탄소 원자의 전자 구조. 혼성화의 유형

화학 구조 이론 A.M. Butlerov. 탄소 원자의 전자 구조와 혼성화 유형.

1861년 오전 Butlerov는 다음과 같은 기본 원리로 구성된 유기 화합물의 화학 구조 이론을 제안했습니다.

1. 물질의 분자에는 화학 구조라고 불리는 원자의 화학적 결합의 엄격한 순서가 있습니다.

2. 물질의 화학적 특성은 기본 구성 요소의 특성, 양 및 화학 구조에 따라 결정됩니다.

3. 동일한 조성과 분자량을 가진 물질이라도 구조가 다르면 이성질체현상이 발생한다.

4. 특정 반응에서는 분자의 일부만 변하기 때문에 생성물의 구조를 연구하면 원래 분자의 구조를 결정하는 데 도움이 됩니다.

5. 분자를 구성하는 개별 원자의 화학적 성질(반응성)은 환경에 따라 달라집니다. 다른 원소의 어떤 원자가 연결되어 있는지에 따라 다릅니다.

여기 상태의 탄소 원자는 외부 에너지 준위에 4개의 짝을 이루지 않은 전자를 포함하고 4개의 공유 결합을 형성할 수 있습니다.

하이브리드 궤도는 결합 형성에 참여합니다.

첫 번째 원자가 상태는 sp3 혼성화입니다. 탄소 원자의 1개의 s와 3개의 p 오비탈이 참여하는 혼성화의 결과로 109.5° 각도로 사면체의 꼭지점을 향하는 4개의 등가 sp3-하이브리드 오비탈이 형성됩니다.

sp3 혼성화 상태에서 탄소 원자는 4개의 치환기와 4개의 s-결합을 형성하고 결합각이 109.5°에 가깝거나 같은 사면체 구성을 갖습니다. (예: 메탄)

두 번째 원자가 상태는 sp2 혼성화입니다. 탄소 원자의 1개의 s-오비탈과 2개의 p-오비탈이 참여하는 혼성화의 결과로 3개의 등가 sp2-하이브리드 오비탈이 형성되어 120° 각도로 동일한 평면에 놓이고 p-오비탈은 참여하지 않습니다. 혼성화는 혼성 오비탈의 평면에 수직으로 위치합니다.

sp2-혼성화 상태에서 탄소 원자는 혼성 오비탈로 인해 3개의 s-결합을 형성하고 혼성화에 관여하지 않는 p-오비탈로 인해 1개의 p-결합을 형성하며 3개의 치환기를 갖습니다. (예: 에틸렌)

탄소의 세 번째 원자가 상태는 sp-혼성화입니다. 하나의 s-오비탈과 하나의 p-오비탈이 참여하는 혼성화의 결과로 두 개의 등가 sp-혼성 오비탈이 180° 각도로 형성되고 혼성화에 참여하지 않는 p-오비탈은 평면에 수직으로 위치합니다. 하이브리드 궤도와 서로. sp-혼성화 상태에서 탄소 원자는 혼성 오비탈로 인해 2개의 s-결합과 혼성화에 참여하지 않는 p-오비탈로 인해 2개의 p-결합을 형성하며 2개의 치환기를 갖는다. (예: 아세틸렌)

분자 구성의 개념. 광학 또는 거울 이성질체. 분자 대칭 요소(축, 평면, 중심). 키랄성의 중심인 비대칭 탄소 원자. 물질의 광학 활성 및 특정 회전.

키랄성 중심이 하나인 분자(거울상 이성질체). 구성 표준으로 글리세르알데히드. 피셔 투영 공식. 상대 및 절대 구성. D-, L- 및 R-, S-시스템. 레이스메이트의 개념.

거울상 이성질체는 물체와 호환되지 않는 거울 이미지처럼 서로 관련된 입체 이성질체입니다.

키랄 분자만이 거울상 이성질체로 존재할 수 있습니다.

키랄성은 거울 이미지와 호환되지 않는 물체의 속성입니다. Chiral (그리스어 cheir-손) 또는 비대칭 물체는 왼손과 오른손, 장갑, 부츠 등입니다. 이 쌍을 이루는 물체는 물체와 그 거울 이미지를 나타냅니다 (그림 7.1, a). 이러한 항목은 서로 완전히 결합될 수 없습니다.

