan arah spasial ikatan kimia yang dibentuknya.

Valensi suatu unsur kimia paling sering ditentukan oleh jumlah elektron yang tidak berpasangan. Atom karbon, seperti terlihat dari rumus grafik elektron, mempunyai dua elektron yang tidak berpasangan, oleh karena itu dengan partisipasinya dapat terbentuk dua pasangan elektron yang melakukan dua ikatan kovalen. Namun, dalam senyawa organik, karbon tidak bersifat divalen, melainkan selalu tetravalen. Hal ini dapat dijelaskan oleh fakta bahwa dalam atom yang tereksitasi (setelah menerima energi tambahan), elektron 2p berpasangan dan salah satunya berpindah ke orbital 2p:

Atom tersebut memiliki empat elektron tidak berpasangan dan dapat berpartisipasi dalam penciptaan empat ikatan kovalen.

Untuk membentuk ikatan kovalen, orbital suatu atom harus tumpang tindih dengan orbital atom lainnya. Selain itu, semakin besar tumpang tindihnya, semakin kuat hubungannya.

Pada molekul hidrogen H2, pembentukan ikatan kovalen terjadi karena tumpang tindih orbital s (Gbr. 3).

Jarak antara inti atom hidrogen, atau panjang ikatan, adalah 7,4 * 10 -2 nm, dan kekuatannya adalah 435 kJ/mol.

Sebagai perbandingan: pada molekul fluor F2, ikatan kovalen terbentuk karena tumpang tindih dua orbital p.

Panjang ikatan fluor-fluor adalah 14,2 · 10 -2 nm, dan kekuatan ikatan (energi) adalah 154 kJ/mol.

Ikatan kimia yang dibentuk oleh tumpang tindih orbital elektron sepanjang garis ikatan disebut ikatan α (ikatan sigma).

Jalur komunikasi adalah garis lurus yang menghubungkan inti atom. Untuk orbital b, hanya satu cara tumpang tindih yang mungkin terjadi - dengan pembentukan ikatan a.

Orbital p dapat tumpang tindih untuk membentuk ikatan a, dan juga dapat tumpang tindih di dua wilayah, membentuk ikatan kovalen dari jenis yang berbeda - karena tumpang tindih “lateral”:

Ikatan kimia yang terbentuk sebagai akibat tumpang tindih “lateral” orbital elektron di luar garis ikatan, yaitu pada dua daerah, disebut ikatan n (ikatan pi).

Jenis ikatan yang dipertimbangkan adalah tipikal untuk molekul etilen C2H4 dan asetilena C2H2. Namun Anda akan mempelajarinya lebih detail di paragraf berikutnya.

1. Tuliskan rumus elektronik atom karbon. Jelaskan arti dari setiap simbol yang ada di dalamnya.

Apa yang rumus elektronik atom boron, berilium, dan litium?

Buatlah rumus grafik elektron yang sesuai dengan atom unsur-unsur tersebut.

2. Tuliskan rumus elektroniknya:

a) atom natrium dan kation Na+;

b) atom magnesium dan kation Mg2+;

c) atom fluor dan F - anion;

d) atom oksigen dan anion O2;

e) atom hidrogen dan ion H + dan H -.

Buatlah rumus grafik elektron untuk distribusi elektron antar orbital dalam partikel-partikel tersebut.

3. Atom suatu unsur kimia manakah yang sesuai dengan rumus elektronik 1s 2 2s 2 2p 6?

Kation dan anion manakah yang mempunyai rumus elektronik yang sama? Tuliskan rumus grafik elektron untuk atom dan ion-ion tersebut.

4. Bandingkan panjang ikatan molekul hidrogen dan fluor. Apa yang menyebabkan perbedaan mereka?

5. Molekul nitrogen dan fluor bersifat diatomik. Bandingkan jumlah dan sifat ikatan kimia antar atom di dalamnya.

Karbon adalah unsur keenam dalam tabel periodik Mendeleev. Berat atomnya adalah 12.

Karbon berada pada periode kedua sistem Mendeleev dan pada kelompok keempat sistem ini.

Nomor periode menunjukkan bahwa enam elektron karbon terletak pada dua tingkat energi.

Dan nomor kelompok keempat mengatakan itu di bagian luar tingkat energi Karbon memiliki empat elektron. Dua di antaranya berpasangan S-elektron, dan dua lainnya tidak berpasangan R-elektron.

Struktur lapisan elektron terluar atom karbon dapat dinyatakan dengan skema berikut:

Setiap sel dalam diagram ini berarti orbital elektron yang terpisah, panah berarti elektron yang terletak di orbital. Dua anak panah di dalam satu sel adalah dua elektron yang terletak pada orbital yang sama, tetapi spinnya berlawanan.

Ketika sebuah atom tereksitasi (ketika energi diberikan padanya), salah satu berpasangan S-elektron terisi R-orbital.

