ATOM KARBON: KARAKTERISTIK, STRUKTUR, HIBRIDISASI - KIMIA - 2025

The atom karbon mungkin yang paling penting dan simbol dari semua elemen, karena berkat itu keberadaan kehidupan mungkin. Ia membungkus dirinya sendiri tidak hanya beberapa elektron, atau inti dengan proton dan neutron, tetapi juga debu bintang, yang akhirnya menyatu dan membentuk makhluk hidup.

Demikian juga, atom karbon ditemukan di kerak bumi, meskipun tidak dalam kelimpahan yang sebanding dengan unsur-unsur logam seperti besi, karbonat, karbon dioksida, minyak, berlian, karbohidrat, dll., Mereka adalah bagian dari manifestasi fisik dan kimianya.

Sumber: Gabriel Bolívar

Tapi seperti apa atom karbon itu? Sketsa pertama yang tidak akurat adalah yang terlihat pada gambar di atas, yang karakteristiknya dijelaskan di bagian selanjutnya.

Atom karbon mengalir melalui atmosfer, laut, lapisan bawah tanah, tumbuhan, dan spesies hewan apa pun. Keragaman kimianya yang besar disebabkan oleh stabilitas ikatan yang tinggi dan cara pengaturannya di ruang angkasa. Jadi, di satu sisi Anda memiliki grafit yang halus dan melumasi; dan di sisi lain, berlian, yang kekerasannya melebihi banyak material.

Jika atom karbon tidak memiliki kualitas yang mencirikannya, kimia organik tidak akan ada sepenuhnya. Beberapa visioner melihat di dalamnya bahan baru masa depan, melalui desain dan fungsionalisasi struktur alotropik mereka (tabung nano karbon, graphene, fullerene, dll.).

Karakteristik atom karbon

Atom karbon dilambangkan dengan huruf C. Nomor atomnya Z adalah 6, sehingga memiliki enam proton (lingkaran merah dengan simbol "+" pada nukleusnya). Selain itu, ia memiliki enam neutron (lingkaran kuning dengan huruf "N") dan akhirnya enam elektron (bintang biru).

Jumlah massa partikel atomnya menghasilkan nilai rata-rata 12,0107 u. Namun, atom pada gambar sesuai dengan isotop karbon 12 ( ¹² C), yang terdiri dari d. Isotop lain, seperti ¹³ C dan ¹⁴ C, kurang melimpah, hanya bervariasi dalam jumlah neutron.

Jadi, jika isotop ini ditarik, ¹³ C akan memiliki lingkaran kuning tambahan, dan ¹⁴ C akan memiliki dua lingkaran lagi. Ini secara logis berarti bahwa mereka adalah atom karbon yang lebih berat.

Selain itu, karakteristik lain apa yang dapat disebutkan dalam hal ini? Ini tetravalen, yaitu dapat membentuk empat ikatan kovalen. Itu terletak di grup 14 (IVA) dari tabel periodik, lebih khusus lagi di blok p.

Ia juga merupakan atom yang sangat serbaguna, mampu berikatan dengan hampir semua elemen tabel periodik; terutama dengan dirinya sendiri, membentuk makromolekul dan polimer linier, bercabang dan laminar.

Struktur

Apa struktur atom karbon? Untuk menjawab pertanyaan ini, pertama-tama Anda harus masuk ke konfigurasi elektroniknya: 1s ² 2s ² 2p ² atau 2s ² 2p ² .

Oleh karena itu, terdapat tiga orbital: 1s ² , 2s ^2, dan 2p ² , masing-masing dengan dua elektron. Hal ini juga dapat dilihat pada gambar di atas: tiga cincin dengan masing-masing dua elektron (bintang biru) (jangan salah mengira cincin sebagai orbit: mereka adalah orbital).

Perhatikan, bagaimanapun, bahwa dua bintang memiliki warna biru yang lebih gelap daripada empat lainnya. Mengapa? Karena dua yang pertama sesuai dengan lapisan dalam 1s ² o, yang tidak berpartisipasi secara langsung dalam pembentukan ikatan kimia; sedangkan elektron di kulit terluar, 2s dan 2p, lakukan.

