węgiel (C) jest bardzo elastycznym elementem i może tworzyć wiele różnych jonów. Węgiel ma zewnętrzną powłokę składającą się z 4 elektronów walencyjnych. Oznacza to, że może dodać 4 elektrony, aby uzyskać pełną zewnętrzną powłokę lub stracić 4 elektrony, aby pozbyć się zewnętrznej powłoki.
tak więc jon węgla może mieć ładunek od -4 do +4, w zależności od tego, czy traci lub zyskuje elektrony. Chociaż najczęstsze stany utleniania węgla to +4 i + 2, węgiel jest w stanie wytwarzać jony o stanach utleniania +3, +1, -1, -2, i -3.
przegląd
ściśle mówiąc, węgiel prawie nigdy nie tworzy wolnostojących jonów monatomowych, jak sód (Na) lub chlor (Cl). Węgiel jest na ogół bardzo stabilnym pierwiastkiem, który jest odporny na uzyskanie lub utratę elektronów. Węgiel jest prawie równie elektropozytywny i elektroujemny, więc rzadko ma potrzebę zyskania lub utraty elektronów. W większości przypadków węgiel tworzy wiązania kowalencyjne i dzieli elektrony zamiast tworzyć jony. Jest to całkowicie możliwe do tworzenia monatomowych jonów węgla, to po prostu wymaga dużej ilości energii, która wzrasta dla każdego kolejnego elektronu, który jest usuwany.
węgiel jest jednak zdolny do tworzenia jonów poliatomowych. Elastyczna struktura elektronowa węgla pozwala mu tworzyć jądro jonów poliatomowych. Wiele z tych poliatomowych jonów, w tym węgiel, jest niezbędnych dla życia, jakie znamy, i odgrywa ważną rolę w organizmach żywych. Inne są ważne dla zrozumienia zachowania minerałów, a inne są wykorzystywane w przemyśle jako paliwo, materiały budowlane i rozwiązania czyszczące. Ponieważ węgiel jest tak elastycznym pierwiastkiem, wiele możliwych jonów poliatomowych węgla może tworzyć się bardzo różnie w swoich właściwościach.
„chemię organiczną definiujemy jako chemię związków węgla.”- August Kekule
Co To Jest Jon?
jon to atom lub cząsteczka, która ma neutralny ładunek elektryczny. Elektrycznie obojętne Atomy stają się jonami poprzez usunięcie lub dodanie elektronów. Ponieważ elektrony mają równy i przeciwny ładunek do protonów, ładunek elektryczny netto na Jonie pochodzi od atomu o nierównej ilości protonów i elektronów. Pojedyncze atomy, które są jonami, nazywane są jonami jednoatomowymi, a cząsteczki wielatomowe z obojętnym ładunkiem elektrycznym nazywane są jonami poliatomowymi. Dodatnio naładowane jony nazywane są kationami i mają więcej protonów niż elektronów. Ujemnie naładowane jony nazywane są anionami i mają więcej elektronów niż protonów. Chemicy reprezentują jony, dodając dodatni lub ujemny indeks górny obok wzoru chemicznego substancji. Atom węgla, który utracił pojedynczy elektron, a więc ma ładunek dodatni, zapisywany jest jako C1⁺. Odwrotnie, atom węgla, który zyskał pojedynczy elektron i ma ładunek ujemny, zapisuje się C1 -⁻
tendencja atomu lub cząsteczki do tworzenia kationu jest określona przez energię jonizacji substancji. Energia jonizacji jest miarą tego, ile energii atom lub cząsteczka musi wchłonąć, aby rozładować jeden ze swoich elektronów, pozostawiając w ten sposób ładunek dodatni. Ogólnie rzecz biorąc, usunięcie pojedynczego elektronu z neutralnego atomu kosztuje najmniejszą ilość energii, przy czym wymagana energia jonizacji wzrasta dla każdego kolejnego elektronu. Na przykład, pierwsza energia jonizacji dla węgla wynosi 1086,5 kJ / mol. Oznacza to, że potrzeba 1086,5 kJ energii, aby usunąć pojedynczy elektron z mola węgla. Druga energia jonizacji dla węgla wynosi 2352,6 kJ / mol, ponad dwukrotnie więcej niż wymagana energia niż pierwsza energia jonizacji.
tendencja atomu do tworzenia anionu jest określona przez jego elektroujemność. Elektroujemność (EN) substancji jest miarą tego, jak bardzo substancja przyciąga elektrony. Im bardziej elektroujemny element, tym bardziej prawdopodobne jest uzyskanie dodatkowych elektronów, więc tym bardziej prawdopodobne jest utworzenie anionów. Węgiel ma EN 2,55 w skali Paulinga, wartość mniej więcej w środku. Natomiast tlen (O) ma EN 3,44; bardzo elektroujemny. Tlen jest bardzo prawdopodobne, aby wypełnić swoje dwa otwarte szczeliny walencyjne z elektronów, tworząc anion O2.
jony wykonane z pojedynczych atomów nazywane są monatomowymi. Jony zbudowane z cząsteczek o wielu atomach nazywane są jonami poliatomowymi. Jony poliatomowe są związkami chemicznymi, które mają obojętny ładunek elektryczny. Podobnie jak jony monatomowe, jony poliatomowe mają nierówną ilość elektronów i protonów. Podczas pisania wzoru na poliatom, związek jest zapisywany w nawiasach kwadratowych, a ładunek elektryczny jest zapisywany jako indeks górny poza nawiasami kwadratowymi. Amon, na przykład, jest jonami poliatomowymi o wzorze chemicznym +. Amon zawiera jeden elektron mniej niż protony, a więc całkowity ładunek elektryczny wynosi +1. Inne jony poliatomowe to wodorotlenek ( – ) i siarczan (2−).
