الكربون والهيدروكربونات

عنصر الكربون ولماذا هو ضروري للحياة كما نعرفها. خصائص وأنماط الترابط لذرات الكربون.


 مقدمة


الكربون عنصر يسهل العثور عليه في حياتك اليومية. على سبيل المثال ، إذا كنت قد استخدمت قلم رصاص ، فقد رأيت الكربون في شكله الجرافيت. وبالمثل ، فإن قطع الفحم المستخدمة في الشواء مصنوعة من الكربون وحتى الماس الموجود في الخاتم أو القلادة هو شكل من أشكال الكربون (الذي تعرض في هذه الحالة لضغوط ودرجات حرارة عالية). ما قد لا تعرفه هو أن حوالي 18٪ من جسمك (بالكتلة) مصنوع أيضًا من الكربون. في الواقع ، تشكل ذرات الكربون العمود الفقري للعديد من الجزيئات المهمة في جسمك ، بما في ذلك البروتينات والحمض النووي والحمض النووي الريبي والسكريات والدهون.


غالبًا ما تسمى هذه الجزيئات البيولوجية المعقدة بالجزيئات الكبيرة ، على الرغم من تصنيفها أيضًا على أنها جزيئات عضوية ، مما يعني ببساطة أنها تحتوي على ذرات كربون. (هناك بعض الاستثناءات الملحوظة لهذه القاعدة. على سبيل المثال ، يحتوي ثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون على الكربون ، لكنهما لا يعتبران عضويين بشكل عام.)


خصائص ربط الكربون


لماذا يحظى الكربون بشعبية كبيرة في صناعة الهياكل الجزيئية؟ لماذا لا تستخدم بدلاً من ذلك ... الأكسجين ، على سبيل المثال ، لهذا الغرض؟ لسبب واحد ، روابط الكربون-الكربون قوية بشكل غير عادي ، لذلك يمكن للكربون أن يشكل هيكلًا قويًا ومستقرًا لجزيء كبير. ومع ذلك ، ربما يكون الأهم هو قدرتها على تكوين روابط تساهمية. نظرًا لأن ذرة C يمكن أن تشكل روابط تساهمية مع ما يصل إلى أربع ذرات أخرى ، فهي مناسبة تمامًا لتشكيل العمود الفقري الأساسي للجزيء الكبير.


على سبيل القياس ، تخيل أنك تلعب بمجموعة Tinker Toy® ولديك عجلات متصلة بفتحتين أو أربعة ثقوب. إذا اخترت عجلة التوصيل ذات الفتحات الأربعة ، فيمكنك إجراء المزيد من الاتصالات وبناء هيكل معقد بسهولة أكبر مما لو اخترت العجلة ذات الفتحتين. يمكن لذرة الكربون أن تترابط مع أربع ذرات أخرى وتشبه العجلة ذات الفتحات الأربع ، بينما ذرة الأكسجين ، التي لا يمكن أن تترابط إلا مع اثنتين ، تشبه العجلة ذات الفتحتين.


ترجع قدرة الكربون على الارتباط بأربعة إلكترونات أخرى إلى عددها وتكوين الإلكترونات. يحتوي الكربون على عدد ذري ​​ستة (أي ستة بروتونات وستة إلكترونات في ذرة محايدة) ، لذلك يملأ الإلكترونان الأولان الغلاف الداخلي ويبقى الأربعة الباقيان في الغلاف الثاني ، وهو غلاف التكافؤ (الخارجي) ). لتحقيق الاستقرار ، يجب أن يجد الكربون أربعة إلكترونات أخرى لملء غلافه الخارجي ، ليصبح المجموع ثمانية يفي بقاعدة الثمانيات. يمكن لذرات الكربون بعد ذلك تكوين روابط مع أربع ذرات أخرى. على سبيل المثال ، في الميثان (CH_4 

4

.

 بداية منخفضة ، 4 ، نهاية خط منخفض) ، يشكل الكربون روابط تساهمية مع أربع ذرات هيدروجين. تتوافق كل رابطة مع زوج مشترك من الإلكترونات (واحد من الكربون والآخر من الهيدروجين) ، مما يمنح الكربون الإلكترونات الثمانية التي يحتاجها لملء غلافه الخارجي.


الهيدروكربونات


و الهيدروكربونات هي الجزيئات العضوية يتألف بالكامل من الكربون والهيدروجين. غالبًا ما نستخدم الهيدروكربونات في حياتنا اليومية - على سبيل المثال ، البروبان من موقد الغاز والبيوتان من الولاعة كلاهما هيدروكربونات. إنها وقود جيد لأن روابطها التساهمية تخزن كمية كبيرة من الطاقة التي يتم إطلاقها عندما تحترق الجزيئات (أي عندما تتفاعل مع الأكسجين لتكوين ثاني أكسيد الكربون والماء).


صورة لجزيء الميثان يوضح شكله رباعي السطوح وزاوية الرابطة 109.5 درجة لكل وحدة HCH.

الميثان (CH_4 

4

.

 بداية منخفضة ، 4 ، نهاية خط منخفض) ، أبسط جزيء هيدروكربوني ، يتكون من ذرة كربون مركزية مرتبطة بأربع ذرات هيدروجين. يشكل الكربون وذرات الهيدروجين الأربع رؤوس شكل ثلاثي الأبعاد يُعرف باسم رباعي الوجوه ، وله أربعة أوجه مثلثة ؛ وبسبب هذا ، يقال إن الميثان له هندسة رباعية السطوح. بشكل عام ، عندما تنضم ذرة كربون إلى أربع ذرات أخرى ، فإن الجزيء (أو جزء منه) سيأخذ شكل رباعي السطوح مشابه لشكل الميثان. يحدث هذا لأن أزواج الإلكترونات التي تشكل الروابط تتنافر مع بعضها البعض والشكل الذي يزيد المسافة بينهما هو رباعي السطوح.


لا يتم تصنيف معظم الجزيئات الكبيرة على أنها هيدروكربونات لأنها تحتوي على ذرات أخرى بالإضافة إلى الكربون والهيدروجين ، مثل النيتروجين والأكسجين والفوسفور. ومع ذلك ، فإن سلاسل الكربون ذات الهيدروجين المترابط هي مكون هيكلي أساسي لمعظم الجزيئات الكبيرة (حتى لو كانت تتناوب مع ذرات أخرى) ، لذا فإن فهم خصائص الهيدروكربونات مهم لفهم سلوك الجزيئات الكبيرة.

أحدث أقدم