kol (C) är ett mycket flexibelt element och kan bilda ett antal olika joner. Kol har ett yttre skal bestående av 4 valenselektroner. Det betyder att det antingen kan lägga till 4 elektroner för att få ett fullt yttre skal eller förlora 4 elektroner för att bli av med sitt yttre skal.
således kan en koljon ha en laddning på var som helst från -4 till +4, beroende på om den förlorar eller får elektroner. Även om de vanligaste oxidationstillstånden för kol är + 4 och + 2, kan kol göra joner med oxidationstillstånd av +3, +1, -1, -2, och -3.
översikt
strängt taget bildar kol nästan aldrig fristående monatomiska joner, som natrium (Na) eller klor (Cl) kan. Kol är i allmänhet ett mycket stabilt element som är resistent mot att få eller förlora elektroner. Kol är nästan lika elektropositivt och elektronegativt, så det har sällan ett behov av att vinna eller förlora elektroner. För det mesta kommer kol bara att bilda kovalenta bindningar och dela elektroner istället för att bilda en jon. Det är helt möjligt att skapa monatomiska koljoner, det kräver bara en stor mängd energi som ökar för varje efterföljande elektron som tas bort.
kol kan emellertid bilda polyatomiska joner. Den flexibla elektronstrukturen av kol gör att den kan bildas som kärnan i polyatomiska joner. Många av dessa polyatomiska joner inklusive kol är viktiga för livet som vi känner det och spelar en viktig roll i levande organismer. Andra är viktiga för att förstå mineralernas beteende, och andra används i industrin som bränsle, byggmaterial och rengöringslösningar. Eftersom kol är ett så flexibelt element kan de många möjliga polyatomiska jonerna kol bilda mycket olika i deras egenskaper.
”vi definierar organisk kemi som kemi av kolföreningar.”- Augusti Kekule
Vad Är En Jon?
en jon är en atom eller molekyl som har en icke-neutral elektrisk laddning. Elektriskt neutrala atomer blir joner genom avlägsnande eller tillsats av elektroner. Eftersom elektroner har en lika och motsatt laddning till protoner, kommer den elektriska laddningen på en jon från atomen som har en ojämn mängd protoner och elektroner. Enstaka atomer som är joner kallas monatomiska joner och multiatommolekyler med en icke-neutral elektrisk laddning kallas polyatomiska joner. Positivt laddade joner kallas katjoner och har fler protoner än elektroner. Negativt laddade joner kallas anjoner och har fler elektroner än protoner. Kemister representerar joner genom att lägga till ett positivt eller negativt superscript bredvid den kemiska formeln för ett ämne. En kolatom som har förlorat en enda elektron och så har en positiv laddning är skriven som C1 GHz. Omvänt skrivs en kolatom som har fått en enda elektron och har en negativ laddning C1⁻.
tendensen för en atom eller molekyl att bilda en katjon bestäms av ämnets joniseringsenergi. Joniseringsenergin är ett mått på hur mycket energi atomen eller molekylen måste absorbera för att tömma en av dess elektroner och därmed lämna en positiv laddning. I allmänhet kostar avlägsnande av en enda elektron från en neutral atom den minsta mängden energi, med den erforderliga joniseringsenergin som ökar för varje efterföljande elektron. Till exempel är den 1: A joniseringsenergin för kol 1086,5 kJ/mol. Det vill säga det tar 1086,5 kJ energi för att ta bort en enda elektron från en mol kol. Den 2: a joniseringsenergin för kol är 2352,6 kJ/mol, mer än dubbelt så mycket som den nödvändiga energin än den första joniseringsenergin.
tendensen för en atom att bilda en anjon bestäms av dess elektronegativitet. Elektronegativiteten (EN) av ett ämne är ett mått på hur mycket ämnet lockar elektroner. Ju mer elektronegativ ett element är, desto mer sannolikt är det att förvärva ytterligare elektroner, desto mer sannolikt är det att bilda anjoner. Kol har EN EN på 2,55 på Pauling-skalan, ett värde ungefär i mitten. Däremot har syre (O) EN EN på 3, 44; Mycket elektronegativ. Syre är mycket sannolikt att fylla sina två öppna valensspår med elektroner för att bilda en O2⁻ anjon.
joner gjorda av enstaka atomer kallas monatomiska. Joner gjorda av molekyler med flera atomer kallas polyatomiska joner. Polyatomiska joner är kemiska föreningar som har en icke-neutral elektrisk laddning. Precis som monatomiska joner har polyatomiska joner en ojämn mängd elektroner och protoner. När du skriver formeln för en polyatomisk, skrivs föreningen i kvadratkonsoler och den elektriska laddningen skrivs som ett superscript utanför kvadratkonsoler. Ammonium är till exempel en polyatomisk jon med en kemisk formel på +. Ammonium innehåller en mindre elektron än protoner och har därför en total elektrisk laddning på +1. Andra polyatomiska joner innefattar hydroxid (−) och sulfat (2−).