jony to nie to samo co polaryzacja. Cząsteczka polarna ma częściowy ładunek elektryczny, podczas gdy jony mają pełne ładunki. Ładunek jonu jest zawsze pewną liczbą całkowitą. Jony sodu mają ładunek +1, jony chloru ładunek -1. Cząsteczki polarne mają częściowo naładowane dipole, a ich wartość ładunku nie jest liczbą całkowitą. Ładunek ujemnego końca tlenu w wodzie wynosi około -2 / 3E, około dwóch trzecich ładunku pojedynczego elektronu.
węgiel jako Jon
jony Monatomowe z węglem
ponieważ węgiel jest elektrycznie stabilnym elementem, prawie nigdy naturalnie nie tworzy wolnostojących monatomowych jonów węgla w postaci C3⁺ lub C⁴ -. Nic w szczególności nie zapobiega tworzeniu się jonów węgla, tylko fakt, że wymaga to sporo energii. Zamiast tracić lub zyskiwać elektrony, węgiel przez większość czasu tworzy wiązanie kowalencyjne poprzez dzielenie elektronów. Na przykład węgiel utworzy Metan (CH4), dzieląc swoje 4 zewnętrzne elektrony z wodorem Wodór nie jest wystarczająco elektroujemny, aby pobierać elektrony z węgla, a węgiel nie jest wystarczająco elektroujemny, aby pobierać elektrony z wodoru. Węgiel dzieli każdy z 4 Zewnętrznych elektronów z pojedynczym zewnętrznym elektronem każdego wodoru.
jednym ze sposobów tworzenia wolnostojących monatomowych jonów węgla z chmury gazowego węgla jest laser. Węgiel zamienia się w gaz w wysokiej temperaturze. Następnie laser może być wystrzelony na poszczególne atomy węgla, aby strącić elektrony, aby wytworzyć jony węgla. Teoretycznie można całkowicie zjonizować atom węgla usuwając w ten sposób wszystkie jego elektrony. Proces ten nie jest szczególnie praktyczny i użyteczny, ponieważ każdy kolejny elektron usunięty z atomu węgla wymaga coraz więcej energii.
jony Poliatomowe z węglem
węgiel jest jednak w stanie naturalnie wytwarzać wiele jonów poliatomowych. Ponieważ węgiel jest bardzo elastycznym pierwiastkiem, różne jony poliatomowe, które może tworzyć, mają bardzo różne właściwości chemiczne. Niektóre są stosunkowo nudne i obojętne, podczas gdy inne mogą być niebezpieczne lub bardzo lotne. Węgiel jest jednym z najczęstszych składników różnych znanych naturalnie występujących jonów poliatomowych.
na przykład węgiel i azot (N) łączą się, tworząc cyjanek anionu ( − ), niezwykle trujący związek. Cyjanek składa się z atomu węgla potrójnie związanego z atomem azotu. Cyjanek jest naturalnie wytwarzany przez wiele roślin i grzybów, często jako mechanizm obronny. Cyjanek może wiązać się z atomem wodoru, tworząc kwas cyjanowodorowy (HCN), niezwykle żrący związek, który może być śmiertelny w małych dawkach.
innym powszechnym jonami poliatomowymi zawierającymi węgiel jest węglan (2−). Jony węglanowe tworzą wiązania jonowe z wieloma innymi związkami, tworząc sole i minerały. Większość skał osadowych zawiera jony węglanowe, zwykle związane z wapniem, tworząc węglan wapnia (CaCO3). Inne związki węglanowe obejmują węglan żelaza (FeCO3) i węglan sodu (Na2CO3). Węglan wapnia jest również głównym składnikiem muszli mięczaków i szkieletów koralowców.
„zdałem sobie sprawę, że to jak Agencja Randkowa; jony to zagubione dusze szukające partnerów; elektrolit to agencja, która może pomóc im się odnaleźć.”- Victoria Finlay
istnieje ważna rodzina związków zwanych węglikami, które powstają przez wiązanie jonów węgla z wysoce elektroponicznymi metalami alkalicznymi i ziem alkalicznych. Węgliki te można podzielić na trzy grupy, w zależności od charakteru centralnego jonu (- ów) węgla. Metanidy powstają z rdzeniem C4, acetylidy z rdzeniem c₂2, a seskwikarbidy z rdzeniem C₃4. Większość z tych związków węglika może być wytwarzana przez rozkładanie kowalencyjnie związanych związków węgla.
octan związku jest ważnym jonom poliatomowym zawierającym węgiel. Octan (- lub -) jest wszechobecny w przyrodzie, ponieważ jest jednym z podstawowych elementów budulcowych biosyntezy. Octan w organizmie jest używany do tworzenia kwasów tłuszczowych, jednego z najważniejszych lipidów, oraz do wytwarzania acetylo-CoA, który bierze udział w oddychaniu komórkowym.
terapia jonami węgla
jony węgla znalazły również niszowe zastosowanie w leczeniu nowotworów za pomocą radioterapii. Radioterapia węglowa polega na leczeniu nowotworów poprzez wypalanie silnie zjonizowanych cząstek węgla w guzach. Zjonizowane cząsteczki węgla mogą uszkodzić strukturę komórkową komórek nowotworowych, zatrzymując ich wzrost i zabijając je. Terapia jonami węgla wykazuje korzyści w porównaniu z tradycyjnymi formami radioterapii, ponieważ cięższe jądra atomów węgla pozwalają na bardziej precyzyjne i wydajne leczenie. Ciężkie jądra, w przeciwieństwie do promieniowania fotonowego, mogą być sterowane przez pole magnetyczne, dzięki czemu mogą być precyzyjniej manipulowane do guzów docelowych.