Carbon (C) er et meget fleksibelt element og kan danne et antal forskellige ioner. Carbon har en ydre skal bestående af 4 valenselektroner. Dette betyder, at det enten kan tilføje 4 elektroner for at få en fuld ydre skal eller miste 4 elektroner for at slippe af med dens ydre skal.
således kan en carbonion have en ladning på hvor som helst fra -4 til +4, afhængigt af om den taber eller vinder elektroner. Selvom de mest almindelige iltningstilstande af kulstof er +4 og +2, er kulstof i stand til at fremstille ioner med iltningstilstande af +3, +1, -1, -2, og -3.
oversigt
strengt taget danner kulstof næsten aldrig fritstående monatomiske ioner, som natrium (Na) eller chlor (Cl) måske. Kulstof er generelt et meget stabilt element, der er modstandsdygtigt over for at få eller miste elektroner. Kulstof er næsten lige så elektropositivt og elektronegativt, så det har sjældent behov for at vinde eller tabe elektroner. Det meste af tiden vil kulstof bare danne kovalente bindinger og dele elektroner i stedet for at danne en ion. Det er helt muligt at skabe monatomiske carbonioner, det kræver bare en stor mængde energi, der stiger for hver efterfølgende elektron, der fjernes.
Carbon er imidlertid i stand til at danne polyatomiske ioner. Den fleksible elektronstruktur af kulstof gør det muligt at danne sig som kernen i polyatomiske ioner. Mange af disse polyatomiske ioner inklusive kulstof er vigtige for livet, som vi kender det, og spiller en vigtig rolle i levende organismer. Andre er vigtige for at forstå mineralernes opførsel, og andre bruges i industrien som brændstof, byggematerialer og rengøringsløsninger. Fordi kulstof er et så fleksibelt element, kan de mange mulige polyatomiske ioner kulstof dannes meget forskellige i deres egenskaber.
“vi definerer organisk kemi som kemi af carbonforbindelser.”- August Kekule
Hvad Er En Ion?
en ion er et atom eller molekyle, der har en ikke-neutral elektrisk ladning. Elektrisk neutrale atomer bliver ioner via fjernelse eller tilsætning af elektroner. Da elektroner har en lige og modsat ladning til protoner, kommer den elektriske netladning på en ion fra atomet, der har en ulige mængde protoner og elektroner. Enkeltatomer, der er ioner, kaldes monatomiske ioner, og multiatommolekyler med en ikke-neutral elektrisk ladning kaldes polyatomiske ioner. Positivt ladede ioner kaldes kationer og har flere protoner end elektroner. Negativt ladede ioner kaldes anioner og har flere elektroner end protoner. Kemikere repræsenterer ioner ved at tilføje et positivt eller negativt overskrift ved siden af den kemiske formel for et stof. Et carbonatom, der har mistet en enkelt elektron og så har en positiv ladning, er skrevet som C1-liter. Omvendt er et carbonatom, der har fået en enkelt elektron og har en negativ ladning, skrevet C1⁻.
tendensen til, at et atom eller molekyle danner en kation, bestemmes af stoffets ioniseringsenergi. Ioniseringsenergien er et mål for, hvor meget energi atomet eller molekylet skal absorbere for at udlede en af dets elektroner, hvilket efterlader en positiv ladning. Generelt koster fjernelse af en enkelt elektron fra et neutralt atom den mindste mængde energi, hvor den krævede ioniseringsenergi øges for hver efterfølgende elektron. For eksempel er den 1.ioniseringsenergi for kulstof 1086,5 kJ/mol. Det vil sige, det tager 1086,5 kJ energi at fjerne en enkelt elektron fra en mol kulstof. Den 2. ioniseringsenergi for kulstof er 2352,6 kJ/mol, mere end det dobbelte af den krævede energi end den første ioniseringsenergi.
tendensen for et atom til at danne en anion bestemmes af dets elektronegativitet. Det elektronegativitet (EN) af et stof er et mål for, hvor meget stoffet tiltrækker elektroner. Jo mere elektronegativt et element er, desto mere sandsynligt er det at erhverve yderligere elektroner, så jo mere sandsynligt er det at danne anioner. Kulstof har en EN på 2,55 på Pauling-skalaen, en værdi omtrent i midten. I modsætning hertil har ilt (O) en EN på 3,44; meget elektronegativ. Ilt er meget sandsynligt at fylde sine to åbne valensspalter med elektroner for at danne en O2⁻ anion.
ioner fremstillet af enkeltatomer kaldes monatomiske. Ioner fremstillet af molekyler med flere atomer kaldes polyatomiske ioner. Polyatomiske ioner er kemiske forbindelser, der har en ikke-neutral elektrisk ladning. Ligesom monatomiske ioner har polyatomiske ioner en ulige mængde elektroner og protoner. Når du skriver formlen for en polyatomisk, skrives forbindelsen i firkantede parenteser, og den elektriske ladning skrives som et overskrift uden for de firkantede parenteser. Ammonium er for eksempel en polyatomisk ion med en kemisk formel på +. Ammonium indeholder en mindre elektron end protoner og har således en samlet elektrisk ladning på +1. Andre polyatomiske ioner omfatter hydroksid (−) og sulfat (2 -).
