炭素原子は、生命のそれのおかげで存在が可能ですので、おそらく最も重要な、すべての要素を象徴しています。それはそれ自体、少数の電子、または陽子と中性子を含む核だけでなく、組み込まれて最終的に生き物を形成するスターダストも閉じ込めます。
同様に、炭素原子は地球の地殻にありますが、鉄、炭酸塩、二酸化炭素、油、ダイヤモンド、炭水化物などの金属元素に匹敵するほど豊富ではありませんが、それらはその物理的および化学的症状。
出典：GabrielBolívar
しかし、炭素原子はどのようなものですか？不正確な最初のスケッチは上の画像に表示されているもので、その特徴は次のセクションで説明されています。
炭素原子は、大気、海、下層土、植物、あらゆる動物種を通過します。その大きな化学的多様性は、その結合の高い安定性とそれらが空間に配置される方法によるものです。したがって、一方では滑らかで滑らかなグラファイトが得られます。もう1つはダイヤモンドで、その硬度は多くの材料の硬度を上回ります。
炭素原子がそれを特徴付ける性質を持っていなかった場合、有機化学は完全には存在しません。一部の先見の明は、同素構造（カーボンナノチューブ、グラフェン、フラーレンなど）の設計と機能化を通じて、未来の新しい材料をその中に見ています。
炭素原子の特徴
炭素原子は文字Cで表されます。その原子番号Zは6であるため、6つの陽子（核内に記号「+」が付いた赤い丸）があります。さらに、6つの中性子（「N」の文字が付いた黄色の円）があり、最後に6つの電子（青い星）があります。
その原子粒子の質量の合計は、12.0107 uの平均値を与えます。ただし、画像の原子はdで構成される炭素12（12 C）同位体に対応しています。13 Cや14 Cなどの存在度の低い他の同位体は、中性子の数のみが異なります。
したがって、これらの同位体が描画された場合、13 Cには追加の黄色の円があり、14 Cにはさらに2つの円があります。これは、それらがより重い炭素原子であることを論理的に意味します。
これに加えて、この点に関して他にどのような特徴がありますか？それは4価です。つまり、4つの共有結合を形成できます。それは周期表のグループ14（IVA）に、より具体的にはブロックpにあります。
また、非常に用途の広い原子であり、周期表のほとんどすべての元素と結合できます。特にそれ自体で、線状、分岐状、層状の高分子およびポリマーを形成します。
構造
炭素原子の構造は何ですか？この質問に答えるには、最初に電子構成に移動する必要があります：1s 2 2s 2 2p 2または2s 2 2p 2。
1S：したがって三の軌道がある2、2S 2、及び2P 2、二つの電子とのそれぞれ。これは上の画像でも見ることができます：それぞれ2つの電子（青い星）を持つ3つのリング（リングを軌道と間違えないでください：それらは軌道です）。
ただし、星のうちの2つは、残りの4つよりも濃い青色になっていることに注意してください。どうして？内層1Sに最初の二つの対応するので2の化学結合の形成に直接関与しないO、。一方、外殻の電子は2sと2pです。
sとpの軌道は同じ形状ではないため、図示された原子は現実と一致しません。電子と原子核の間の距離の大きな不均衡に加えて、それは数百倍大きいはずです。
したがって、炭素原子の構造は、電子が「溶けて」ファジーな電子雲になる3つの軌道で構成されます。そして、核とこれらの電子の間には、原子内部の巨大な「ボイド」を明らかにする距離があります。
ハイブリダイゼーション
炭素原子が四価であることは以前に言及されました。その電子構成によれば、その2s電子は対になり、2pは対になりません：
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空の窒素原子（2p 3）に追加の電子で満たされたp軌道が1つあります。
共有結合の定義によれば、各原子はその形成のために電子に寄与する必要があります。ただし、炭素原子の基底状態では、2つの不対電子（各2p軌道に1つ）しかないことがわかります。つまり、この状態では2価の原子であるため、2つの結合（–C–）しか形成しません。
では、炭素原子が4つの結合を形成することはどのようにして可能でしょうか。これを行うには、電子を2s軌道から高エネルギーの2p軌道に昇格させる必要があります。これが完了すると、結果の4つの軌道は縮退します。言い換えれば、それらは同じエネルギーまたは安定性を持っています（それらが整列していることに注意してください）。
このプロセスはハイブリダイゼーションとして知られており、そのおかげで、炭素原子には4つのsp 3軌道があり、それぞれに1つの電子が4つの結合を形成しています。これは、4価であるという特性によるものです。