Orbital s dan p tidak memiliki bentuk yang sama, sehingga atom yang diilustrasikan tidak sesuai dengan kenyataan; selain disproporsi besar jarak antara elektron dan inti, yang seharusnya ratusan kali lebih besar.

Oleh karena itu, struktur atom karbon terdiri dari tiga orbital di mana elektron "melebur" menjadi awan elektronik yang kabur. Dan antara inti atom dan elektron-elektron ini ada jarak yang menunjukkan "kekosongan" yang sangat besar di dalam atom.

Hibridisasi

Telah disebutkan sebelumnya bahwa atom karbon adalah tetravalen. Menurut konfigurasi elektroniknya, elektron 2s berpasangan dan 2p tidak berpasangan:

Sumber: Gabriel Bolívar

Ada satu orbital p yang tersedia, yang kosong dan diisi dengan elektron tambahan di atom nitrogen (2p ³ ).

Menurut definisi ikatan kovalen, setiap atom perlu menyumbang satu elektron untuk pembentukannya; akan tetapi, dapat dilihat bahwa pada keadaan dasar atom karbon, ia hanya memiliki dua elektron tidak berpasangan (satu di setiap orbital 2p). Ini berarti bahwa dalam keadaan ini ia adalah atom divalen, dan oleh karena itu, ia hanya membentuk dua ikatan (–C–).

Jadi, bagaimana mungkin atom karbon membentuk empat ikatan? Untuk melakukan ini, Anda harus mempromosikan sebuah elektron dari orbital 2s ke orbital 2p berenergi lebih tinggi. Setelah selesai, empat orbital yang dihasilkan mengalami degenerasi; dengan kata lain, mereka memiliki energi atau stabilitas yang sama (perhatikan bahwa mereka sejajar).

Proses ini dikenal sebagai hibridisasi, dan berkat itu, atom karbon sekarang memiliki empat orbital sp ³ dengan masing-masing satu elektron membentuk empat ikatan. Ini karena karakteristiknya yang tetravalen.

sp

Ketika atom karbon memiliki hibridisasi sp ³ , ia mengarahkan empat orbital hibridnya ke simpul tetrahedron, yang merupakan geometri elektroniknya.

Jadi, karbon sp ³ dapat diidentifikasi karena hanya membentuk empat ikatan sederhana, seperti pada molekul metana (CH ₄ ). Dan disekitarnya lingkungan tetrahedral dapat diamati.

Tumpang tindih orbital sp ³ sangat efektif dan stabil sehingga ikatan tunggal CC memiliki entalpi 345,6 kJ / mol. Ini menjelaskan mengapa ada struktur karbonat yang tak ada habisnya dan jumlah senyawa organik yang tak terukur. Selain itu, atom karbon dapat membentuk jenis ikatan lain.

sp

Sumber: Gabriel Bolívar

Atom karbon juga mampu mengadopsi hibridisasi lain, yang memungkinkannya membentuk ikatan rangkap atau bahkan rangkap tiga.

Pada hibridisasi sp ² , seperti terlihat pada gambar, terdapat tiga orbital sp ^{2 yang} berdegenerasi dan satu orbital 2p tetap tidak berubah atau "murni". Dengan tiga orbital sp ² terpisah 120º, karbon membentuk tiga ikatan kovalen yang menggambarkan geometri elektronik bidang trigonal; sedangkan orbital 2p tegak lurus dengan tiga orbital lainnya membentuk ikatan π: –C = C–.

Dalam kasus hibridisasi sp, ada dua orbital sp yang terpisah 180º, sedemikian rupa sehingga mereka menggambar geometri elektronik linier. Kali ini, mereka memiliki dua orbital 2p murni, tegak lurus satu sama lain, yang memungkinkan karbon membentuk ikatan rangkap tiga atau dua ikatan rangkap: –C≡C– atau ·-------- C = C = C ·… (karbon pusat memiliki hibridisasi sp ).

Perhatikan bahwa selalu (umumnya) jika ikatan di sekitar karbon ditambahkan maka akan ditemukan bahwa jumlahnya sama dengan empat. Informasi ini penting saat menggambar struktur Lewis atau struktur molekul. Sebuah atom karbon yang membentuk lima ikatan (= C≡C) secara teori dan eksperimental tidak dapat diterima.

