a szén (C) nagyon rugalmas elem, és számos különböző iont képezhet. A szén külső héja 4 vegyértékelektronból áll. Ez azt jelenti, hogy vagy 4 elektront adhat hozzá a teljes külső héj megszerzéséhez, vagy 4 elektronot veszíthet, hogy megszabaduljon a külső héjától.
így egy szénion töltése bárhol -4-től +4-ig terjedhet, attól függően, hogy veszít-e vagy nyer-e elektronokat. Bár a szén leggyakoribb oxidációs állapota +4 és +2, a szén képes olyan ionokat előállítani, amelyek oxidációs állapota +3, +1, -1, -2, és -3.
áttekintés
szigorúan véve, a szén szinte soha nem képez szabadon álló monatomikus ionokat, mint a nátrium (Na) vagy a klór (Cl). A szén általában nagyon stabil elem, amely ellenáll az elektronok megszerzésének vagy elvesztésének. A szén majdnem egyformán elektropozitív és elektronegatív, ezért ritkán van szüksége elektronok megszerzésére vagy elvesztésére. Az idő nagy részében a szén csak kovalens kötéseket képez, és ion helyett elektronokat oszt meg. Teljesen lehetséges monatomikus szénionok létrehozása, csak nagy mennyiségű energiát igényel, amely minden további eltávolított elektron esetében növekszik.
a szén azonban képes poliatomikus ionokat képezni. A szén rugalmas elektronszerkezete lehetővé teszi, hogy a poliatomikus ionok magjaként alakuljon ki. Ezen poliatomikus ionok közül sok, beleértve a szenet is, elengedhetetlen az általunk ismert élethez, és fontos szerepet játszanak az élő szervezetekben. Mások fontosak az ásványi anyagok viselkedésének megértéséhez, mások pedig az iparban üzemanyagként, építőanyagként és tisztítási megoldásokként használatosak. Mivel a szén ilyen rugalmas elem, a sok lehetséges poliatomikus ion, a szén tulajdonságai nagyon eltérőek lehetnek.
“a szerves kémiát a szénvegyületek kémiájaként definiáljuk.”- August Kekule
Mi Az Ion?
az ion olyan atom vagy molekula, amelynek nem semleges elektromos töltése van. Az elektromosan semleges atomok elektronok eltávolításával vagy hozzáadásával ionokká válnak. Mivel az elektronok azonos és ellentétes töltéssel rendelkeznek a protonokkal, az ion nettó elektromos töltése abból az atomból származik, amelynek egyenlőtlen mennyiségű protonja és elektronja van. Az egyes atomokat, amelyek ionok, monatomi ionoknak, a nem semleges elektromos töltésű többatomos molekulákat pedig poliatomi ionoknak nevezzük. A pozitív töltésű ionokat kationoknak nevezzük, és több protonnal rendelkeznek, mint az elektronok. A negatív töltésű ionokat anionoknak nevezzük, és több elektronjuk van, mint a protonoknak. A vegyészek az ionokat úgy képviselik, hogy pozitív vagy negatív felső indexet adnak az anyag kémiai képletéhez. A szén atom, hogy elvesztette egyetlen elektron tehát egy pozitív töltés van írva, mint a C1⁺. Ezzel szemben egy olyan szénatomot, amely egyetlen elektront nyert, és negatív töltéssel rendelkezik, C1 -.
az atom vagy molekula kation képződésére való hajlamát az anyag ionizációs energiája határozza meg. Az ionizációs energia annak mértéke, hogy az atomnak vagy molekulának mennyi energiát kell felszívnia az egyik elektron kisüléséhez, így pozitív töltést hagyva. Általánosságban elmondható, hogy egyetlen elektron eltávolítása egy semleges atomból a legkevesebb energiába kerül, a szükséges ionizációs energia minden további elektron esetében növekszik. Például a szén 1. ionizációs energiája 1086,5 kJ / mol. Vagyis 1086,5 kJ energiára van szükség ahhoz, hogy egyetlen elektront eltávolítsunk egy mól szénből. A szén 2. ionizációs energiája 2352,6 kJ / mol, több mint kétszerese a szükséges energiának, mint az első ionizációs energia.
az atom anion képződésének tendenciáját elektronegativitása határozza meg. Az anyag elektronegativitása (EN) annak mértéke, hogy az anyag mennyire vonzza az elektronokat. Minél elektronegatívabb egy elem, annál valószínűbb, hogy további elektronokat szerez, tehát annál valószínűbb, hogy anionokat képez. A szén EN értéke 2,55 a Pauling-skálán, nagyjából a közepén. Ezzel szemben az oxigén (O) EN értéke 3,44; nagyon elektronegatív. Az oxigén nagy valószínűséggel kitölti két nyitott vegyértékrését elektronokkal, hogy O⁻ t képezzen2-anion.
az egyes atomokból előállított ionokat monatomikusnak nevezzük. A több atomból álló molekulákból előállított ionokat poliatomikus ionoknak nevezzük. A többatomos ionok olyan kémiai vegyületek, amelyek nem semleges elektromos töltéssel rendelkeznek. Csakúgy, mint a monatomikus ionok, a poliatomikus ionok egyenlőtlen mennyiségű elektront és protont tartalmaznak. A poliatomikus képlet írásakor a vegyületet szögletes zárójelben, az elektromos töltést pedig felső indexként írják a szögletes zárójelen kívül. Az ammónium például egy többatomos ion, amelynek kémiai képlete +. Az ammónium eggyel kevesebb elektront tartalmaz, mint a protonok, így teljes elektromos töltése +1. Egyéb poliatomikus ionok közé tartozik a hidroxid (−) és a szulfát (2−).
