koolstof (C) is een zeer flexibel element en kan een aantal verschillende ionen vormen. Koolstof heeft een buitenste schil bestaande uit 4 valentie-elektronen. Dit betekent dat het 4 elektronen kan toevoegen om een volledige buitenste schil te krijgen of 4 elektronen kan verliezen om zich te ontdoen van zijn buitenste schil.
een koolstofion kan dus een lading hebben van -4 tot +4, afhankelijk van of het elektronen verliest of verkrijgt. Hoewel de meest voorkomende oxidatietoestanden van koolstof +4 en + 2 zijn, kan koolstof ionen maken met oxidatietoestanden van +3, +1, -1, -2, en -3.
overzicht
strikt genomen vormt koolstof vrijwel nooit vrijstaande monatomische ionen, zoals natrium (Na) of chloor (Cl). Koolstof is over het algemeen een zeer stabiel element dat bestand is tegen het verkrijgen of verliezen van elektronen. Koolstof is bijna even elektropositief en elektronegatief, dus het heeft zelden een behoefte om elektronen te winnen of te verliezen. Meestal zal koolstof alleen covalente bindingen vormen en elektronen delen in plaats van een ion te vormen. Het is heel goed mogelijk om monatomaire koolstofionen te creëren, het vereist alleen een grote hoeveelheid energie die toeneemt voor elk volgend elektron dat wordt verwijderd.
koolstof kan echter polyatomische ionen vormen. De flexibele elektronenstructuur van koolstof staat het toe om als kern van polyatomic ionen te vormen. Veel van deze polyatomische ionen met inbegrip van koolstof zijn essentieel voor het leven zoals wij het kennen, en spelen een belangrijke rol in het leven organismen. Anderen zijn belangrijk voor het begrijpen van het gedrag van mineralen, en anderen worden gebruikt in de industrie als brandstof, bouwmaterialen en reinigingsoplossingen. Omdat koolstof zo ‘ n flexibel element is, kunnen de vele mogelijke polyatomische ionen koolstof sterk variëren in hun eigenschappen.
“we definiëren organische chemie als de chemie van koolstofverbindingen.”- August Kekule
Wat Is Een Ion?
een ion is een atoom of molecuul met een niet-neutrale elektrische lading. Elektrisch neutrale atomen worden ionen door het verwijderen of toevoegen van elektronen. Omdat elektronen een gelijke en tegengestelde lading hebben aan protonen, komt de netto elektrische lading op een ion van het atoom dat een ongelijke hoeveelheid protonen en elektronen heeft. Enkelvoudige atomen die ionen zijn worden monatomaire ionen genoemd en multi-atomaire moleculen met een niet-neutrale elektrische lading worden polyatomaire ionen genoemd. Positief geladen ionen worden kationen genoemd en hebben meer protonen dan elektronen. Negatief geladen ionen worden anionen genoemd en hebben meer elektronen dan protonen. Scheikundigen vertegenwoordigen ionen door een positief of negatief superscript toe te voegen naast de chemische formule van een stof. Een koolstofatoom dat een enkel elektron heeft verloren en dus een positieve lading heeft, wordt geschreven als C1⁺. Omgekeerd wordt een koolstofatoom dat een enkel elektron heeft gekregen en een negatieve lading heeft geschreven C1 -.
de neiging van een atoom of molecuul om een kation te vormen wordt bepaald door de ionisatie-energie van de stof. De ionisatie-energie is een maat voor hoeveel energie het atoom of molecuul moet absorberen om een van zijn elektronen af te voeren, waardoor een positieve lading overblijft. In het algemeen kost het verwijderen van een enkel elektron uit een neutraal atoom de minste hoeveelheid energie, waarbij de benodigde ionisatie-energie toeneemt voor elk volgend elektron. De eerste ionisatie-energie voor koolstof is bijvoorbeeld 1086,5 kJ / mol. Dat wil zeggen, er is 1086,5 kJ Energie nodig om een enkel elektron uit een mol koolstof te verwijderen. De tweede ionisatie-energie voor koolstof is 2352.6 kJ / mol, meer dan tweemaal de benodigde energie dan de eerste ionisatie-energie.
de neiging van een atoom om een anion te vormen wordt bepaald door zijn elektronegativiteit. De elektronegativiteit (EN) van een stof is een maat voor hoeveel de stof elektronen aantrekt. Hoe meer elektronegatief een element is, hoe waarschijnlijker het is dat het extra elektronen krijgt, dus hoe waarschijnlijker het is dat het anionen vormt. Koolstof heeft een EN van 2,55 op de Pauling schaal, een waarde ongeveer in het midden. Zuurstof (O) daarentegen heeft een en van 3,44; zeer elektronegatief. Zuurstof is zeer waarschijnlijk om zijn twee open valentiesleuven met elektronen te vullen om een O2⁻ anion te vormen.
ionen gemaakt van enkelvoudige atomen worden monatomisch genoemd. Ionen gemaakt van moleculen met meerdere atomen worden polyatomische ionen genoemd. Polyatomische ionen zijn chemische verbindingen die een niet-neutrale elektrische lading hebben. Net als monatomische ionen hebben polyatomische ionen een ongelijke hoeveelheid elektronen en protonen. Bij het schrijven van de formule voor een polyatomisch, wordt de verbinding geschreven tussen vierkante haken en de elektrische lading wordt geschreven als een superscript buiten de vierkante haken. Ammonium, bijvoorbeeld, is een polyatomisch ion met een chemische formule van +. Ammonium bevat één elektron minder dan protonen en heeft dus een totale elektrische lading van +1. Andere polyatomische ionen zijn hydroxide (−) en sulfaat (2 -).