sp
炭素原子がsp 3混成を持つ場合、その4つの混成軌道を、その電子幾何学である四面体の頂点に向けます。
したがって、メタン分子（CH 4）のように4つの単純な結合しか形成しないため、sp 3炭素を識別できます。そして、この周りに四面体環境が観察できます。
sp 3軌道のオーバーラップは非常に効果的で安定しているため、単結合CCのエンタルピーは345.6 kJ / molです。これは、無限の炭酸塩構造と計り知れない数の有機化合物がある理由を説明しています。これに加えて、炭素原子は他のタイプの結合を形成できます。
sp
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炭素原子は、他のハイブリダイゼーションを採用することもでき、二重結合または三重結合を形成することができます。
sp 2ハイブリダイゼーションでは、画像に見られるように、3つの縮退したsp 2軌道があり、1つの2p軌道は変更されていないか、「純粋」のままです。120度離れた3つのsp 2軌道により、炭素は3つの共有結合を形成し、三角形の平面電子幾何学を描きます。他の3つに垂直な2p軌道では、π結合を形成します：–C = C–。
spハイブリダイゼーションの場合、180度離れた2つのsp軌道があり、線形電子幾何学を描くようになっています。今回は、互いに垂直な2つの純粋な2p軌道があり、炭素が三重結合または2つの二重結合を形成できるようにします。 ）。
常に（一般的に）炭素の周りの結合が追加される場合、その数は4に等しいことがわかります。この情報は、ルイス構造または分子構造を描くときに不可欠です。5つの結合（=C≡C）を形成する炭素原子は、理論的および実験的に許容されません。
分類
炭素原子はどのように分類されますか？内部特性による分類よりも、実際には分子環境に依存します。つまり、分子内の炭素原子は次のように分類できます。
プライマリー
一次炭素は、他の1つの炭素にのみ結合しているものです。たとえば、エタン分子CH 3 -CH 3は、2つの結合した一次炭素で構成されています。これは、炭素鎖の終わりまたは始まりを示します。
二次
2つの炭素にリンクしているものです。したがって、プロパン分子CH 3 - CH 2 -CH 3の場合、中央の炭素原子は二次（メチレン基-CH 2-）です。
三次
主鎖の枝がそこから出てくるので、第三級炭素は他のものとは異なります。たとえば、2-メチルブタン（イソペンタンとも呼ばれます）、CH 3 - CH（CH 3）-CH 2 -CH 3では、3次炭素が太字で強調表示されます。
第四紀
そして最後に、4級炭素は、その名前が示すように、他の4つの炭素原子にリンクされています。ネオペンタン分子、C（CH 3）4は、四級炭素原子を持っています。
用途
原子質量単位
12 C の平均原子質量は、他の元素の質量を計算するための標準的な尺度として使用されます。したがって、水素はこの炭素の同位体の12分の1の重さであり、これを使用して原子質量単位uと呼ばれるものを定義します。
したがって、他の原子質量は12 Cおよび1 H の原子質量と比較できます。たとえば、マグネシウム（24 Mg）は、炭素原子の約2倍、水素原子の24倍の重量があります。
炭素循環と生活
植物は、光合成プロセスでCO 2を吸収して酸素を大気中に放出し、植物の肺として機能します。彼らが死ぬと、彼らは炭になり、燃焼した後、再び CO 2を放出します。ある部分は植物に戻りますが、別の部分は海底に達し、多くの微生物に栄養を与えます。
微生物が死ぬと、その生物学的分解堆積物に残っている固体が堆積し、数百万年後、それは油として知られるものに変換されます。
人類がこの油を石炭燃焼の代替エネルギー源として使用する場合、それはより多くのCO 2（および他の望ましくないガス）の放出に貢献します。
一方、生命は最下部から炭素原子を利用しています。これは、DNAと同じくらい重要な高分子を構成する鎖と分子構造を形成できるように、その結合が安定しているためです。
NMR分光法
13、それははるかに低い割合であるが、Cは、12 C、その存在量は核磁気共鳴分光法、炭素13によって分子構造を解明するのに十分です。
この分析技術のおかげで、13 Cを囲む原子とそれらが属する官能基を決定することができます。したがって、任意の有機化合物の炭素骨格を決定することができます。
参考文献
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