Atomový uhlík - Atomic carbon - Wikipedia

Atomový uhlík
Jména
Preferovaný název IUPAC
Atomový uhlík
Systematický název IUPAC
Methandiyliden (substituční)
Uhlík (přísada)
Identifikátory
3D model (JSmol )
ChEBI
ChemSpider
Informační karta ECHA100.028.321 Upravte to na Wikidata
Vlastnosti
C
Molární hmotnost12.011 g · mol−1
Pokud není uvedeno jinak, jsou uvedeny údaje o materiálech v nich standardní stav (při 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
šekY ověřit (co je šekY☒N ?)
Reference Infoboxu

Atomový uhlík, systematicky pojmenovaný uhlík a λ0-metan, nazývaný také monokarbon, je bezbarvý plynný anorganické chemikálie s chemický vzorec C (také psáno [C]). Je kineticky nestabilní při teplotě a tlaku okolí a je odstraňován autopolymerací.

Atomový uhlík je nejjednodušší formou uhlíku a je také předkem uhlíkových klastrů. Kromě toho může být považován za grafitový monomer.

Nomenklatura

The triviální jméno monokarbon je nejčastěji používaná a preferovaný název IUPAC. Systematický název uhlík, platný IUPAC název je konstruován podle kompoziční nomenklatury. Jako název složení však nerozlišuje mezi různými formami čistého uhlíku. Systematický název λ0-metan, také platný název IUPAC, je konstruován podle substituční nomenklatury. Spolu s monokarbon, tento název rozlišuje titulní sloučeninu, jak je odvozena pomocí strukturních informací o molekule. Abychom lépe odráželi jeho strukturu, je volný atomový uhlík často psán jako [C]. λ2-methylium ([CH]+
) je ion vyplývající ze zisku H+
 atomovým uhlíkem.

Vlastnosti

Amfotericita

A Lewisova kyselina se může spojit s elektronovým párem atomového uhlíku a elektronový pár Lewisovy báze se může spojit s atomovým uhlíkem adukcí:[1]

: [C] + M → [MC]
[C] +: L → [CL]

Kvůli tomuto darování nebo přijetí addukovaného elektronového páru má atomový uhlík Lewisův amfoterní charakter.[2] Atomový uhlík má schopnost darovat až dva páry elektronů Lewisovým kyselinám nebo přijmout až dva páry z Lewisových bází.

Proton se může spojit s atomovým uhlíkem protonací:

C + H+
 → CH+

Kvůli tomuto zachycení protonu (H+
), atomový uhlík a jeho adukty Lewisových bází, jako je voda, mají také Brønsted – Lowryův základní charakter. Konjugovaná kyselina atomového uhlíku je λ2-methylium (CH+
).

H
3Ó+
 + C ⇌ H
2Ó + CH+

Vodné roztoky aduktů jsou však nestabilní v důsledku hydratace uhlíkového centra a λ2-methylium skupina k produkci λ2-methanolu (CHOH) nebo λ2-metan (CH
2), nebo hydroxymethylium (CH
2ACH+
) skupiny.

H
2Ó + C → CHOH
H
2Ó + CH+
 → CH
2ACH+

Λ2-methanolová skupina v aduktech může potenciálně izomerizovat za vzniku formaldehyd, nebo být dále hydratován za vzniku metandiol. Skupina hydroxymethylium v ​​aduktech může být potenciálně dále hydratována za vzniku dihydroxymethylium (CH (OH)+
2), nebo být oxidován vodou za vzniku formylium (HCO+
).[1]

Elektromagnetické vlastnosti

Elektrony v atomovém uhlíku jsou rozděleny mezi atomové orbitaly podle principu aufbau a vytvářejí jedinečné kvantové stavy s odpovídajícími energetickými hladinami. Stav s nejnižší úrovní energie neboli základní stav je trojitý diradický stav (3P0). První dva vzrušené stavy, které jsou si energeticky relativně blízké, jsou singlet (1D2) a singlet diradical (1S0). Neradikální stav atomového uhlíku je systematicky pojmenován λ2-methyliden a diradikální stavy, které zahrnují základní stav, se nazývají uhlík (2 •) nebo λ2-methanediyl 1D2 a 1S0 stavy leží 121,9 kJ mol−1 a 259,0 kJ mol−1 nad základním stavem, resp. Přechody mezi těmito třemi stavy jsou formálně zakázány z důvodu požadavku převrácení spinů nebo párování elektronů. To znamená, že atomový uhlík fosforeskuje v blízké infračervené oblasti elektromagnetického spektra při 981,1 nm. Může také fluoreskovat v infračervené oblasti a fosforeskovat v modré oblasti při 873,0 nm, respektive 461,9 nm, po excitaci ultrafialovým zářením.

Různé stavy atomového uhlíku vykazují různé chemické chování. Například reakce tripletového radikálu s neradikálním druhem obecně zahrnuje abstrakci, zatímco reakce singletového neradikálu zahrnuje nejen abstrakci, ale také přidání vložením.

[C]2•(3P0) + H
2Ó → [CHOH] → [CH] + [HO]
[C](1D2) + H
2Ó → [CHOH] → CO + H
2 nebo H
2CO

Výroba

Výroba atomového uhlíku: C: - Zdrojem světla je elektrický oblouk mezi dvěma uhlík pruty. Tekutý dusík ochlazuje reakční nádobu. Černá látka je saze. Tato fotografie byla pořízena v laboratoři profesora Phil Shevlin na Auburn University.

