Modellini atomici ed atomo di carbonio
Nel set di modelli molecolari sono presenti 50 atomi colorati e 64 legami. Ogni pallina corrisponde ad un elemento diverso, mentre, i bastoncini rappresentano i legami covalenti singolo (il più corto grigio), doppio e triplo (il bastoncino lungo grigio flessibile). Il legame piccolo bianco si usa nei modelli compatti al posto del legame corto grigio.
In questo set, l'atomo di carbonio è rappresentato dalla pallina nera, l'idrogeno è bianco, l'ossigeno è rosso, l'azoto è blu sia tetraedrico che piramidale, lo zolfo è giallo sia tetraedrico che ottaedrico, il cloro è verde, il potassio è viola, il sodio è grigio.
Atomo di carbonio:
è un elemento chimico del secondo periodo e del gruppo IV A del sistema periodico degli elementi. La sua configurazione elettronica è 1s22s22p2; in totale vi sono 6 elettroni di cui 2 sono nell'1s2 in cui il coefficiente 1 indica il livello energetico ed il numero 2 indica il numero di elettroni presenti. Invece, dei 4 elettroni del secondo livello, 2 sono nel 2s2 con spin appaiati e 2 sono nel p con spin non appaiati. I 4 orbitali del secondo livello non sono equivalenti tra loro e vi sono 2s22p2 elettroni.
L'atomo di carbonio ha numero atomico 6, il simbolo è C, il peso atomico è 12,01115, il raggio atomico è 0,077 nm. E' poco abbondante circa lo 0,032% della crosta terrestre, ma è diffusissimo in natura sia come elemento puro che nelle due forme cristalline del diamente e della grafite, due tra le sue forme allotropiche. E' pure presente nelle forme impure microcristalline dei carboni fossili; e combinato negli idrocarburi solidi, liquidi, gassosi, nei carbonati e disciolto nelle acque superficiali. Negli organismi viventi animali e vegetali il C è presente sotto forma di composti organici.
Esistono due isotopi naturali stabili del carbonio e sono il 12C ed il 13C; invece, il 14C è l'isotopo instabile e si forma nell'alta atmosfera in seguito all'interazione tra 14N e raggi cosmici.
Data la sua posizione nel sistema periodico, il C forma quasi esclusivamente legami di tipo covalente tranne in alcuni casi.
L'ibridazione a cui il C da luogo è sp3 tetraedrica (metano CH4); l'ibridazione sp2 trigonale piana (etilene CH2=CH2); l'ibridazione sp diagonale (acetilene C2H2 con un legame triplo tra i due C).
Il C è un elemento non metallico tetravalente. Nei composti è presente in una delle tre forme di ibridazione sp3, sp2, sp.
Nell'sp3 il C coordina 4 atomi con angoli di legame di circa 109°5', tipica degli alcani e i legami sono semplici.
Nell'sp2 il C coordina con 3 atomi e l'angolo di legame è 120°, come negli alcheni e i legami sono doppi.
Nell'sp il C coordina con 2 atomi, l'angolo è di 180° e i legami sono tripli, tipica degli alchini.
I legami possono essere semplici, doppi e tripli.
Il C è in grado di legarsi con se stesso e con atomi diversi: con l'O forma il biossido di carbonio; con l'H forma gli idrocarburi; con O e H forma diversi composti tra cui gli acidi grassi.
Sono detti organici i composti in cui il C ha numero di ossidazione inferiore a +4. Il C forma catene di atomi di varia lunghezza, anche cicliche, e che sono alla base degli idrocarburi e di tutti i composti organici.
Tra i composti inorganici vi sono CO2, CO, C3O2 (subossido di carbonio).
Quando il C si lega ad un solo C è detto primario; è detto secondario se legato a 2 C; è detto terziario se legato a 3 C.
Riepilogo:
Il C è tetravalente perché ha 4 elettroni che può condividere, infatti ha configurazione elettronica 1s22s22p2 e gli mancano 2 elettroni per formare l'ottetto elettronico stabile che è 1s22s22p6. Il C appartiene al secondo periodo e al gruppo IV A. E' presente in tre forme di ibridazione: sp, sp2, sp3.
