Kohlenstoff (C) ist ein sehr flexibles Element und kann eine Reihe verschiedener Ionen bilden. Kohlenstoff hat eine äußere Hülle, die aus 4 Valenzelektronen besteht. Dies bedeutet, dass es entweder 4 Elektronen hinzufügen kann, um eine vollständige äußere Hülle zu erhalten, oder 4 Elektronen verlieren kann, um seine äußere Hülle loszuwerden.
Somit kann ein Kohlenstoffion eine Ladung von -4 bis +4 haben, je nachdem, ob es Elektronen verliert oder gewinnt. Obwohl die häufigsten Oxidationsstufen von Kohlenstoff +4 und +2 sind, kann Kohlenstoff Ionen mit Oxidationsstufen von +3, +1, -1, -2, und -3.
Übersicht
Streng genommen bildet Kohlenstoff fast nie freistehende einatomige Ionen, wie Natrium (Na) oder Chlor (Cl). Kohlenstoff ist im Allgemeinen ein sehr stabiles Element, das beständig ist, Elektronen zu gewinnen oder zu verlieren. Kohlenstoff ist fast gleichermaßen elektropositiv und elektronegativ, so dass es selten notwendig ist, Elektronen zu gewinnen oder zu verlieren. Meistens bildet Kohlenstoff nur kovalente Bindungen und teilt Elektronen, anstatt ein Ion zu bilden. Es ist durchaus möglich, einatomige Kohlenstoffionen zu erzeugen, es erfordert nur eine große Menge an Energie, die für jedes nachfolgende Elektron zunimmt, das entfernt wird.
Kohlenstoff ist jedoch in der Lage, mehratomige Ionen zu bilden. Die flexible Elektronenstruktur von Kohlenstoff ermöglicht es ihm, sich als Kern mehratomiger Ionen zu bilden. Viele dieser mehratomigen Ionen, einschließlich Kohlenstoff, sind essentiell für das Leben, wie wir es kennen, und spielen eine wichtige Rolle in lebenden Organismen. Andere sind wichtig, um das Verhalten von Mineralien zu verstehen, und andere werden in der Industrie als Brennstoff, Baumaterialien und Reinigungslösungen verwendet. Da Kohlenstoff ein so flexibles Element ist, können die vielen möglichen mehratomigen Ionen, die Kohlenstoff bilden kann, in ihren Eigenschaften stark variieren.
“ Wir definieren organische Chemie als die Chemie von Kohlenstoffverbindungen.“ – August Kekule
Was ist ein Ion?
Ein Ion ist ein Atom oder Molekül mit einer nicht neutralen elektrischen Ladung. Elektrisch neutrale Atome werden durch Entfernen oder Hinzufügen von Elektronen zu Ionen. Da Elektronen eine gleiche und entgegengesetzte Ladung zu Protonen haben, kommt die elektrische Nettoladung eines Ions von dem Atom mit einer ungleichen Menge an Protonen und Elektronen. Einzelne Atome, die Ionen sind, werden einatomige Ionen genannt, und mehratomige Moleküle mit einer nicht neutralen elektrischen Ladung werden mehratomige Ionen genannt. Positiv geladene Ionen werden Kationen genannt und haben mehr Protonen als Elektronen. Negativ geladene Ionen werden Anionen genannt und haben mehr Elektronen als Protonen. Chemiker stellen Ionen dar, indem sie neben der chemischen Formel einer Substanz einen positiven oder negativen hochgestellten Wert hinzufügen. Ein Kohlenstoffatom, das ein einzelnes Elektron verloren hat und somit eine positive Ladung hat, wird als C1⁺ geschrieben. Umgekehrt wird ein Kohlenstoffatom, das ein einzelnes Elektron gewonnen hat und eine negative Ladung hat, C1⁻ geschrieben.
Die Tendenz eines Atoms oder Moleküls, ein Kation zu bilden, wird durch die Ionisationsenergie der Substanz bestimmt. Die Ionisationsenergie ist ein Maß dafür, wie viel Energie das Atom oder Molekül absorbieren muss, um eines seiner Elektronen zu entladen und so eine positive Ladung zu hinterlassen. Im Allgemeinen kostet das Entfernen eines einzelnen Elektrons von einem neutralen Atom die geringste Energiemenge, wobei die erforderliche Ionisationsenergie für jedes nachfolgende Elektron zunimmt. Zum Beispiel beträgt die 1. Ionisationsenergie für Kohlenstoff 1086,5 kJ / mol. Das heißt, es werden 1086, 5 kJ Energie benötigt, um ein einzelnes Elektron aus einem Mol Kohlenstoff zu entfernen. Die 2. Ionisationsenergie für Kohlenstoff beträgt 2352,6 kJ / mol, mehr als das Doppelte der erforderlichen Energie als die erste Ionisationsenergie.