ioner er ikke det samme som polaritet. Et polært molekyle har en delvis elektrisk ladning, mens ioner har fulde ladninger. Ladningen af en ion er altid en heltalsværdi. Natriumioner har en ladning på +1, chlorioner en ladning på -1. Polære molekyler har delvist ladede dipoler, og deres ladningsværdi er ikke et heltal. Ladningen af den negative iltende i vand er omkring -2/3e, ca.to tredjedele ladningen af en enkelt elektron.
kulstof som en Ion
monatomiske ioner med kulstof
da kulstof er et elektrisk stabilt element, danner det næsten aldrig naturligt fritstående monatomiske carbonioner i form af C3-karbon eller C⁻karbon -. Der er ikke noget særligt, der forhindrer dannelse af carbonioner, kun det faktum, at det kræver en hel del energi at gøre det. I stedet for at miste eller få elektroner, vil kulstof det meste af tiden danne en kovalent binding via deling af elektroner. For eksempel vil kulstof danne metan (CH4) ved at dele sine 4 ydre elektroner med brint Hydrogen er ikke elektronegativ nok til at tage elektroner fra kulstof, og kulstof er ikke elektronegativ nok til at tage elektroner fra brint. Så kulstof deler bare hver af sine 4 ydre elektroner med den enkelte ydre elektron af hvert hydrogen.
en måde at danne fritstående monatomiske carbonioner fra en sky af gasformigt kulstof er med en laser. Carbon vil sublime til en gas ved høj temperatur. Derefter kan en laser fyres mod de enkelte carbonatomer for at slå elektroner af for at fremstille carbonioner. Teoretisk set kan du ionisere et carbonatom fuldstændigt ved at fjerne alle dets elektroner på denne måde. Denne proces er ikke særlig praktisk eller nyttig, da hver efterfølgende elektron fjernet fra carbonatomet kræver mere og mere energi.
polyatomiske ioner med kulstof
kulstof er imidlertid i stand til naturligt at fremstille et antal polyatomiske ioner. Fordi kulstof er et meget fleksibelt element, har de forskellige polyatomiske ioner, det kan danne, meget forskellige kemiske egenskaber. Nogle er relativt kedelige og inerte, mens andre kan være farlige eller ekstremt flygtige. Kulstof er blandt de hyppigste bestanddele af de forskellige kendte naturligt forekommende polyatomiske ioner.
kulstof og nitrogen (N) kombineres for eksempel for at danne anioncyanidet ( − ), en ekstremt giftig forbindelse. Cyanid er sammensat af et carbonatom tredobbelt bundet til et nitrogenatom. Cyanid produceres naturligt af mange planter og svampe, ofte som en forsvarsmekanisme. Cyanid kan binde sig til et hydrogenatom for at danne hydrocyansyre (HCN) en ekstremt ætsende forbindelse, der kan være dødelig i små doser.
en anden almindelig polyatomisk ion indeholdende carbon er carbonat (2−). Carbonationer danner ionbindinger med mange andre forbindelser til dannelse af salte og mineraler. De fleste sedimentære klipper indeholder carbonationer, normalt bundet til calcium for at danne calciumcarbonat (CaCO3). Andre carbonatforbindelser omfatter jerncarbonat (FeCO3) og natriumcarbonat (Na2CO3). Calciumcarbonat er også den vigtigste komponent i bløddyrskaller og koralskeletter.
“jeg indså, at det var som en dating bureau; ionerne er de mistede sjæle på udkig efter kammerater; elektrolytten er det agentur, der kan hjælpe dem med at finde hinanden.”- Victoria Finlay
der er en vigtig familie af forbindelser kaldet carbider, der dannes ved binding af carbonioner med stærkt elektropositive alkali-og jordalkalimetaller. Disse carbider kan opdeles i tre grupper afhængigt af karakteren af den eller de centrale carbonioner. Methanider er dannet med en C4− kerne, acetylider med en C₂2-kerne og sekvicarbider med en Cort4− kerne. De fleste af disse hårdmetalforbindelser kan fremstilles ved nedbrydning af kovalent bundne carbonforbindelser.
forbindelsen acetat er en vigtig polyatomisk ion indeholdende kulstof. Acetat (- eller -) er allestedsnærværende i naturen, da det er en af de primære byggesten i biosyntese. Acetat i kroppen bruges til at skabe fedtsyrer, et af de vigtigste lipider, og til at fremstille acetyl-CoA, som er involveret i cellulær respiration.
Carbonionterapi
Carbonioner har også fundet en nichebrug til behandling af tumorer via strålebehandling. Carbon strålebehandling består af behandling af tumorer ved at affyre stærkt ioniserede carbonpartikler ved tumorer. De ioniserede carbonpartikler kan beskadige den cellulære struktur af tumorceller, standse deres vækst og dræbe dem. Carbonionterapi viser fordele i forhold til traditionelle former for strålebehandling, idet de tungere kerner af carbonatomer giver mulighed for mere præcis og kraftig behandling. Tunge kerner, i modsætning til fotonstråling, er i stand til at blive styret af magnetfelter, så de kan manipuleres mere præcist for at målrette tumorer.