Il carbonio (C) è un elemento molto flessibile e può formare un numero di ioni diversi. Il carbonio ha un guscio esterno costituito da 4 elettroni di valenza. Ciò significa che può aggiungere 4 elettroni per ottenere un guscio esterno completo o perdere 4 elettroni per sbarazzarsi del suo guscio esterno.
Così, uno carbon carbonio può avere una carica di ovunque da -4 a +4, a seconda se perde o guadagna elettroni. Sebbene gli stati di ossidazione più comuni del carbonio siano + 4 e + 2, il carbonio è in grado di produrre ioni con stati di ossidazione di +3, +1, -1, -2, e -3.
Panoramica
A rigor di termini, il carbonio non forma quasi mai ioni monatomici indipendenti, come il sodio (Na) o il cloro (Cl) potrebbero. Il carbonio è generalmente un elemento molto stabile che è resistente a guadagnare o perdere elettroni. Il carbonio è quasi ugualmente elettropositivo ed elettronegativo, quindi raramente ha bisogno di guadagnare o perdere elettroni. Il più delle volte, il carbonio formerà solo legami covalenti e condividerà elettroni invece di formare uno ion. È del tutto possibile creare ioni di carbonio monatomici, richiede solo una grande quantità di energia che aumenta per ogni elettrone successivo che viene rimosso.
Il carbonio, tuttavia, è in grado di formare ioni poliatomici. La struttura elettronica flessibile del carbonio consente di formarsi come nucleo di ioni poliatomici. Molti di questi ioni poliatomici compreso il carbonio sono essenziali per la vita come la conosciamo e svolgono un ruolo importante negli organismi viventi. Altri sono importanti per comprendere il comportamento dei minerali e altri sono utilizzati nell’industria come combustibile, materiali da costruzione e soluzioni di pulizia. Poiché il carbonio è un elemento così flessibile, i molti possibili ioni poliatomici che il carbonio può formare variano ampiamente nelle loro proprietà.
“Definiamo chimica organica come la chimica dei composti del carbonio.”- August Kekule
Che cos’è uno Ion?
Uno ion è un atomo o una molecola che ha una carica elettrica non neutra. Gli atomi elettricamente neutri diventano ioni tramite la rimozione o l’aggiunta di elettroni. Poiché gli elettroni hanno una carica uguale e opposta ai protoni, la carica elettrica netta su uno ion proviene dall’atomo con una quantità disuguale di protoni ed elettroni. I singoli atomi che sono ioni sono chiamati ioni monatomici e le molecole multi-atomo con una carica elettrica non neutra sono chiamate ioni poliatomici. Gli ioni caricati positivamente sono chiamati cationi e hanno più protoni degli elettroni. Gli ioni caricati negativamente sono chiamati anioni e hanno più elettroni dei protoni. I chimici rappresentano gli ioni aggiungendo un apice positivo o negativo accanto alla formula chimica di una sostanza. Un atomo di carbonio che ha perso un singolo elettrone e quindi ha una carica positiva è scritto come C1⁺. Al contrario, un atomo di carbonio che ha guadagnato un singolo elettrone e ha una carica negativa è scritto C1 -.
La tendenza per un atomo o una molecola a formare un catione è determinata dall’energia di ionizzazione della sostanza. L’energia di ionizzazione è una misura di quanta energia l’atomo o la molecola deve assorbire per scaricare uno dei suoi elettroni, lasciando così una carica positiva. In generale, la rimozione di un singolo elettrone da un atomo neutro costa la minor quantità di energia, con l’energia di ionizzazione richiesta che aumenta per ogni elettrone successivo. Ad esempio, la 1a energia di ionizzazione per il carbonio è 1086,5 kJ/mol. Cioè, ci vogliono 1086,5 kJ di energia per rimuovere un singolo elettrone da una mole di carbonio. La 2a energia di ionizzazione per il carbonio è 2352,6 kJ / mol, più del doppio dell’energia richiesta rispetto alla prima energia di ionizzazione.
La tendenza di un atomo a formare un anione è determinata dalla sua elettronegatività. L’elettronegatività (EN) di una sostanza è una misura di quanto la sostanza attrae gli elettroni. Più un elemento è elettronegativo, più è probabile che acquisisca elettroni aggiuntivi, quindi più è probabile che formi anioni. Il carbonio ha un EN di 2,55 sulla scala di Pauling, un valore approssimativamente nel mezzo. Al contrario, l’ossigeno (O) ha un EN di 3,44; molto elettronegativo. È molto probabile che l’ossigeno riempia le sue due fessure di valenza aperte con elettroni per formare un O2⁻ anione.
Gli ioni fatti da singoli atomi sono chiamati monatomici. Gli ioni fatti da molecole con più atomi sono chiamati ioni poliatomici. Gli ioni poliatomici sono composti chimici che hanno una carica elettrica non neutra. Proprio come gli ioni monatomici, gli ioni poliatomici hanno una quantità disuguale di elettroni e protoni. Quando si scrive la formula per un poliatomico, il composto è scritto tra parentesi quadre e la carica elettrica è scritta come apice al di fuori delle parentesi quadre. L’ammonio, ad esempio, è uno ion poliatomico con una formula chimica di +. L’ammonio contiene un elettrone in meno rispetto ai protoni e quindi ha una carica elettrica complessiva di +1. Altri ioni poliatomici includono idrossido (−) e solfato (2 -).