동시에, 우리 주변에는 거울 이미지와 호환되는 많은 물체가 있습니다. 즉, 접시, 숟가락, 유리잔 등과 같이 비키랄(대칭) 개체입니다. 물체를 두 개의 거울과 동일한 부분으로 나눕니다(그림 7.1, b 참조).

분자 세계에서도 비슷한 관계가 관찰됩니다. 즉, 분자는 키랄과 키랄로 구분됩니다. 아키랄 분자에는 대칭면이 있지만 키랄 분자에는 대칭면이 없습니다.

키랄 분자에는 하나 이상의 키랄성 중심이 있습니다. 유기 화합물에서 키랄성 중심은 비대칭 탄소 원자로 작용하는 경우가 가장 많습니다.

비대칭 탄소 원자는 4개의 서로 다른 원자 또는 그룹에 결합된 탄소 원자입니다.

분자의 입체화학식을 묘사할 때, 비대칭 탄소 원자에 대한 기호 "C"는 일반적으로 생략됩니다.

평면에 구성 이성질체를 묘사하기 위해 입체화학 공식을 사용할 수 있습니다. 하지만 간단하게 작성하는 것이 더 편리합니다. 피셔 투영 공식(간단한 - 피셔 투영).

거울상 이성질체 중 하나의 사면체 모델은 탄소 원자 사슬이 수직 위치에 있고 카르복실기가 맨 위에 오도록 공간에 배치됩니다. 키랄 중심의 비탄소 치환체(H 및 OH)와의 결합은 관찰자를 향해야 합니다. 그런 다음 모델이 평면에 투영됩니다. 비대칭 원자의 기호는 생략되었으며 수직선과 수평선의 교차점으로 이해됩니다.

키랄 분자의 사면체 모델은 투영 전에 다양한 방식으로 공간에 배치될 수 있습니다. 투영에서 수평선을 형성하는 연결은 관찰자를 향하고 수직 연결은 도면 평면 너머로 향하면됩니다.

투영 공식에서는 동일한 키랄 중심에 있는 두 치환기의 위치를 ​​짝수 번 교환할 수 있습니다(2개의 순열이면 충분합니다).

투영식은 도면 평면에서 180도 회전할 수 있습니까? (2개의 순열과 동일), 90?은 아닙니다.

뒤에 구성 표준글리세르알데히드를 복용했습니다. 좌회전성 거울상 이성질체는 임의로식 (I)에 기인합니다. 탄소 원자의 이러한 배열은 문자 l(lat.에서 유래)로 지정되었습니다. 라부스- 왼쪽). 따라서 우회전 거울상 이성질체는 식 (II)로 지정되었고, 배열은 문자 d(라틴어에서 유래)로 지정되었습니다. 덱스터- 오른쪽).

l-글리세르알데히드에 대한 표준 투영 공식에서 OH 그룹은 왼쪽에 있고, d-글리세르알데히드에 대해서는 오른쪽에 있습니다.

다른 구조적으로 관련된 광학 활성 화합물의 d- 또는 l-시리즈에 대한 지정은 비대칭 원자의 배열을 d- 또는 l-글리세르알데히드의 배열과 비교하여 이루어집니다. 예를 들어, 투영식에서 젖산의 거울상 이성질체 중 하나(I)에서 OH 그룹은 l-글리세르알데히드에서처럼 왼쪽에 있으므로 거울상 이성질체(I)는 l-시리즈로 분류됩니다. 같은 이유로 거울상 이성질체(II)는 d-계열로 분류됩니다. 따라서 Fisher 예측을 비교하여 우리는 다음을 결정합니다. 상대적인구성

l-글리세르알데히드는 왼쪽 방향으로 회전하고, l-락트산은 오른쪽 방향으로 회전한다는 점에 유의해야 합니다(이것은 고립된 경우가 아닙니다). 또한 동일한 물질이라도 측정 조건(다른 용매, 온도)에 따라 왼손잡이 또는 오른손잡이가 될 수 있습니다.

편광면의 회전 표시는 d- 또는 l-입체화학 시리즈에 속하는 것과 관련이 없습니다.

