COLEGIO DANIEL JORDÁN ÁREA QUÍMICA GRADO 11 PERIODO OBJETIVO. Identificar la estructura y propiedades del carbono CONCEPTUALIZACIÓN ESTRUCTURA DEL ÁTOMO DE CARBONO El carbono puede unirse consigo mismo formando polímeros, que son compuestos de elevado peso moléculas, constituyendo cadenas abiertas El átomo de carbono se presenta como un sólido de color negro, a excepción del diamante y el grafito que son cristalinos. La densidad del carbono es de 3.51 g/cc, se funde a 3527 C, hierve a 4200 C. De igual manera constituye ciclos, o cadenas cerradas; forman figuras geométricas regulares El ciclo propano y el ciclo butano son inestables. Los más estables son el ciclo pentano y ciclo hexano Tipos de carbonos de acuerdo a su posición Primarios.- Si están en los extremos Secundarios.- Si son intermedios y unidos a dos carbonos contiguos Terciarios.- Si en su estructura se unen a tres carbonos contiguos Cuaternarios.- Si saturan sus cuatro enlaces con cuatro carbonos contiguos Se encuentra ubicada en la tabla periódica en el segundo periodo, su número atómico es 6 y su masa atómica es 12 Da (Dalton), tiene cuatro electrones de valencia en su último nivel de energía los que determinan todas sus propiedades químicas. Por su distribución electrónica al átomo de carbono presenta las siguientes propiedades: Tetravalencia El átomo de carbono, pera cumplir con la ley de los octetos, puede ganar o perder cuatro electrones para alcanzar así la configuración electrónica de un gas noble. En la mayoría de los
compuestos actúa como elemento electronegativo. Al formar compuestos como el oxígeno, hidrógeno, nitrógeno, y carbono lo hace por covalencia, es decir que comparte los electrones. Estabilidad de los enlaces Los compuestos orgánicos presentan gran estabilidad debido a que el átomo de carbono tiene un volumen reducido y los enlaces covalentes que forman son fuertes y estables. Esta solidez en el enlace covalente permite la formación de largas cadenas con un número ilimitado de carbonos. Como ya se explicó, presenta cuatro electrones en su último nivel de valencia, lo cual determina que comparta los cuatro electrones en su último nivel de energía completando los ocho electrones Estructura tetratónica los cuatro electrones de valencia se hallan situados dos en el orbital 2s y dos en el orbital p (px1 y en py1), esto implica que al encontrarse en diferentes orbitales tienen diferente cantidad de energía. Sin embargo, el análisis de rayos X demuestra que los cuatro enlaces formados por el átomo de carbono se encuentran en direcciones preestablecidas, es decir, las cuatro valencias del átomo de carbono son iguales, así como también sus ángulos. Estos enlaces los encontramos en direcciones preestablecidas ubicados en las direcciones de los vértices de un tetraedro, en cuyo centro se encuentra el núcleo Carbono con sus ángulos preestablecidos
Teoría de la hibridación La teoría de la hibridación del átomo de carbono consiste en el re ordenamiento de los electrones para que cada uno de los cuatro orbitales posea la misma cantidad de energía, es decir que la hibridación es la mezcla de los orbitales puros con el fin de obtener un mismo número de orbitales híbridos. La configuración electrónica cambia cuando uno de los electrones del orbital s adquieren más energía y saltan al orbital pz, que está vacío. En este momento pasan del estado fundamental al estado excitado. Es aquí donde el átomo de carbono tiene cuatro electrones impares y cada uno puede formar un enlace que representa las cuatro valencias. Estado excitado del átomo de carbono. La excitación que se produce en el átomo de carbono es simultanea a ala re estructuración en las características energéticas de los electrones, que permite una alteración en la forma y orientación de los orbitales s y p, ya que sus orbitales tienen un mismo nivel de energía y además un continuo movimiento en sus orbitales. En el átomo de carbono presenta tres tipos de hibridación que son: hibridación tetraedral, hibridación trigonal e hibridación digonal. Hibridación tetraedral la hibridación sp3 o tetraedral se da por la combinación de los orbitales s y p, que dan origen a la formación de orbitales nuevos iguales que poseen la misma energía, en los cuales cada uno tiene un electrón. La hibridación tetraedral da lugar a la formación de compuestos por enlace covalente. Hibridación trigonal Cuando en una combinación intervienen un orbital s y dos orbitales p, se originan tres orbitales sp2 equivalentes, que tienen sus ejes de simetría en el mismo plano y forman entre si ángulos de 120, por lo tanto, queda constituido de la siguiente manera: 2 (sp2)1 2(sp2)1 2pz1. Por otra parte, el tercer orbital, es decir, 2pz, que no intervino en la hibridación, presenta una dirección que es perpendicular con el plano de los demás orbitales híbridos. Este tipo de hibridación (trigonal) es común en los compuestos los cuales se unen dos átomos de carbono por enlace covalente doble.
Hibridación digonal la hibridación digonal se da pro la combinación de los electrones de los orbitales 2s y 2px, en donde los electrones de los orbitales py y pz, quedan inmutables y se mantienen. La hibridación digonal da lugar a la formación de dos orbitales colineales híbridos denominados sp, que originan ángulos de 180. El segundo nivel, por lo tanto, queda constituido de la siguiente manera: 2 (sp)1 2 (sp)1 2py1 2pz1. Este tipo de hibridación es característico de los compuestos en los cuales dos átomos de carbono se unen por enlace covalente triple, formando entre si los ángulos de 180 ya antes mencionados. De acuerdo con los tipos de hibridación, en los compuestos orgánicos se pueden dar diferentes tipos de enlaces: enlace triple, enlace doble, enlace simple por supuesto todos covalentes entre carbono carbono. Orbitales moleculares Son los orbitales en los cuales se encuentra el par de electrones compartidos en un enlace covalente teniendo como característica esencial es su continuo dinamismo lo que quiere decir que ocupan orbitales equivalentes a los orbitales atómicos. Estos orbitales están dispuestos en el espacio alrededor de dos o más núcleos atómicos a diferencia de los orbitales atómicos los que orbitan alrededor de un solo núcleo, hay dos tipos de orbitales: Pi y sigma Orbitales sigma (σ) Estos orbitales son uniformemente simétricos en torno del eje intermolecular, y se generan por el solapamientos entre un orbital sp3, sp2 y sp, de un carbono y un sp2 de otro carbono. es decir que los orbitales sigma, constituyen un nuevo orbital molecular simétrico alrededor del eje intermolecular.
Orbitales Pi (π) Cuando los orbitales p se sobreponen o solapan lado con lado perpendicularmente al eje intermolecular en forma asimétrica forma dos pares o mitades idénticas, una encima y una debajo del eje los que se denominan lóbulos los que guardan simetría con relación al eje. En el gráfico anterior las líneas entrepunteadas constituyen el eje intermolecular en donde se observa el enlace sigma y en sima y por debajo de el los lóbulos o enlaces Pi. Los orbitales Pi constituyen un orbital molecular en cuya región se encuentran dos electrones cuyas cargas eléctricas ayudan a mantener unidos a los dos núcleos del carbono. En enlaces carbono-carbono simple solo se presentan enlaces sigma o enlace fuerte el cual es difícil de romper en reacciones químicas, en los enlaces dobles se encuentra enlaces sigma y Pi, uno de cada uno, en los enlaces triples (como ya vimos) existe un enlace sigma y dos Pi uno por encima y debajo del sigma, estos enlaces Pi son más fáciles de romper.