Gli ioni non sono la stessa polarità. Una molecola polare ha una carica elettrica parziale mentre gli ioni hanno cariche complete. La carica di uno ion è sempre un valore intero. Gli ioni di sodio hanno una carica di + 1, gli ioni di cloro una carica di -1. Le molecole polari hanno dipoli di carica parzialmente e il loro valore di carica non è un numero intero. La carica dell’estremità negativa dell’ossigeno nell’acqua è di circa -2/3e, circa due terzi della carica di un singolo elettrone.
Carbonio come Ion
Ioni monatomici con carbonio
Poiché il carbonio è un elemento elettricamente stabile, non forma quasi mai naturalmente ioni monatomici indipendenti sotto forma di C3 or o C C -. Non c’è nulla in particolare che impedisca la formazione di ioni di carbonio, solo il fatto che richiede un po ‘ di energia per farlo. Invece di perdere o guadagnare elettroni, il carbonio la maggior parte del tempo formerà un legame covalente attraverso la condivisione di elettroni. Ad esempio, il carbonio formerà il metano (CH4) condividendo i suoi 4 elettroni esterni con l’idrogeno L’idrogeno non è abbastanza elettronegativo da prendere elettroni dal carbonio e il carbonio non è abbastanza elettronegativo da prendere elettroni dall’idrogeno. Quindi, il carbonio condivide solo ciascuno dei suoi 4 elettroni esterni con il singolo elettrone esterno di ciascun idrogeno.
Un modo per formare ioni di carbonio monatomici indipendenti da una nube di carbonio gassoso è con un laser. Carbonio sublime in un gas ad alta temperatura. Quindi, un laser può essere sparato ai singoli atomi di carbonio per staccare gli elettroni per produrre ioni di carbonio. Teoricamente, si potrebbe ionizzare completamente un atomo di carbonio rimuovendo tutti i suoi elettroni in questo modo. Questo processo non è particolarmente pratico o utile in quanto ogni elettrone successivo rimosso dall’atomo di carbonio richiede sempre più energia.
Ioni poliatomici con carbonio
Il carbonio, tuttavia, è in grado di produrre naturalmente un certo numero di ioni poliatomici. Poiché il carbonio è un elemento molto flessibile, i vari ioni poliatomici che può formare hanno proprietà chimiche molto diverse. Alcuni sono relativamente opachi e inerti, mentre altri possono essere pericolosi o estremamente volatili. Il carbonio è tra i costituenti più frequenti dei vari ioni poliatomici naturali noti.
Carbonio e azoto (N), ad esempio, si combinano per formare l’anione cianuro ( − ), un composto estremamente velenoso. Il cianuro è composto da un atomo di carbonio triplo legato ad un atomo di azoto. Il cianuro è prodotto naturalmente da molte piante e funghi, spesso come meccanismo di difesa. Il cianuro può legarsi con un atomo di idrogeno per formare acido cianidrico (HCN) un composto estremamente corrosivo che può essere fatale a piccole dosi.
Un altro ion poliatomico comune contenente carbonio è carbonato (2−). Gli ioni carbonati formano legami ionici con molti altri composti per formare sali e minerali. La maggior parte delle rocce sedimentarie contengono ioni carbonati, normalmente legati al calcio per formare carbonato di calcio (CaCO3). Altri composti di carbonato includono carbonato di ferro (FeCO3) e carbonato di sodio (Na2CO3). Il carbonato di calcio è anche il componente principale dei gusci dei molluschi e degli scheletri di corallo.
“Mi sono reso conto che era come un incontri agenzia; gli ioni sono le anime perdute in cerca di compagni; l “elettrolita è l” agenzia che può aiutarli a trovare l “un l” altro.”- Victoria Finlay
Esiste un’importante famiglia di composti chiamati carburi che si formano legando ioni di carbonio con metalli alcalini e alcalino-terrosi altamente elettropositivi. Questi carburi possono essere divisi in tre gruppi, a seconda del carattere dello carbon carbonio centrale(s). I metanidi sono formati con un nucleo C4, acetilidi con un nucleo C₂2 e sesquicarbidi con un nucleo C₃4. La maggior parte di questi composti di carburo può essere prodotta decomponendo composti di carbonio legati in modo covalente.
L’acetato composto è un importante carbon poliatomico contenente carbonio. Acetato (- o -) è onnipresente in natura in quanto è uno dei principali elementi costitutivi della biosintesi. L’acetato nel corpo viene utilizzato per creare acidi grassi, uno dei lipidi più importanti, e per produrre acetil-CoA, che è coinvolto nella respirazione cellulare.
Terapia con ioni di carbonio
Gli ioni di carbonio hanno anche trovato un uso di nicchia per il trattamento di tumori tramite radioterapia. La radioterapia del carbonio consiste nel trattamento dei tumori sparando particelle di carbonio fortemente ionizzate nei tumori. Le particelle di carbonio ionizzate possono danneggiare la struttura cellulare delle cellule tumorali, fermandone la crescita e uccidendole. La terapia con ioni di carbonio mostra benefici rispetto alle forme tradizionali di radioterapia in quanto i nuclei più pesanti degli atomi di carbonio consentono un trattamento più preciso e potente. I nuclei pesanti, al contrario della radiazione fotonica, sono in grado di essere guidati da campi magnetici, quindi possono essere manipolati in modo più preciso per colpire i tumori.