Klasifikasi

Bagaimana atom karbon diklasifikasikan? Lebih dari sekadar klasifikasi berdasarkan karakteristik internal, ini sebenarnya bergantung pada lingkungan molekuler. Artinya, di dalam molekul, atom karbonnya dapat diklasifikasikan menurut berikut ini.

Utama

Karbon primer adalah karbon yang hanya terikat pada satu karbon lainnya. Misalnya, molekul etana, CH ₃ –CH ₃ terdiri dari dua karbon primer terikat. Ini menandakan akhir atau awal rantai karbon.

Sekunder

Ini adalah salah satu yang terhubung dengan dua karbon. Jadi, untuk molekul propana, CH ₃ - CH ₂ –CH ₃ , atom karbon tengahnya adalah sekunder (gugus metilen, –CH ₂ -).

Tersier

Karbon tersier berbeda dari yang lain karena cabang rantai utama muncul darinya. Misalnya, 2-metilbutan (juga disebut isopentana), CH ₃ - CH (CH ₃ ) –CH ₂ –CH ₃ memiliki karbon tersier yang disorot dengan huruf tebal.

Kuarter

Dan akhirnya, karbon kuartener, seperti yang tersirat dari namanya, terkait dengan empat atom karbon lainnya. Molekul neopentana, C (CH ₃ ) _4, memiliki atom karbon kuaterner.

Aplikasi

Satuan massa atom

Massa atom rata-rata ¹² C digunakan sebagai ukuran standar untuk menghitung massa unsur lainnya. Jadi, hidrogen memiliki berat sepersepuluh dari isotop karbon ini, yang digunakan untuk mendefinisikan apa yang dikenal sebagai satuan massa atom u.

Jadi, massa atom lainnya dapat dibandingkan dengan massa ¹² C dan ¹ H. Misalnya, magnesium ( ²⁴ Mg) memiliki berat kira-kira dua kali lipat dari atom karbon, dan 24 kali lebih berat dari atom hidrogen.

Siklus karbon dan kehidupan

Tumbuhan menyerap CO ₂ dalam proses fotosintesis untuk melepaskan oksigen ke atmosfer dan bertindak sebagai paru-paru tumbuhan. Saat mati, mereka menjadi arang, yang setelah terbakar, melepaskan CO _{2 lagi} . Satu bagian kembali ke tanaman, tetapi bagian lain berakhir di dasar laut, memberi makan banyak mikroorganisme.

Ketika mikroorganisme mati, padatan yang tersisa di sedimen dekomposisi biologisnya, dan setelah jutaan tahun, ia berubah menjadi apa yang dikenal sebagai minyak.

Ketika umat manusia menggunakan minyak ini sebagai sumber energi alternatif untuk membakar batu bara, itu berkontribusi pada pelepasan lebih banyak CO ₂ (dan gas yang tidak diinginkan lainnya).

Di sisi lain, kehidupan menggunakan atom karbon dari dasar. Ini karena stabilitas ikatannya, yang memungkinkannya membentuk rantai dan struktur molekul yang menyusun makromolekul sama pentingnya dengan DNA.

Spektroskopi NMR

The ¹³ C, meskipun pada proporsi yang lebih rendah banyak ¹² C, kelimpahan mereka cukup untuk menjelaskan struktur molekul dengan resonansi magnetik nuklir spektroskopi karbon 13.

Berkat teknik analisis ini, dimungkinkan untuk menentukan atom mana yang mengelilingi ¹³ C dan gugus fungsionalnya. Dengan demikian, kerangka karbon dari setiap senyawa organik dapat ditentukan.

Referensi

1. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. Kimia organik. Amina. (Edisi ke-10.) Wiley Plus.
2. Blake D. (4 Mei 2018). Empat Karakteristik Karbon. Diperoleh dari: sciencing.com
3. Royal Society of Chemistry. (2018). Batu bara. Diambil dari: rsc.org
4. Memahami Evolusi. (sf). Perjalanan atom karbon. Dipulihkan dari: evolusion.berkeley.edu
5. Encyclopædia Britannica. (14 Maret 2018). Batu bara. Diperoleh dari: britannica.com
6. Pappas S. (29 September 2017). Fakta Tentang Karbon. Diperoleh dari: LiveScience.com