Tento velmi krátký druh je vytvořen průchodem velkého proudu dvěma sousedními uhlíkovými tyčemi a generováním elektrického oblouku. V tomto procesu se vytváří atomový uhlík. Profesor Phil Shevlin provedl hlavní práci v oboru na základě Auburn University v USA.

Způsob, jakým se tento druh vyrábí, úzce souvisí s tvorbou fullerenů C60 hlavním rozdílem je, že při tvorbě atomového uhlíku se používá mnohem nižší vakuum.

Atomový uhlík se vytváří při termolýze 5-diazotetrazolu extrudováním 3 ekvivalentů dinitrogenu:[3]

CN6 →: C: + 3N2

AtomicC.png

Čistý zdroj atomového uhlíku lze získat na základě tepelný rozklad z karbid tantalu. V rozvinutém zdroji[4] uhlík je vložen do tenkostěnných tantal trubka. Po uzavření se přímým ohřevem elektrický proud. Solvatované atomy uhlíku difundují na vnější povrch trubice a při zvýšení teploty je pozorován odpařování atomového uhlíku z povrchu tantalové trubice. Zdroj poskytuje čistě atomy uhlíku bez přítomnosti dalších druhů.

Dekarbonylace uhlíku suboxidem

Atomový uhlík může být produkován suboxidem uhlíku dekarbonylace. V tomto procesu suboxid uhlíku se rozkládá za vzniku atomového uhlíku a kysličník uhelnatý podle rovnice:

C
3Ó
2 → 2 CO + [C]

Tento proces zahrnuje oxid uhličitý jako meziprodukt a probíhá ve dvou krocích. Pro obě dekarbonylace je zapotřebí fotolytické ultrafialové záření.

  1. OCCCO → [CCO] + CO
  2. [CCO] → CO + [C]

Použití

Normálně existuje vzorek atomového uhlíku jako směs excitovaných stavů navíc k základnímu stavu v termodynamické rovnováze. Každý stát přispívá odlišně k reakčním mechanismům, které mohou nastat. Jednoduchý test používaný k určení, o který stav jde, je využití diagnostické reakce stavu tripletů s O2, pokud se výtěžek reakce nezmění, znamená to, že se jedná o singletový stav. Diradický základní stav obvykle prochází abstrakčními reakcemi. Atomový uhlík byl použit ke generování „skutečného“ karbeny abstrakcí kyslík atomy z karbonyl skupiny:

R2C = O +: C: → R2C: + CO

Takto vytvořené karbeny budou vykazovat skutečné karbenické chování. Karbeny připravené jinými metodami, jako jsou diazosloučeniny, mohou vykazovat vlastnosti lépe přisuzované diazosloučenině použité k výrobě karbenu (která napodobuje chování karbenu) spíše než samotnému karbenu. To je důležité z mechanistického porozumění perspektivě skutečného karbenu.

Reakce

Jelikož atomový uhlík je druh s nedostatkem elektronů, spontánně se autopolymerizuje ve své čisté formě nebo se převádí na adukt po zpracování Lewisovou kyselinou nebo bází. Oxidace atomového uhlíku dává oxid uhelnatý, zatímco redukce dává λ2-metan.Nekovy, počítaje v to kyslík, silně útočí na atomový uhlík, tvoří dvojmocné sloučeniny uhlíku:

2 [C] + Ó
2 → 2 CO

Atomový uhlík je vysoce reaktivní, většina reakcí je velmi exotermická. Obvykle se provádějí v plynné fázi při teplotách kapalného dusíku (77 K). Typické reakce s organickými sloučeninami zahrnují:[5]

Inzerce do vazby C-H v alkanech za vzniku karbenu
Odkysličení karboxylových skupin v ketonech a aldehydhydech za vzniku karbenu, 2-butanonu tvořícího 2-butanyliden.
Vložením do dvojných vazeb uhlík-uhlík za vzniku cyklopropyliden, který prochází otevíráním kruhu, jednoduchým příkladem je vložení do alkenu za vzniku kumulenu.

Vložením vody do vazby O-H se vytvoří karben, H-C-OH, který se přeskupí na formaldehyd, HCHO.

Reference

  1. ^ A b Husain, D .; Kirsch, L. J. (1. ledna 1971). "Reakce atomového uhlíku C (23PJ) kinetickou absorpční spektroskopií ve vakuové ultrafialové “. Transakce Faradayovy společnosti. 67: 2025–2035. doi:10.1039 / TF9716702025.
  2. ^ Housecroft, Catherine E .; Sharpe, Alan G. (2012). "Kyseliny, zásady a ionty ve vodném roztoku". Anorganická chemie (4. vydání). Pearson Education, Ltd. str. 227. ISBN  978-0-273-74275-3.
  3. ^ Shevlin, Philip B. (01.05.2002). „Tvorba atomového uhlíku při rozkladu 5-tetrazolyldiazoniumchloridu“. Journal of the American Chemical Society. 94 (4): 1379–1380. doi:10.1021 / ja00759a069.
  4. ^ Krasnokutski, S. A .; Huisken, F. (15. září 2014). "Jednoduchý a čistý zdroj nízkoenergetického atomového uhlíku". Aplikovaná fyzikální písmena. 105 (11): 113506. Bibcode:2014ApPhL.105k3506K. doi:10.1063/1.4895806.
  5. ^ Reactive Intermediate Chemistry, Robert A. Moss, Matthew S. Platz a Maitland Jones Jr., Wiley-Blackwell, (2004), ISBN  978-0471233244

Další čtení