az ionok nem azonosak a polaritással. A poláris molekula részleges elektromos töltéssel rendelkezik, míg az ionok teljes töltéssel rendelkeznek. Az ion töltése mindig valamilyen egész érték. A nátriumionok töltése +1,A klórionok töltése -1. A poláris molekulák részben töltésű dipólusokkal rendelkeznek, töltésértékük nem egész szám. A negatív oxigénvég töltése vízben körülbelül -2 / 3e, körülbelül kétharmada egyetlen elektron töltésének.
szén mint Ion
egyatomos ionok szénnel
mivel a szén elektromosan stabil elem, szinte soha nem képez természetes módon szabadon álló egyatomos szénionokat C3 (C) formájában. Semmi különös nem akadályozza meg a szénionok képződését, csak az a tény, hogy ehhez elég sok energiára van szükség. Az elektronok elvesztése vagy megszerzése helyett a szén legtöbbször kovalens kötést képez az elektronok megosztása révén. Például a szén metánt (CH4) képez, ha megosztja 4 külső elektronját hidrogénnel a hidrogén nem elég elektronegatív ahhoz, hogy elektronokat vegyen a szénből, a szén pedig nem elég elektronegatív ahhoz, hogy elektronokat vegyen a hidrogénből. Tehát a szén csak megosztja mind a 4 külső elektronját az egyes hidrogén egyetlen külső elektronjával.
a szabadon álló monatomikus szénionok képződésének egyik módja a gáz halmazállapotú szénfelhőből a lézer. Szén magasztos egy gáz magas hőmérsékleten. Ezután lézert lehet lőni az egyes szénatomokra, hogy leüssék az elektronokat, hogy szénionokat hozzanak létre. Elméletileg teljesen ionizálhat egy szénatomot, ha így eltávolítja az összes elektronját. Ez a folyamat nem különösebben praktikus vagy hasznos, mivel a szénatomból eltávolított minden további elektron egyre több energiát igényel.
szénnel rendelkező poliatomikus ionok
a szén azonban természetes módon számos poliatomikus iont képes előállítani. Mivel a szén nagyon rugalmas elem, az általa képződő különféle poliatomikus ionok kémiai tulajdonságai nagyon eltérőek. Néhány viszonylag unalmas és inert, míg mások veszélyesek vagy rendkívül illékonyak lehetnek. A szén a természetben előforduló különféle ismert poliatomikus ionok leggyakoribb alkotóeleme.
a szén és a nitrogén (N) például anion − cianidot ( – ) képez, amely rendkívül mérgező vegyület. A cianid egy szénatomból áll, amely háromszor kötődik egy nitrogénatomhoz. A cianidot természetesen számos növény és gomba termeli, gyakran védekező mechanizmusként. A cianid hidrogénatommal kötődve hidrogén-cianidot (HCN) képezhet, amely rendkívül maró hatású vegyület, amely kis adagokban végzetes lehet.
egy másik gyakori széntartalmú poliatomi ion a karbonát (2−). A karbonátionok ionos kötéseket képeznek sok más vegyülettel, sókat és ásványi anyagokat képezve. A legtöbb üledékes kőzet karbonátionokat tartalmaz, amelyek általában kalciumhoz kötődnek, hogy kalcium-karbonátot (CaCO3) képezzenek. Egyéb karbonátvegyületek közé tartozik a vas-karbonát (FeCO3) és a nátrium-karbonát (Na2CO3). A kalcium-karbonát a puhatestű kagylók és a korall csontvázak fő összetevője.
“rájöttem, hogy olyan, mint egy társkereső ügynökség; az ionok az elveszett lelkek, akik társakat keresnek; az elektrolit az az Ügynökség, amely segíthet megtalálni egymást.”- Victoria Finlay
van egy fontos vegyületcsalád, az úgynevezett karbidok, amelyek szénionok erősen elektropozitív alkáli-és alkáliföldfémekkel való kötésével jönnek létre. Ezek a karbidok három csoportra oszthatók, a központi szénion(ok) jellegétől függően. A metanidokat C4− maggal, acetilideket C₂2− maggal, szeszkvikarbidokat pedig CFC− vel képezik4-mag. Ezen karbidvegyületek többsége kovalens kötésű szénvegyületek lebontásával állítható elő.
az acetát vegyület egy fontos széntartalmú poliatomi ion. Az acetát ( − vagy −) mindenütt jelen van, mivel a bioszintézis egyik elsődleges építőköve. A szervezetben lévő acetátot zsírsavak, az egyik legfontosabb lipid, valamint acetil-CoA előállítására használják, amely részt vesz a sejtlégzésben.
szén-Ion terápia
a Szénionok rést találtak a daganatok sugárterápiával történő kezelésére is. A szén-sugárterápia a daganatok kezeléséből áll, erősen ionizált szénrészecskék égetésével a daganatoknál. Az ionizált szénrészecskék károsíthatják a tumorsejtek sejtszerkezetét, megállíthatják növekedésüket és megölhetik őket. A szén-ion terápia előnyei vannak a hagyományos sugárterápiával szemben, mivel a szénatomok nehezebb magjai pontosabb és hatékonyabb kezelést tesznek lehetővé. A nehéz magok, szemben a foton sugárzással, képesek mágneses mezők irányítására, így pontosabban manipulálhatók a daganatok megcélzására.