Atom karbon yang tereksitasi dapat berpartisipasi dalam pembentukan empat ikatan kovalen. Oleh karena itu, pada sebagian besar senyawanya, karbon menunjukkan valensi empat.

Jadi, senyawa organik paling sederhana, hidrokarbon metana, memiliki komposisi bab 4. Strukturnya dapat dinyatakan dengan rumus struktur atau elektronik:

Rumus elektronik menunjukkan bahwa atom karbon dalam molekul metana memiliki kulit terluar delapan elektron yang stabil, dan atom hidrogen memiliki kulit terluar dua elektron yang stabil.

Keempat ikatan karbon kovalen dalam metana (dan senyawa serupa lainnya) adalah sama dan berarah simetris dalam ruang. Atom karbon seolah-olah terletak di tengah tetrahedron (biasa piramida segi empat), dan empat atom yang terhubung dengannya (dalam kasus metana, empat atom hidrogen) pada simpul tetrahedron.

Sudut antara arah setiap pasangan ikatan adalah sama dan berjumlah 109 derajat 28 menit.

Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa dalam atom karbon, ketika membentuk ikatan kovalen dengan empat atom lainnya, dari satu atom S- dan tiga P-orbital sebagai hasilnya sp 3-hibridisasi menghasilkan empat hibrida yang terletak secara simetris di ruang angkasa sp 3-orbital memanjang menuju simpul tetrahedron.

Ciri-ciri sifat karbon.

Jumlah elektron pada tingkat energi terluar merupakan faktor utama yang menentukan sifat kimia suatu unsur.

Di sisi kiri tabel periodik terdapat unsur-unsur yang bagian luarnya jarang terisi tingkat elektronik. Unsur golongan pertama mempunyai satu elektron pada tingkat terluar, unsur golongan kedua mempunyai dua elektron.

Unsur dari kedua kelompok tersebut adalah logam. Mereka mudah teroksidasi, mis. kehilangan elektron terluarnya dan menjadi ion positif.

Sebaliknya, di sisi kanan tabel periodik ada non-logam (zat pengoksidasi). Dibandingkan dengan logam, mereka memiliki inti dengan jumlah yang besar proton. Inti yang begitu besar memberikan tarikan yang lebih kuat dari awan elektronnya.

Unsur-unsur tersebut kehilangan elektronnya dengan susah payah, tetapi mereka tidak segan-segan untuk mengikat elektron tambahan dari atom lain, yaitu. mengoksidasinya, dan pada saat yang sama berubah menjadi ion negatif.

Dengan bertambahnya nomor golongan dalam tabel periodik, sifat logam suatu unsur melemah, dan kemampuannya untuk mengoksidasi unsur lain meningkat.

Karbon termasuk dalam kelompok keempat, yaitu. tepat di tengah-tengah antara logam yang mudah melepaskan elektron, dan nonlogam yang mudah memperoleh elektron tersebut.

Untuk alasan ini karbon tidak memiliki kecenderungan yang jelas untuk menyumbangkan atau memperoleh elektron.

Rantai karbon.

Sifat luar biasa karbon, yang menentukan keragaman senyawa organik, adalah kemampuan atom-atomnya untuk berikatan dengan ikatan kovalen yang kuat satu sama lain, membentuk sirkuit karbon dengan panjang yang hampir tidak terbatas.

Selain karbon, rantai atom identik dibentuk oleh analognya dari golongan IV - silikon. Namun, rantai tersebut mengandung tidak lebih dari enam atom Si. Rantai panjang atom belerang diketahui, namun senyawa yang mengandungnya rapuh.

Valensi atom karbon yang tidak digunakan untuk ikatan timbal balik digunakan untuk penambahan atom atau gugus lain (dalam hidrokarbon - untuk penambahan hidrogen).

Jadi hidrokarbon etana ( C 2 H 6) dan propana ( dari 3 jam 8) masing-masing mengandung rantai dua dan tiga atom karbon. Strukturnya dinyatakan dengan rumus struktur dan elektronik berikut:

Diketahui senyawa yang mengandung ratusan atau lebih atom karbon dalam rantainya.

Karena orientasi ikatan karbon tetrahedral, atom-atomnya yang termasuk dalam rantai tidak terletak pada garis lurus, tetapi dalam pola zigzag. Selain itu, karena kemungkinan rotasi atom di sekitar sumbu ikatan, rantai dalam ruang dapat terjadi berbagai bentuk(konformasi):

Struktur rantai ini memungkinkan atom karbon terminal atau atom karbon lain yang tidak berdekatan untuk saling mendekat. Akibat terbentuknya ikatan antar atom tersebut, rantai karbon dapat menutup menjadi cincin (siklus), misalnya:

Jadi, keanekaragaman senyawa organik ditentukan oleh fakta kapan nomor yang sama atom karbon dalam suatu molekul, senyawa dengan rantai atom karbon terbuka dan terbuka dimungkinkan, serta zat yang molekulnya mengandung siklus.