광학 활성 화합물의 상대적 구성에 대한 실제 결정은 화학 반응을 사용하여 수행됩니다. 테스트 물질은 글리세르알데히드(또는 상대적 구성이 알려진 다른 물질)로 변환되거나 반대로 테스트 물질은 d- 또는 l에서 얻습니다. -글리세르알데히드. 물론, 이 모든 반응 동안 비대칭 탄소 원자의 배열은 변하지 않아야 합니다.

왼손 및 오른손 글리세르알데히드를 기존 구성에 임의로 할당하는 것은 강제적인 단계였습니다. 당시에는 키랄 화합물에 대한 절대 배열이 알려지지 않았습니다. 절대 배열의 확립은 물리화학적 방법, 특히 X선 회절 분석의 개발 덕분에 가능해졌으며, 1951년에 키랄 분자의 절대 배열이 처음으로 결정되었습니다. 이는 (+)의 염이었습니다. -타르타르산. 그 후, d- 및 l-글리세르알데히드의 절대 배열이 실제로 원래 이들에 할당된 배열임이 분명해졌습니다.

d,l-시스템은 현재 α-아미노산, 하이드록시산 및 (일부 추가) 탄수화물에 사용됩니다.

R,S-구성 지정 시스템. d,L-시스템은 화합물의 구성을 글리세르알데히드와 연관시키는 것이 종종 불가능하기 때문에 매우 제한적으로 사용됩니다. 키랄성 중심의 구성을 지정하는 보편적인 시스템은 R,S 시스템(위도부터)입니다. 직근- 똑바로, 불길한- 왼쪽). 그것은 기반으로합니다 순서 규칙,키랄성 중심과 관련된 치환기의 서열을 기반으로 합니다.

치환기의 서열은 키랄성 중심과 직접 관련된 원소의 원자 번호에 의해 결정됩니다. 크기가 클수록 치환기가 오래되었습니다.

따라서 OH 그룹은 NH 2보다 오래되었으며, 이는 모든 알킬 그룹 및 심지어 COOH보다 오래되었습니다. 왜냐하면 후자에서는 탄소 원자가 비대칭 중심에 결합되어 있기 때문입니다. 원자번호가 동일할 경우 탄소 옆에 원자번호가 더 높은 원자가 있는 그룹을 선배로 간주하고, 이 원자(보통 산소)가 이중결합으로 연결되어 있으면 두 번 계산됩니다. 결과적으로 다음 그룹은 우선순위 내림차순으로 정렬됩니다: -COOH > -CH=O > -CH 2 OH.

구성을 결정하기 위해 화합물의 사면체 모델은 가장 낮은 치환기(대부분의 경우 수소 원자)가 관찰자로부터 가장 멀리 떨어져 있도록 공간에 배치됩니다. 나머지 3개의 치환기의 서열이 시계 방향으로 감소하면 키랄성 중심에 R 배열이 지정됩니다(그림 7.4, a). 시계 반대 방향이면 -에스-휠 뒤에 있는 운전자가 보는 구성(그림 7.4, b 참조)(그림 7.4, b 참조) V).

쌀. 7.4.젖산 거울상 이성질체의 구성 결정 R,S-시스템(텍스트 설명)

RS 시스템에 따른 구성을 표시하기 위해 Fisher 투영을 사용할 수 있습니다. 이를 위해 투영은 다음과 같이 변환됩니다.

질문 9

유기화합물의 산도와 염기도.

유기 화합물의 산도와 염기도를 평가하려면 브뢴스테드 이론과 루이스 이론이라는 두 가지 이론이 가장 중요합니다.

루이스 이론에 따르면, 화합물의 산성 및 염기성 특성은 결합을 형성하기 위해 전자쌍을 받아들이거나 기증하는 능력에 따라 결정됩니다. 루이스 원리에 따르면 산과 염기는 경질과 연질로 구분됩니다.

루이스산은 빈 궤도를 갖고 공유 결합을 형성하기 위해 전자 쌍을 수용할 수 있는 원자, 분자 또는 양이온일 수 있습니다.

루이스산은 전자쌍 수용체입니다. 루이스 염기는 전자쌍 공여체입니다. 루이스 염기(원자, 분자 또는 음이온)에는 공유 결합을 형성하기 위해 파트너에게 제공할 수 있는 원자가 전자 쌍이 최소한 한 쌍 있어야 합니다. 모든 루이스 염기는 친핵성 시약입니다.

