carbonul (C) este un element foarte flexibil și poate forma un număr de ioni diferiți. Carbonul are o carcasă exterioară formată din 4 electroni de valență. Aceasta înseamnă că poate adăuga 4 electroni pentru a obține o coajă exterioară completă sau poate pierde 4 electroni pentru a scăpa de coaja exterioară.
astfel, un ion de carbon poate avea o sarcină de oriunde de la -4 la +4, în funcție de dacă pierde sau câștigă electroni. Deși cele mai frecvente stări de oxidare ale carbonului sunt + 4 și +2, carbonul este capabil să producă ioni cu stări de oxidare de +3, +1, -1, -2, și -3.
Prezentare generală
strict vorbind, carbonul nu formează aproape niciodată ioni monatomici independenți, așa cum ar putea sodiul (Na) sau clorul (Cl). Carbonul este, în general, un element foarte stabil, care este rezistent la câștigarea sau pierderea de electroni. Carbonul este aproape la fel de electropozitiv și electronegativ, deci rareori are nevoie să câștige sau să piardă electroni. De cele mai multe ori, carbonul va forma doar legături covalente și va împărți electroni în loc să formeze un ion. Este complet posibil să se creeze ioni de carbon monatomici, necesită doar o cantitate mare de energie care crește pentru fiecare electron ulterior care este îndepărtat.Cu toate acestea, carbonul
este capabil să formeze ioni poliatomici. Structura electronică flexibilă a carbonului îi permite să se formeze ca nucleu al ionilor poliatomici. Mulți dintre acești ioni poliatomici, inclusiv carbonul, sunt esențiali pentru viața așa cum o știm și joacă un rol important în organismele vii. Altele sunt importante pentru înțelegerea comportamentului mineralelor, iar altele sunt utilizate în industrie ca combustibil, materiale de construcție și soluții de curățare. Deoarece carbonul este un element atât de flexibil, mulți ioni poliatomici posibili carbon se poate forma variază foarte mult în proprietățile lor.
„definim chimia organică ca chimia compușilor de carbon.”- August Kekule
Ce Este Un Ion?
un ion este un atom sau moleculă care are o sarcină electrică non-neutră. Atomii neutri din punct de vedere electric devin ioni prin îndepărtarea sau adăugarea de electroni. Deoarece electronii au o sarcină egală și opusă protonilor, sarcina electrică netă pe un ion provine de la atomul care are o cantitate inegală de protoni și electroni. Atomii unici care sunt ioni se numesc ioni monatomici, iar moleculele multi-atomice cu sarcină electrică non-neutră se numesc ioni poliatomici. Ionii încărcați pozitiv se numesc cationi și au mai mulți protoni decât electronii. Ionii încărcați negativ se numesc anioni și au mai mulți electroni decât protoni. Chimiștii reprezintă ioni prin adăugarea unui superscript pozitiv sau negativ lângă formula chimică a unei substanțe. Un atom de carbon care a pierdut un singur electron și deci are o sarcină pozitivă este scris ca C1. În schimb, un atom de carbon care a câștigat un singur electron și are o sarcină negativă este scris C1⁻.
tendința unui atom sau moleculă de a forma un cation este determinată de energia de ionizare a substanței. Energia de ionizare este o măsură a cantității de energie pe care atomul sau molecula trebuie să o absoarbă pentru a descărca unul dintre electronii săi, lăsând astfel o sarcină pozitivă. În general, îndepărtarea unui singur electron dintr-un atom neutru costă cea mai mică cantitate de energie, energia de ionizare necesară crescând pentru fiecare electron ulterior. De exemplu, energia de ionizare 1 Pentru carbon este de 1086,5 kJ/mol. Adică, este nevoie de 1086,5 kJ de energie pentru a elimina un singur electron dintr-un mol de carbon. A 2-a energie de ionizare pentru carbon este de 2352,6 kJ/mol, mai mult de două ori energia necesară decât prima energie de ionizare.
tendința unui atom de a forma un anion este determinată de electronegativitatea sa. Electronegativitatea (EN) a unei substanțe este o măsură a cât de mult substanța atrage electroni. Cu cât un element este mai electronegativ, cu atât este mai probabil să dobândească electroni suplimentari, cu atât este mai probabil să formeze anioni. Carbonul are un EN de 2,55 pe scara Pauling, o valoare aproximativ la mijloc. În schimb, oxigenul (o) are un EN de 3,44; foarte electronegativ. Oxigenul este foarte probabil să⁻ și umple cele două sloturi de valență deschise cu electroni pentru a forma un O2-anion.
ionii formați din atomi unici se numesc monatomici. Ionii formați din molecule cu atomi multipli se numesc ioni poliatomici. Ionii poliatomici sunt compuși chimici care au o sarcină electrică non-neutră. La fel ca ionii monatomici, ionii poliatomici au o cantitate inegală de electroni și protoni. Când scrieți formula pentru un poliatomic, compusul este scris între paranteze pătrate, iar sarcina electrică este scrisă ca un superscript în afara parantezelor pătrate. Amoniul, de exemplu, este un ion poliatomic cu o formulă chimică de +. Amoniul conține un electron mai puțin decât protonii și, prin urmare, are o sarcină electrică totală de +1. Alți ioni poliatomici includ hidroxidul (−) și sulfatul (2 -).
ionii nu sunt la fel ca polaritatea. O moleculă polară are o sarcină electrică parțială, în timp ce ionii au sarcini complete. Încărcarea unui ion este întotdeauna o valoare întreagă. Ionii de sodiu au o încărcătură de +1, ionii de clor o încărcătură de -1. Moleculele polare au dipoli parțial încărcați și valoarea lor de încărcare nu este un număr întreg. Încărcarea capătului negativ de oxigen în apă este de aproximativ -2/3e, aproximativ două treimi din sarcina unui singur electron.