I composti del C possono essere naturali (proteine, acidi nucleici, lipidi, carboidrati) o prodotti per sintesi (carburanti, sostanze alimentari, prodotti farmaceutici, materie plastiche).
Gli elettroni del C tendono a riempire progressivamente gli orbitali atomici partendo dai sottolivelli dei livelli interni, più poveri di energia.
Il primo livello ha un solo orbitale sferico 1s al cui interno possono stare 2 elettroni al massimo e con spin antiparallelo od opposto. Il primo livello coincide con il sottolivello.
Il secondo livello ha due sottolivelli:
il sottolivello 2s, che è il più povero di energia, con un orbitale sferico di raggio maggiore dell'1s; può contenere al massimo due elettroni di spin opposto. Il sottolivello 2p ha tre orbitali a forma di due lobi e può contenere al massimo due elettroni per orbitale, cioè 6 elettroni al massimo. Dunque, il secondo livello energetico può contenere al massimo 8 elettroni.
Se si fornisce all'atomo di C energia sufficiente, si formano orbitali ibridi di forma nuova rispetto a quelli di partenza. Nell'ibridazione sp, sp2, sp3 del C, sono coinvolti gli orbitali 2s e 2p. Riguardo i 2p si deve dire che due sono 2p1 (stato di singoletto e sono 2p1x e 2p1y) ed il terzo è 2pz vuoto.
Nell'sp sono coinvolti un orbitale s (il 2s) ed un orbitale p (il 2pz vuoto).
Fornendo energia al C normale si ottiene l'sp in cui ogni orbitale ha 1 elettrone, gli spin sono paralleli, la forma dell'orbitale è a mazza da baseball.
Fornendo energia al C sp si ottiene l'sp2 in cui si hanno 3 orbitali ibridi ognuno dei quali ha 1 elettrone, gli spin sono paralleli, gli orbitali coinvolti sono 2s, 2pz vuoto, 2p1.
Fornendo energia al C sp2 si ottiene l'sp3 in cui si hanno 4 orbitali ibridi ognuno con 1 elettrone e spin paralleli, gli orbitali sono 2s e 3 orbitali p (2pz vuoto, 2p1x e 2p1y).
sp è detta ibridazione lineare o diagonale e l'angolo è di 180°.
sp2 è detta trigonale o planare con angolo di 120°.
sp3 è detta tetraedrica o spaziale e l'angolo è 109°5'.
Nei composti del carbonio come il metano CH4, c'è il legame tra C e i 4 atomi di idrogeno H, in cui 1 elettrone dell'orbitale atomico 2s è passato al 2p e i 4 orbitali atomici degli elettroni dello strato esterno sono ibridi cioè equivalenti e questa ibridazione è sp3, perché prodotta da un elettrone di orbitale atomico s e da tre elettroni di orbitale atomico p. L'ibridazione sp3 si ha in composti di C con 4 valenze sature. L'unione di due orbitali atomici sp3 oppure di un sp3 con un s genera orbitali molecolari di tipo sigma.
L'etilene CH2=CH2 ha doppi legami, e l'ibridazione degli orbitali atomici degli elettroni del C è sp2, perché vi ritroviamo un elettrone dell'orbitale atomico s e due dell'orbitale atomico p. L'unione tra due orbitali atomici sp2 fra loro e quella fra un sp2 con l's dell'H genera orbitali molecolari sigma. Sono sigma uno dei legami tra quelli dei due atomi di carbonio ed un altro legame tra il C e l'H, nell'etilene; mentre, l'orbitale molecolare dell'altro legame fra i due C è di tipo pigreco perché deriva da un pz.
Nell'acetilene C2H2, è presente un triplo legame tra i due C, l'ibridazione è sp e coinvolge un orbitale s ed un orbitale p. Sono sigma gli orbitali molecolari di uno dei legami tra i due C e del legame tra C e H; sono pigreco gli orbitali molecolari degli altri due legami tra i C perché provengono da orbitali px e pz e sono perpendicolari tra loro.
Si consiglia di seguire il video, le foto relative con i modellini atomici, molecola del metano, acetilene, etilene, ibridazione carbonio, ibridazione sp3 sp2 ed sp.