브뢴스테드 이론(프로토분해 이론)에 따르면, 화합물의 산도와 염기도는 H + 양성자의 이동과 관련이 있습니다. 산과 염기는 짝산-염기 쌍을 형성하는데, 산이 강할수록 짝염기는 약해지고, 반대로 염기가 강할수록 짝산은 약해집니다.

브론스테드산(양성자성 산)은 양성자(양성자 기증자)를 기증할 수 있는 중성 분자 또는 이온입니다.

브론스테드 염기는 양성자(양성자 수용체)를 받아들일 수 있는 중성 분자 또는 이온입니다.

산도와 염기도는 절대적이지는 않지만 화합물의 상대적 특성입니다. 산성 특성은 염기가 있는 경우에만 발견됩니다. 기본 특성 - 산이 있는 경우에만 가능합니다. 산-염기 평형을 연구할 때 물은 일반적으로 용매로 사용됩니다.

양성자와 결합된 원소의 특성에 따라 OH산(카르복실산, 페놀, 알코올), SH산(티올), NH산(아민, 아미드, 이미드), CH산(탄화수소 및 그 유도체)이 있습니다. ). 원소와 그와 관련된 수소 원자를 산점(acid site)이라고 합니다. 모든 경우에 수소 원자에서 전기음성도가 더 높은 원자로 전자 밀도가 이동하며 양성자는 다소 쉽게 분리됩니다. 양성자가 결합된 원소의 전기음성도가 높을수록 화합물의 산성도가 높아집니다(따라서 카르복실산은 티올이나 아민보다 더 강한 산입니다).

부정적인 전자 효과를 갖는 분자 내 전자 흡인 그룹의 존재는 양성자의 양전하를 증가시켜 산성 특성을 증가시킵니다.

양성자와 공유 결합을 형성하려면 브뢴스테드 염기가 비공유 전자쌍이나 p-결합 전자를 제공해야 합니다. 이에 따라 Bronsted의 기초는 다음과 같이 나뉩니다. 피-베이스 및 p-베이스.

N- 염기는 중성이거나 음전하를 띤다. 일반적으로 음이온은 중성 물질보다 염기성이 더 강합니다. 즉, 아미드 이온 NH 2 - 또는 수산화물 이온 HO -는 암모니아 NH 3 및 물 H 2 O보다 염기도가 우수합니다.

알켄, 알카디엔, 아렌을 포함하는 p-염기에서 염기성의 중심, 즉 양성자가 부착되는 부위는 p-결합의 전자입니다. 양성자화된 전자쌍은 자유롭지 않기 때문에 이들은 매우 약한 염기입니다.

전자 공여 치환체의 존재는 유기 화합물의 염기도를 증가시킵니다.

1. 헤테로원자에 대한 산도의 의존성.

헤테로원자의 성질은 전기음성도(E.O.)와 분극성으로 이해됩니다. (E.O.)가 클수록 분자 내 이종분해 절단이 더 쉽게 발생합니다. 왼쪽에서 오른쪽으로 핵의 전하가 증가함에 따라 (E.O)가 증가합니다. 음전하를 유지하는 요소의 능력. 전자 밀도의 변화로 인해 원자 사이의 결합이 분극화됩니다. 전자가 많고 원자의 반경이 클수록 외부 에너지 준위의 전자가 핵에서 더 멀리 위치할수록 분극성이 높아지고 산성도가 높아집니다.

예: CH- NH- OH- SH-

E.O 증가 그리고 산도

C, N, O는 같은 기간의 요소입니다. E.O. 기간이 지남에 따라 성장하고 산도가 증가합니다. 이 경우 분극성은 산도에 영향을 미치지 않습니다.

한 주기에 따른 원자의 분극도는 조금씩 변하므로 산도를 결정하는 주요 요인은 E.O입니다.

이제 OH-SH-를 생각해 보세요.

산도 증가

O, S - 같은 그룹에 속하고 그룹의 반경이 위에서 아래로 증가하므로 원자의 분극성도 증가하여 산도가 증가합니다. S는 O보다 원자 반경이 더 크기 때문에 티올은 알코올에 비해 더 강한 산성 특성을 나타냅니다.