Carbon ca Ion
ioni Monatomici cu Carbon
deoarece carbonul este un element stabil din punct de vedere electric, aproape niciodată nu formează în mod natural ioni monatomici de sine stătători sub formă de c3 sau C -. Nu există nimic special care să împiedice formarea ionilor de carbon, doar faptul că necesită destul de multă energie pentru a face acest lucru. În loc să piardă sau să câștige electroni, carbonul va forma de cele mai multe ori o legătură covalentă prin împărțirea electronilor. De exemplu, carbonul va forma metan (CH4) prin împărțirea celor 4 electroni exteriori cu hidrogen hidrogenul nu este suficient de electronegativ pentru a lua electroni din carbon și carbonul nu este suficient de electronegativ pentru a lua electroni din hidrogen. Deci, carbonul împarte fiecare dintre cei 4 electroni exteriori cu un singur electron exterior al fiecărui hidrogen.
o modalitate de a forma ioni de carbon monatomici independenți dintr-un nor de carbon gazos este cu un laser. Carbonul se va sublima într-un gaz la temperaturi ridicate. Apoi, un laser poate fi tras asupra atomilor de carbon individuali pentru a elimina electronii pentru a produce ioni de carbon. Teoretic, ai putea ioniza complet un atom de carbon îndepărtându-i toți electronii în acest fel. Acest proces nu este deosebit de practic sau util, deoarece fiecare electron ulterior îndepărtat din atomul de carbon necesită din ce în ce mai multă energie.
ioni poliatomici cu Carbon
cu toate acestea, carbonul este capabil să producă în mod natural un număr de ioni poliatomici. Deoarece carbonul este un element foarte flexibil, diferiții ioni poliatomici pe care îi poate forma au proprietăți chimice foarte diferite. Unele sunt relativ plictisitoare și inerte, în timp ce altele pot fi periculoase sau extrem de volatile. Carbonul este printre cei mai frecvenți constituenți ai diferiților ioni poliatomici cunoscuți în mod natural.
carbonul și azotul (n), de exemplu, se combină pentru a forma cianura anionică (−), un compus extrem de otrăvitor. Cianura este compusă dintr-un atom de carbon triplu legat de un atom de azot. Cianura este produsă în mod natural de multe plante și ciuperci, adesea ca mecanism de apărare. Cianura se poate lega cu un atom de hidrogen pentru a forma acid cianhidric (HCN) un compus extrem de coroziv care poate fi fatal în doze mici.
un alt ion poliatomic comun care conține carbon este carbonatul (2−). Ionii de carbonat formează legături ionice cu mulți alți compuși pentru a forma săruri și minerale. Majoritatea rocilor sedimentare conțin ioni de carbonat, legați în mod normal de calciu pentru a forma carbonat de calciu (CaCO3). Alți compuși carbonați includ carbonatul de fier (FeCO3) și carbonatul de sodiu (Na2CO3). Carbonatul de calciu este, de asemenea, componenta principală a cojilor de moluște și a scheletelor de corali.
„mi-am dat seama că era ca o agenție de întâlniri; ionii sunt sufletele pierdute care caută colegi; electrolitul este agenția care îi poate ajuta să se găsească unul pe celălalt.”- Victoria Finlay
există o familie importantă de compuși numiți carburi care se formează prin legarea ionilor de carbon cu metale alcaline și alcalino-pământoase foarte electropozitive. Aceste carburi pot fi împărțite în trei grupe, în funcție de caracterul ionului(ionilor) de carbon central (i). Metanidele se formează cu un miez C4, acetilide cu un miez C₂2 și sesquicarbide cu un miez cjud4. Majoritatea acestor compuși de carbură pot fi produși prin descompunerea compușilor de carbon legați covalent.
acetatul compus este un ion poliatomic important care conține carbon. Acetat (- sau -) este omniprezent în natură, deoarece este unul dintre blocurile primare ale biosintezei. Acetatul din organism este utilizat pentru a crea acizi grași, una dintre cele mai importante lipide și pentru a produce acetil-CoA, care este implicat în respirația celulară.
terapia cu ioni de Carbon
ionii de Carbon au găsit, de asemenea, o utilizare de nișă pentru tratarea tumorilor prin radioterapie. Radioterapia cu Carbon constă în tratarea tumorilor prin arderea particulelor de carbon puternic ionizate la tumori. Particulele de carbon ionizate pot deteriora structura celulară a celulelor tumorale, oprindu-le creșterea și ucigându-le. Terapia cu ioni de Carbon prezintă beneficii față de formele tradiționale de radioterapie prin faptul că nucleele mai grele ale atomilor de carbon permit un tratament mai precis și mai puternic. Nucleele grele, spre deosebire de radiațiile fotonice, sunt capabile să fie direcționate de câmpuri magnetice, astfel încât acestea pot fi manipulate mai precis pentru a viza tumorile.