Die Tendenz eines Atoms, ein Anion zu bilden, wird durch seine Elektronegativität bestimmt. Die Elektronegativität (EN) einer Substanz ist ein Maß dafür, wie stark die Substanz Elektronen anzieht. Je elektronegativer ein Element ist, desto wahrscheinlicher ist es, zusätzliche Elektronen zu erhalten, desto wahrscheinlicher ist es, Anionen zu bilden. Kohlenstoff hat auf der Pauling-Skala einen EN von 2,55, ein Wert ungefähr in der Mitte. Im Gegensatz dazu hat Sauerstoff (O) eine EN von 3,44; sehr elektronegativ. Es ist sehr wahrscheinlich, dass Sauerstoff seine beiden offenen Valenzschlitze mit Elektronen füllt, um ein O2⁻Anion zu bilden.
Ionen aus einzelnen Atomen werden als einatomig bezeichnet. Ionen aus Molekülen mit mehreren Atomen werden mehratomige Ionen genannt. Mehratomige Ionen sind chemische Verbindungen, die eine nicht neutrale elektrische Ladung haben. Genau wie einatomige Ionen haben mehratomige Ionen eine ungleiche Menge an Elektronen und Protonen. Wenn Sie die Formel für ein Polyatom schreiben, wird die Verbindung in eckige Klammern geschrieben und die elektrische Ladung wird als hochgestellt außerhalb der eckigen Klammern geschrieben. Ammonium ist beispielsweise ein mehratomiges Ion mit der chemischen Formel +. Ammonium enthält ein Elektron weniger als Protonen und hat daher eine elektrische Gesamtladung von +1. Andere mehratomige Ionen umfassen Hydroxid (−) und Sulfat (2−).
Ionen sind nicht gleich Polarität. Ein polares Molekül hat eine partielle elektrische Ladung, während Ionen volle Ladungen haben. Die Ladung eines Ions ist immer ein ganzzahliger Wert. Natriumionen haben eine Ladung von +1, Chlorionen eine Ladung von -1. Polare Moleküle haben partiell geladene Dipole und ihr Ladungswert ist keine ganze Zahl. Die Ladung des negativen Sauerstoffendes in Wasser beträgt etwa -2 / 3e, etwa zwei Drittel der Ladung eines einzelnen Elektrons.
Kohlenstoff als Ion
Einatomige Ionen mit Kohlenstoff
Da Kohlenstoff ein elektrisch stabiles Element ist, bildet es auf natürliche Weise fast nie freistehende einatomige Kohlenstoffionen in Form von C3⁺ oder C⁴-. Es gibt nichts Besonderes, das die Bildung von Kohlenstoffionen verhindert, nur die Tatsache, dass dafür ziemlich viel Energie benötigt wird. Anstatt Elektronen zu verlieren oder zu gewinnen, bildet Kohlenstoff die meiste Zeit eine kovalente Bindung durch das Teilen von Elektronen. Zum Beispiel wird Kohlenstoff Methan (CH4) bilden, indem er seine 4 äußeren Elektronen mit Wasserstoff teilt Wasserstoff ist nicht elektronegativ genug, um Elektronen aus Kohlenstoff aufzunehmen, und Kohlenstoff ist nicht elektronegativ genug, um Elektronen aus Wasserstoff aufzunehmen. Kohlenstoff teilt also nur jedes seiner 4 äußeren Elektronen mit dem einzelnen äußeren Elektron jedes Wasserstoffs.
Eine Möglichkeit, freistehende einatomige Kohlenstoffionen aus einer Wolke aus gasförmigem Kohlenstoff zu bilden, ist mit einem Laser. Kohlenstoff sublimiert bei hoher Temperatur zu einem Gas. Dann kann ein Laser auf die einzelnen Kohlenstoffatome abgefeuert werden, um Elektronen abzuschlagen und Kohlenstoffionen herzustellen. Theoretisch könnten Sie ein Kohlenstoffatom vollständig ionisieren, indem Sie alle seine Elektronen auf diese Weise entfernen. Dieser Prozess ist nicht besonders praktisch oder nützlich, da jedes nachfolgende Elektron, das vom Kohlenstoffatom entfernt wird, immer mehr Energie benötigt.