2. 탄화수소 라디칼과 그 안에 존재하는 치환체의 영향

전자 흡인(E.A.) 치환기전자 밀도의 비편재화에 기여하여 음이온의 안정성을 높이고 그에 따른 산도를 증가시킵니다.

전자 공여(E.D.) 치환기반대로, 산 중심의 전자 밀도 집중에 기여하여 산도가 감소하고 염기도가 증가합니다.

용매의 효과.

용질의 분자나 이온과 용매의 상호작용을 과정이라고 합니다. 용해.음이온의 안정성은 용액 내 용매화에 따라 크게 달라집니다. 이온이 더 많이 용매화될수록 이온은 더 안정적이고, 용매화도가 높을수록 이온 크기는 작아지고 음전하의 비편재화도 적어집니다.

산성 특성

1. 활성 금속의 경우:

HO-CH 2 -CH 2 -OH + 2Na → H 2 + NaO-CH 2 -CH 2 -ONa (글리콜산나트륨)

2. 수산화구리(II) 사용 – 고품질 반응!

2가 및 다가 알코올(디올 조각)에 대한 정성적 반응은 알칼리성 매질에서 Cu(OH)2와의 반응으로, 용액에서 파란색을 나타내는 구리 글리콜레이트 착화합물이 형성됩니다.

단순화된 다이어그램

기본 속성

1. 할로겐화수소산 사용

HO-CH2-CH2-OH + 2HCl H+← Cl-CH 2 -CH 2 -Cl + 2H 2 O

질산으로

트리니트로글리세린 - 다이너마이트의 기초

에틸렌 글리콜 독성 - 강한 독! 중추신경계를 억제하고 신장에 영향을 미칩니다.

글리세린(프로판트리올-1,2,3)– 독성이 없습니다. 냄새가 없습니다. 물과 잘 섞입니다. 야생동물에 분포합니다. 동물과 식물 조직의 지방(지질)의 일부이므로 대사 과정에서 중요한 역할을 합니다. 피부를 부드럽게 하기 위해 연고의 성분으로 사용됩니다.

다가환형알코올 이노시톨비타민 유사 화합물(비타민 B)에 속하며 복합 지질인 포스파티딜이노시톨의 구조 성분입니다.

에틸렌디아민을 얻기 위해 사용됩니다. 에틸렌디아민테트라아세트산상호 작용 염화아세트산. 그 소금은 지방산생산시 연화제로 사용 직물. 에틸렌디아민도 생산에 사용됩니다. 염료,유화제, 안정제 라텍스, 가소제그리고 살균제. 에틸렌디아민 독성; 최대 허용 농도그의 증기공기 중은 0.001mg/l입니다.

폴리아민 중에서 가장 잘 알려진 것은 테트라메틸렌디아민입니다. 푸트레신 H2N(CH2)4NH2 및 펜타메틸렌디아민, 또는 카다베린 H2N(CH2)5NH2. 오랫동안 그들은 시체 독으로 간주되었습니다. 디아미노산의 탈카르복실화 과정에서 형성되어 썩어가는 단백질에 독성을 일으키는 물질.

12. 페놀의 일반적인 특성.

카르보닐기의 전자 구조. 카르보닐기에서 AN의 친핵성 첨가 반응. 물, 시안화수소산, 알코올, 중아황산나트륨 첨가 반응. 알돌 축합과 카니자로 반응의 메커니즘.


카르보닐기 C=O의 구조.

· 알데히드와 케톤의 성질은 카르보닐기 >C=O의 구조에 의해 결정됩니다.

C=O 결합은 극성이 높습니다. 쌍극자 모멘트는 알코올의 C-O 결합보다 훨씬 높습니다. C=O 다중 결합의 전자, 특히 이동성이 더 높은 p-전자일수록 전기음성 산소 원자 쪽으로 이동하여 부분적인 음전하가 나타나게 됩니다. 카르보닐 탄소는 부분적인 양전하를 띤다.

· 따라서 탄소는 친핵성 시약의 공격을 받고, 산소는 H+를 포함한 친전자성 시약의 공격을 받습니다.