Koneksi sederhana dan banyak.

Ikatan kovalen antara atom karbon yang dibentuk oleh sepasang elektron umum disebut ikatan sederhana.

Ikatan antar atom karbon tidak dapat dilakukan oleh satu, tetapi oleh dua atau tiga pasangan elektron yang sama. Kemudian kita mendapatkan rantai dengan ikatan ganda atau rangkap tiga. Keterhubungan tersebut dapat digambarkan sebagai berikut:

Senyawa paling sederhana yang mengandung banyak ikatan adalah hidrokarbon etilen(dengan ikatan rangkap) dan asetilen(dengan ikatan rangkap tiga):

Hidrokarbon dengan banyak ikatan disebut tak jenuh atau tak jenuh. Etilena dan asetilena adalah perwakilan pertama dari dua deret homolog - hidrokarbon etilen dan asetilena.

Karbon mungkin merupakan unsur kimia utama dan paling menakjubkan di Bumi, karena dengan bantuannya sejumlah besar berbagai senyawa, baik anorganik maupun organik, terbentuk. Karbon adalah dasar dari semua makhluk hidup; kita dapat mengatakan bahwa karbon, bersama dengan air dan oksigen, adalah dasar kehidupan di planet kita! Karbon memiliki berbagai bentuk yang tidak serupa baik sifat fisikokimia maupun sifatnya penampilan. Tapi itu semua karbon!

Sejarah penemuan karbon

Karbon telah dikenal umat manusia sejak zaman dahulu. Grafit dan batu bara digunakan oleh orang Yunani kuno, dan berlian digunakan di India. Benar, senyawa yang bentuknya serupa sering kali disalahartikan sebagai grafit. Namun, grafit telah digunakan secara luas pada zaman kuno, khususnya untuk menulis. Bahkan namanya berasal dari kata Yunani “grapho” - “Saya menulis”. Grafit sekarang digunakan dalam pensil. Berlian mulai diperdagangkan pertama kali di Brazil pada paruh pertama abad ke-18, sejak saat itu banyak deposit telah ditemukan, dan pada tahun 1970 dikembangkan teknologi untuk memproduksi berlian secara artifisial. Berlian buatan semacam itu digunakan dalam industri, sedangkan berlian alami digunakan dalam perhiasan.

Karbon di alam

Jumlah karbon terbesar dikumpulkan di atmosfer dan hidrosfer dalam bentuk karbon dioksida. Atmosfer mengandung sekitar 0,046% karbon, dan bahkan lebih banyak lagi yang terlarut di Samudra Dunia.

Selain itu, seperti yang kita lihat di atas, karbon adalah dasar dari organisme hidup. Misalnya, tubuh manusia seberat 70 kg mengandung sekitar 13 kg karbon! Itu hanya ada pada satu orang! Dan karbon juga ditemukan di semua tumbuhan dan hewan. Jadi pertimbangkan...

Siklus karbon di alam

Modifikasi karbon alotropik

Karbon adalah unsur kimia unik yang membentuk apa yang disebut modifikasi alotropik, atau lebih sederhananya, berbagai bentuk. Modifikasi ini terbagi menjadi kristal, amorf dan berbentuk cluster.

Modifikasi kristal memiliki kisi kristal biasa. Golongan ini meliputi: intan, fullerit, grafit, lonsdaleit, serat karbon dan tabung. Sebagian besar modifikasi kristal karbon berada di peringkat pertama dalam peringkat “Bahan terkeras di dunia.”

Bentuk amorf dibentuk oleh karbon dengan sedikit campuran lainnya unsur kimia. Perwakilan utama kelompok ini: batu bara (batu, kayu, aktif), jelaga, antrasit.

Senyawa yang paling kompleks dan berteknologi tinggi adalah senyawa karbon yang berbentuk gugus. Cluster adalah struktur khusus, yang atom karbonnya tersusun sedemikian rupa sehingga membentuk suatu bentuk berongga, yang bagian dalamnya diisi dengan atom unsur lain, misalnya air. Tidak banyak perwakilan dalam kelompok ini; termasuk karbon nanokon, astralen, dan dikarbon.

Penerapan karbon

Karbon dan senyawanya memiliki nilai yang besar dalam kehidupan manusia. Jenis bahan bakar utama di Bumi - gas alam dan minyak - terbentuk dari karbon. Senyawa karbon banyak digunakan dalam industri kimia dan metalurgi, konstruksi, teknik mesin dan kedokteran. Modifikasi alotropik berupa berlian digunakan dalam perhiasan, fullerite dan lonsdaleite dalam ilmu roket. Berbagai pelumas untuk mekanisme, peralatan teknis dan masih banyak lagi dibuat dari senyawa karbon. Industri saat ini tidak dapat hidup tanpa karbon; karbon digunakan di mana-mana!