ionen zijn niet hetzelfde als polariteit. Een polair molecuul heeft een gedeeltelijke elektrische lading terwijl ionen volledige lading hebben. De lading van een ion is altijd een integer waarde. Natriumionen hebben een lading van + 1, chloorionen een lading van -1. De polaire moleculen hebben gedeeltelijk ladingsdipolen en hun ladingswaarde is geen geheel getal. De lading van de negatieve zuurstof eindigt in water is ongeveer -2 / 3e, ongeveer twee derde van de lading van een enkel elektron.
koolstof als een Ion
monatomische ionen met koolstof
aangezien koolstof een elektrisch stabiel element is, vormt het vrijwel nooit van nature vrijstaande monatomische koolstofionen in de vorm van C3 of C⁴⁻. Er is niets in het bijzonder dat de vorming van koolstofionen verhindert, alleen het feit dat het behoorlijk wat energie vereist om dit te doen. In plaats van elektronen te verliezen of te verkrijgen, zal koolstof meestal een covalente binding vormen via het delen van elektronen. Koolstof zal bijvoorbeeld methaan (CH4) vormen door zijn 4 buitenste elektronen te delen met waterstof waterstof is niet elektronegatief genoeg om elektronen uit koolstof te nemen en koolstof is niet elektronegatief genoeg om elektronen uit waterstof te nemen. Koolstof deelt dus elk van zijn 4 buitenste elektronen met het enkele buitenste elektron van elke waterstof.
een manier om vrijstaande monatomische koolstofionen te vormen uit een wolk van gasvormige koolstof is met een laser. Koolstof zal sublimeren tot een gas bij hoge temperatuur. Dan, kan een laser op de individuele koolstofatomen worden afgevuurd om elektronen af te slaan om koolstofionen te maken. Theoretisch zou je een koolstofatoom volledig kunnen ioniseren door al zijn elektronen op deze manier te verwijderen. Dit proces is niet bijzonder praktisch of nuttig aangezien elk volgend elektron dat uit het koolstofatoom wordt verwijderd meer en meer energie vereist.
polyatomische ionen met koolstof
koolstof is echter in staat om op natuurlijke wijze een aantal polyatomische ionen aan te maken. Omdat koolstof een zeer flexibel element is, hebben de verschillende polyatomische ionen die het kan vormen zeer verschillende chemische eigenschappen. Sommige zijn relatief saai en inert, terwijl andere gevaarlijk of extreem vluchtig kunnen zijn. Koolstof is een van de meest voorkomende bestanddelen van de verschillende bekende natuurlijk voorkomende polyatomische ionen.
koolstof en stikstof (N) vormen bijvoorbeeld het anioncyanide ( − ), een uiterst giftige verbinding. Cyanide bestaat uit een koolstofatoom dat drievoudig is gebonden aan een stikstofatoom. Cyanide wordt van nature door veel planten en schimmels geproduceerd, vaak als afweermechanisme. Cyanide kan zich binden met een waterstofatoom om waterstofcyaanzuur (HCN) te vormen, een extreem corrosieve verbinding die in kleine doses fataal kan zijn.
een ander veel voorkomend polyatomisch ion dat koolstof bevat is carbonaat (2−). Carbonaationen vormen ionenbindingen met vele andere verbindingen om zouten en mineralen te vormen. De meeste sedimentaire gesteenten bevatten carbonaationen, normaal gebonden aan calcium om calciumcarbonaat (CaCO3) te vormen. Andere carbonaatverbindingen zijn ijzercarbonaat (FeCO3) en natriumcarbonaat (Na2CO3). Calciumcarbonaat is ook de belangrijkste component van weekdier schelpen en koraal skeletten.
“ik realiseerde me dat het als een dating Agentschap was; de ionen zijn de verloren zielen op zoek naar partners; de elektrolyt is het Agentschap dat hen kan helpen elkaar te vinden.”- Victoria Finlay
er is een belangrijke familie van verbindingen die carbiden worden genoemd en die worden gevormd door koolstofionen te binden met zeer elektropositieve alkali-en aardalkalimetalen. Deze carbiden kunnen in drie groepen worden verdeeld, afhankelijk van het karakter van het centrale koolstofion(en). Methaniden worden gevormd met een C4− kern, acetyliden met een C22-kern en sesquicarbiden met een C44− kern. De meeste van deze carbideverbindingen kunnen worden geproduceerd door covalent gebonden koolstofverbindingen te ontbinden.
het samengestelde acetaat is een belangrijk polyatomisch Ion dat koolstof bevat. Acetaat (- of -) is alomtegenwoordig in aard aangezien het één van de primaire bouwstenen van biosynthese is. De acetaat in het lichaam wordt gebruikt om vetzuren, één van de belangrijkste lipiden tot stand te brengen, en acetyl-CoA te maken, die bij cellulaire ademhaling betrokken is.
Koolstofionentherapie
Koolstofionentherapie heeft ook een niche-toepassing gevonden voor de behandeling van tumoren via radiotherapie. Carbon radiation therapy bestaat uit het behandelen van tumoren door het afvuren van zwaar geïoniseerde koolstofdeeltjes op tumoren. De geïoniseerde koolstofdeeltjes kunnen de cellulaire structuur van tumorcellen beschadigen, hun groei stoppen en hen doden. Koolstofionentherapie heeft voordelen ten opzichte van traditionele vormen van bestralingstherapie doordat de zwaardere kernen van koolstofatomen een preciezere en krachtigere behandeling mogelijk maken. Zware kernen, in tegenstelling tot fotonstraling, kunnen worden gestuurd door magnetische velden, zodat ze nauwkeuriger kunnen worden gemanipuleerd om tumoren te richten.