Mehratomige Ionen mit Kohlenstoff
Kohlenstoff ist jedoch in der Lage, auf natürliche Weise eine Reihe von mehratomigen Ionen herzustellen. Da Kohlenstoff ein sehr flexibles Element ist, haben die verschiedenen mehratomigen Ionen, die es bilden kann, sehr unterschiedliche chemische Eigenschaften. Einige sind relativ stumpf und träge, während andere gefährlich oder extrem flüchtig sein können. Kohlenstoff gehört zu den häufigsten Bestandteilen der verschiedenen bekannten natürlich vorkommenden mehratomigen Ionen.
Kohlenstoff und Stickstoff (N) verbinden sich beispielsweise zum Anionencyanid (−), einer extrem giftigen Verbindung. Cyanid besteht aus einem Kohlenstoffatom, das dreifach an ein Stickstoffatom gebunden ist. Cyanid wird auf natürliche Weise von vielen Pflanzen und Pilzen produziert, oft als Abwehrmechanismus. Cyanid kann sich mit einem Wasserstoffatom verbinden, um Blausäure (HCN) zu bilden, eine extrem korrosive Verbindung, die in kleinen Dosen tödlich sein kann.
Ein weiteres übliches mehratomiges Ion, das Kohlenstoff enthält, ist Carbonat (2−). Karbonationen bilden ionische Bindungen mit vielen anderen Verbindungen, um Salze und Mineralien zu bilden. Die meisten Sedimentgesteine enthalten Karbonationen, die normalerweise an Kalzium gebunden sind, um Calciumcarbonat (CaCO3) zu bilden. Andere Carbonatverbindungen umfassen Eisencarbonat (FeCO3) und Natriumcarbonat (Na2CO3). Calciumcarbonat ist auch der Hauptbestandteil von Molluskenschalen und Korallenskeletten.
“ Ich erkannte, dass es wie eine war Dating Agentur; Die Ionen sind die verlorenen Seelen, die nach Partnern suchen; Der Elektrolyt ist die Agentur, die ihnen helfen kann, sich zu finden.“ – Victoria Finlay
Es gibt eine wichtige Familie von Verbindungen, die Carbide genannt werden und durch Bindung von Kohlenstoffionen mit hochelektropositiven Alkali- und Erdalkalimetallen gebildet werden. Diese Carbide können in drei Gruppen eingeteilt werden, abhängig vom Charakter des zentralen Kohlenstoffions (der zentralen Kohlenstoffionen). Methanide werden mit einem C4− Kern, Acetylide mit einem C₂2− Kern und Sesquicarbide mit einem C₃4− Kern gebildet. Die meisten dieser Carbidverbindungen können durch Zersetzung kovalent gebundener Kohlenstoffverbindungen hergestellt werden.
Die Verbindung Acetat ist ein wichtiges mehratomiges Ion, das Kohlenstoff enthält. Acetat ( – oder -) ist in der Natur allgegenwärtig, da es einer der Hauptbausteine der Biosynthese ist. Acetat im Körper wird verwendet, um Fettsäuren, eines der wichtigsten Lipide, zu erzeugen und Acetyl-CoA herzustellen, das an der Zellatmung beteiligt ist.
Kohlenstoffionentherapie
Kohlenstoffionen haben auch eine Nischenanwendung zur Behandlung von Tumoren durch Strahlentherapie gefunden. Die Kohlenstoffstrahlentherapie besteht aus der Behandlung von Tumoren durch Abfeuern stark ionisierter Kohlenstoffpartikel auf Tumore. Die ionisierten Kohlenstoffpartikel können die Zellstruktur von Tumorzellen schädigen, ihr Wachstum stoppen und sie töten. Die Kohlenstoffionentherapie zeigt Vorteile gegenüber herkömmlichen Formen der Strahlentherapie, da die schwereren Kerne der Kohlenstoffatome eine präzisere und leistungsfähigere Behandlung ermöglichen. Schwere Kerne können im Gegensatz zur Photonenstrahlung durch Magnetfelder gesteuert werden, so dass sie genauer manipuliert werden können, um Tumore anzugreifen.