uhlík (C) je velmi pružný prvek a může tvořit řadu různých iontů. Uhlík má vnější plášť sestávající ze 4 valenčních elektronů. To znamená, že může buď přidat 4 elektrony, aby získal plný vnější obal, nebo ztratit 4 elektrony, aby se zbavil svého vnějšího pláště.
uhlíkový iont tedy může mít náboj kdekoli od -4 do + 4, v závislosti na tom, zda ztrácí nebo získává elektrony. Ačkoli nejběžnější oxidační stavy uhlíku jsou +4 a + 2, uhlík je schopen vytvářet ionty s oxidačními stavy +3, +1, -1, -2, a -3.
Přehled
Přísně vzato, oxid téměř nikdy forem volně stojící monoatomární ionty, jako je sodík (Na) nebo chlór (Cl) možná. Uhlík je obecně velmi stabilní prvek, který je odolný vůči získávání nebo ztrátě elektronů. Uhlík je téměř stejně elektropozitivní a elektronegativní, takže má zřídka potřebu získat nebo ztratit elektrony. Většinu času, uhlík bude jen tvořit kovalentní vazby a sdílet elektrony místo vytváření iontu. Je zcela možné vytvořit monatomické uhlíkové ionty, vyžaduje jen velké množství energie, které se zvyšuje pro každý následující elektron, který je odstraněn.
uhlík je však schopen tvořit polyatomické ionty. Flexibilní elektronová struktura uhlíku mu umožňuje tvořit se jako jádro polyatomických iontů. Mnoho z těchto iontů polyatomic včetně uhlíku jsou nezbytné pro život, jak ho známe, a hrají důležitou roli v živých organismech. Jiné jsou důležité pro pochopení chování minerálů a jiné se používají v průmyslu jako palivo, stavební materiály a čisticí roztoky. Protože uhlík je takový pružný prvek, mnoho možných polyatomických iontů uhlíku se může ve svých vlastnostech značně lišit.
„definujeme organickou chemii jako chemii sloučenin uhlíku.“- August Kekule
Co Je To Ion?
ion je atom nebo molekula, která má neutrální elektrický náboj. Elektricky neutrální atomy se stávají ionty odstraněním nebo přidáním elektronů. Protože elektrony mají stejný a opačný náboj než protony, čistý elektrický náboj na iontu pochází z atomu s nerovným množstvím protonů a elektronů. Jednotlivé atomy, které jsou ionty, se nazývají monoatomární ionty a multi-atom molekuly s non-neutrální elektrický náboj, se nazývají polyatomic ionty. Kladně nabité ionty se nazývají kationty a mají více protonů než elektrony. Záporně nabité ionty se nazývají anionty a mají více elektronů než protony. Chemici představují ionty přidáním pozitivního nebo negativního horního indexu vedle chemického vzorce látky. Atom uhlíku, který ztratil jediný elektron a má tak kladný náboj, se zapisuje jako C1⁺. Naopak atom uhlíku, který získal jediný elektron a má záporný náboj, je zapsán C1⁻.
tendence atomu nebo molekuly tvořit kation je určena ionizační energií látky. Ionizační energie je měřítkem toho, kolik energie musí atom nebo molekula absorbovat, aby vypustila jeden ze svých elektronů, a tak zanechala kladný náboj. Obecně platí, že odstranění jediného elektronu z neutrálního atomu stojí nejmenší množství energie, přičemž požadovaná ionizační energie se zvyšuje pro každý následující elektron. Například 1. ionizační energie pro uhlík je 1086,5 kJ / mol. To znamená, že k odstranění jediného elektronu z molu uhlíku je zapotřebí 1086,5 kJ energie. 2. ionizační energie pro uhlík je 2352.6 kJ/mol, více než dvojnásobek požadované energie, než první ionizační energie.
tendence atomu tvořit anion je určena jeho elektronegativitou. Elektronegativita (EN) látky je měřítkem toho, jak moc látka přitahuje elektrony. Čím je prvek elektronegativnější, tím je pravděpodobnější, že získá další elektrony, takže tím je pravděpodobnější, že vytvoří anionty. Uhlík má EN 2,55 na Paulingově stupnici, což je hodnota zhruba uprostřed. Naproti tomu kyslík (O) má EN 3,44; velmi elektronegativní. Kyslík velmi pravděpodobně naplní své dvě otevřené valenční štěrbiny elektrony a vytvoří O2-anion.
ionty vyrobené z jednotlivých atomů se nazývají monatomické. Ionty vyrobené z molekul s více atomy se nazývají polyatomické ionty. Polyatomické ionty jsou chemické sloučeniny, které mají neutrální elektrický náboj. Stejně jako monatomické ionty mají polyatomické ionty nerovnoměrné množství elektronů a protonů. Při psaní vzorce pro polyatomic, sloučenina je psáno v hranatých závorkách a elektrický náboj je psané jako horní index mimo hranaté závorky. Například amonium je polyatomický iont s chemickým vzorcem +. Amonium obsahuje o jeden elektron méně než protony a má tedy celkový elektrický náboj +1. Mezi další polyatomické ionty patří hydroxid (−) a síran (2 -).
ionty nejsou stejné jako polarita. Polární molekula má částečný elektrický náboj, zatímco ionty mají plné náboje. Náboj iontu je vždy nějaká celočíselná hodnota. Sodíkové ionty mají náboj +1, chlorové ionty náboj -1. Polární molekuly mají částečně nabité dipóly a jejich hodnota náboje není celé číslo. Náboj záporného konce kyslíku ve vodě je asi -2 / 3e, asi dvě třetiny náboje jednoho elektronu.