joner är inte samma sak som polaritet. En polär molekyl har en partiell elektrisk laddning medan joner har fulla laddningar. Laddningen av en jon är alltid något heltal. Natriumjoner har en laddning av + 1, klorjoner en laddning av -1. Polära molekyler har delvis laddningsdipoler och deras laddningsvärde är inte ett heltal. Laddningen av den negativa syreänden i vatten är ca -2/3e, ungefär två tredjedelar laddningen av en enda elektron.
kol som en jon
monatomiska joner med kol
eftersom kol är ett elektriskt stabilt element, bildar det nästan aldrig naturligt fristående monatomiska koljoner i form av c3 eller CDI -. Det finns inget särskilt som förhindrar att koljoner bildas, bara det faktum att det kräver en hel del energi för att göra det. Istället för att förlora eller få elektroner kommer kol för det mesta att bilda en kovalent bindning via delning av elektroner. Till exempel kommer kol att bilda metan (CH4) genom att dela sina 4 yttre elektroner med väte väte är inte tillräckligt elektronegativt för att ta elektroner från kol och kol är inte tillräckligt elektronegativt för att ta elektroner från väte. Så, kol delar bara var och en av sina 4 yttre elektroner med den enda yttre elektronen i varje väte.
ett sätt att bilda fristående monatomiska koljoner från ett moln av gasformigt kol är med en laser. Kol kommer att sublima till en gas vid hög temperatur. Sedan kan en laser avfyras på de enskilda kolatomerna för att slå av elektroner för att göra koljoner. Teoretiskt kan du helt jonisera en kolatom genom att ta bort alla dess elektroner på detta sätt. Denna process är inte särskilt praktisk eller användbar eftersom varje efterföljande elektron som tas bort från kolatomen kräver mer och mer energi.
polyatomiska joner med kol
kol kan emellertid naturligt göra ett antal polyatomiska joner. Eftersom kol är ett mycket flexibelt element kan de olika polyatomiska jonerna bilda mycket olika kemiska egenskaper. Vissa är relativt tråkiga och inerta, medan andra kan vara farliga eller extremt flyktiga. Kol är bland de vanligaste beståndsdelarna i de olika kända naturligt förekommande polyatomiska jonerna.
kol och kväve (N) kombineras till exempel för att bilda anjoncyaniden ( − ), en extremt giftig förening. Cyanid består av en kolatom trippelbunden till en kväveatom. Cyanid produceras naturligt av många växter och svampar, ofta som en försvarsmekanism. Cyanid kan binda med en väteatom för att bilda hydrocyansyra (HCN) en extremt frätande förening som kan vara dödlig i små doser.
en annan vanlig polyatomisk jon som innehåller kol är karbonat (2−). Karbonatjoner bildar jonbindningar med många andra föreningar för att bilda salter och mineraler. De flesta sedimentära bergarter innehåller karbonatjoner, normalt bundna till kalcium för att bilda kalciumkarbonat (CaCO3). Andra karbonatföreningar inkluderar järnkarbonat (FeCO3) och natriumkarbonat (Na2CO3). Kalciumkarbonat är också huvudkomponenten i blötdjurskal och korallskelett.
”jag insåg att det var som en dejting byrå; jonerna är de förlorade själarna som letar efter kompisar; elektrolyten är byrån som kan hjälpa dem att hitta varandra.”- Victoria Finlay
det finns en viktig familj av föreningar som kallas karbider som bildas genom att binda koljoner med mycket elektropositiva alkali-och jordalkalimetaller. Dessa karbider kan delas in i tre grupper, beroende på karaktären hos de centrala koljonerna. Metanider bildas med en C4-kärna, acetylider med en C₂2− kärna och sesquikarbider med en Ccer4− kärna. De flesta av dessa karbidföreningar kan framställas genom sönderdelning av kovalent bundna kolföreningar.
föreningen acetat är en viktig polyatomisk jon som innehåller kol. Acetat (- eller -) är allestädes närvarande i naturen eftersom det är en av de primära byggstenarna för biosyntes. Acetat i kroppen används för att skapa fettsyror, en av de viktigaste lipiderna, och för att göra acetyl-CoA, som är involverad i cellulär andning.
Koljonterapi
Koljoner har också hittat en nischanvändning för behandling av tumörer via strålbehandling. Kolstrålningsterapi består av att behandla tumörer genom att skjuta kraftigt joniserade kolpartiklar vid tumörer. De joniserade kolpartiklarna kan skada den cellulära strukturen hos tumörceller, stoppa deras tillväxt och döda dem. Koljonterapi visar fördelar jämfört med traditionella former av strålterapi genom att de tyngre kärnorna i kolatomer möjliggör mer exakt och kraftfull behandling. Tunga kärnor, i motsats till fotonstrålning, kan styras av magnetfält, så att de kan manipuleras mer exakt för att rikta tumörer.