Uhlík Jako Iontový
Monoatomární Ionty S Uhlíkem
Protože uhlík je elektricky stabilní prvek, ale téměř nikdy se přirozeně vytváří volně stojící monoatomární uhlíkové ionty ve formě C3⁺ nebo C⁴⁻. Neexistuje nic, co by bránilo tvorbě uhlíkových iontů, pouze skutečnost, že k tomu vyžaduje docela dost energie. Místo ztráty nebo získání elektronů vytvoří uhlík většinu času kovalentní vazbu prostřednictvím sdílení elektronů. Například uhlík vytvoří metan (CH4) sdílením svých 4 vnějších elektronů s vodíkem vodík není dostatečně elektronegativní, aby vzal elektrony z uhlíku, a uhlík není dostatečně elektronegativní, aby vzal elektrony z vodíku. Uhlík tedy sdílí každý ze svých 4 vnějších elektronů s jediným vnějším elektronem každého vodíku.
Jeden způsob, jak tvořit volně stojící monoatomární uhlíkové ionty z oblak plynného oxidu je s laserem. Uhlík se vznáší do plynu při vysoké teplotě. Pak, laser může být vyhozen na jednotlivé atomy uhlíku ukrást elektrony, aby se uhlíkové ionty. Teoreticky byste mohli úplně ionizovat atom uhlíku odstraněním všech jeho elektronů tímto způsobem. Tento proces není zvláště praktický nebo užitečný, protože každý následující elektron odstraněný z atomu uhlíku vyžaduje stále více energie.
Polyatomic Ionty S Uhlíkem
Uhlíku, nicméně, je schopen přirozeně, že mnoho z polyatomic iontů. Protože uhlík je velmi flexibilní prvek, různé polyatomické ionty, které může tvořit, mají velmi odlišné chemické vlastnosti. Některé jsou relativně nudné a inertní, zatímco jiné mohou být nebezpečné nebo extrémně těkavé. Uhlík patří mezi nejčastější složku různých známých přirozeně se vyskytujících polyatomických iontů.
například uhlík a dusík (N) se kombinují za vzniku kyanidu aniontu ( − ), extrémně jedovaté sloučeniny. Kyanid se skládá z atomu uhlíku trojitě vázaného na atom dusíku. Kyanid je přirozeně produkován mnoha rostlinami a houbami, často jako obranný mechanismus. Kyanid se může spojit s atomem vodíku za vzniku kyseliny kyanovodíkové (HCN), což je extrémně korozivní sloučenina, která může být v malých dávkách fatální.
dalším běžným polyatomickým iontem obsahujícím uhlík je uhličitan (2−). Uhličitanové ionty tvoří iontové vazby s mnoha dalšími sloučeninami za vzniku solí a minerálů. Většina sedimentárních hornin obsahuje uhličitanové ionty, normálně vázané na vápník za vzniku uhličitanu vápenatého (CaCO3). Mezi další uhličitanové sloučeniny patří uhličitan železitý (FeCO3) a uhličitan sodný (Na2CO3). Uhličitan vápenatý je také hlavní složkou skořápek měkkýšů a korálových koster.
„uvědomil jsem si, bylo to jako seznamovací agentura; ionty jsou ztracené duše, které hledají kamarády; elektrolyt je agentura, která jim může pomoci najít navzájem.“— Victoria Finlay
Tam je důležitá rodina sloučeniny zvané karbidy, které jsou tvořeny lepení uhlíkových iontů s vysoce elektropozitivní alkalických kovů a kovů alkalických zemin. Tyto karbidy lze rozdělit do tří skupin, v závislosti na charakteru centrálního uhlíkového iontu(iontů). Methanidy se tvoří s jádrem C4, acetylidy s jádrem C22 a seskvikarbidy s jádrem C₃4. Většina těchto karbidových sloučenin může být vyrobena rozkladem kovalentně vázaných sloučenin uhlíku.
acetát sloučeniny je důležitým polyatomickým iontem obsahujícím uhlík. Acetát ( − nebo -) je všudypřítomný v přírodě, protože je jedním z primárních stavebních kamenů biosyntézy. Acetát v těle se používá k vytváření mastných kyselin, jeden z nejvíce důležité lipidy, a aby acetyl-CoA, který se podílí na buněčné dýchání.
uhlíková iontová terapie
uhlíkové ionty také našly specializované použití pro léčbu nádorů radiační terapií. Uhlíková radiační terapie spočívá v léčbě nádorů vypalováním silně ionizovaných uhlíkových částic na nádorech. Ionizované částice uhlíku mohou poškodit buněčnou strukturu nádorových buněk, zastavit jejich růst a zabít je. Carbon ion terapie ukazuje výhody oproti tradičním formám radiační terapie v tom, že těžší jádra atomů uhlíku umožňují přesnější a mocné léčení. Těžkých jader, oproti fotonové záření, mohou být řízeny magnetickým polem, takže mohou být manipulovány přesněji zacílit nádory.