알데히드와 케톤의 분자에는 수소 결합을 형성할 수 있는 수소 원자가 부족합니다. 따라서 해당 알코올의 끓는점보다 끓는점이 낮습니다. 메탄알(포름알데히드)은 가스이고, 알데히드 C 2 -C 5 및 케톤 C 3 -C 4는 액체이며, 더 높은 물질은 고체입니다. 저급 동족체는 물 분자의 수소 원자와 카르보닐 산소 원자 사이에 수소 결합이 형성되어 물에 용해됩니다. 탄화수소 라디칼이 증가하면 물에 대한 용해도가 감소합니다.

친핵성 첨가

알데히드와 케톤의 경우 친핵성 첨가 반응이 가장 일반적입니다. 앤.

친핵성 첨가 메커니즘에 대한 일반적인 설명 앤

알데히드 또는 케톤의 카르보닐기 탄소 원자에 대한 친핵성 공격의 용이성은 부분적 크기에 따라 달라집니다.

탄소 원자의 양전하, 공간적 접근성 및 환경의 산-염기 특성.

카르보닐 탄소 원자와 관련된 그룹의 전자 효과를 고려하면 알데히드 및 ​​케톤의 부분 양전하 δ+ 값은 다음 순서로 감소합니다.

수소가 더 큰 유기 라디칼로 대체되면 카르보닐 탄소 원자의 공간적 접근성이 감소하므로 알데히드는 케톤보다 반응성이 더 큽니다.

친핵성 첨가 반응의 일반적인 계획 앤카르보닐기에 대한 친핵성 공격은 카르보닐 탄소 원자에 대한 친핵성 공격과 이어서 산소 원자에 친전자체의 첨가를 수반합니다.

산성 환경에서는 산소 원자의 양성자가 탄소 원자에 양전하를 생성하기 때문에 카르보닐기의 활성이 일반적으로 증가합니다. 산 촉매작용은 일반적으로 공격하는 친핵체가 낮은 활성을 가질 때 사용됩니다.

위의 메커니즘에 따르면 알데히드와 케톤의 여러 가지 중요한 반응이 수행됩니다.

알코올 첨가.알코올은 알데히드와 상호작용할 때 쉽게 형성됩니다. 헤미아세탈.헤미아세탈은 일반적으로 불안정성으로 인해 분리되지 않습니다. 산성 환경에 알코올이 과량 존재하면 헤미아세탈은 다음과 같이 변합니다. 아세탈.

헤미아세탈을 아세탈로 전환하는 데 산 촉매를 사용하는 것은 아래 주어진 반응 메커니즘에서 분명합니다. 그것의 중심 위치는 인접한 산소 원자의 고독한 전자쌍 (C 2 H 5 O 그룹의 + M 효과)의 참여로 인해 안정화되는 탄수화물 (I)의 형성에 의해 점유됩니다.

헤미아세탈과 아세탈의 형성 반응은 가역적이므로 아세탈과 헤미아세탈은 산성 환경에서 과도한 물에 의해 쉽게 가수분해됩니다. 헤미아세탈은 알콕시디온이 수산화물 이온보다 더 이탈하기 어려운 그룹이기 때문에 알칼리성 환경에서 안정적입니다.

물을 연결합니다.카르보닐기에 물을 첨가 - 수화- 가역적 반응. 수용액에서 알데히드 또는 케톤의 수화 정도는 기질의 구조에 따라 다릅니다.

트리클로로아세트산 알데히드(클로랄)는 완전히 수화됩니다. 전자를 끄는 트리클로로메틸 그룹은 클로랄 수화물을 너무 많이 안정화시켜 이 결정성 물질이 탈수 물질(황산 등)이 있는 상태에서 증류하는 동안에만 물을 분리합니다.

아민 및 그 유도체의 첨가.일반식 NH2X(X = R, NHR)의 아민 및 기타 질소 함유 화합물은 두 단계에서 알데히드 및 ​​케톤과 반응합니다. 먼저, 친핵성 부가 생성물이 형성되고, 불안정성으로 인해 물이 제거됩니다. 이와 관련하여 이 과정은 일반적으로 반응으로 분류됩니다. 애착 제거.

1차 아민의 경우 치환됨 이민(그들은 또한 불린다 Schiff의 기지).

이민은 많은 효소 과정의 중간 생성물입니다. 이민 생산은 포름알데히드가 α-아미노산과 반응하는 경우와 같이 상대적으로 안정적인 아미노 알코올 형성 단계를 거칩니다(12.1.4 참조).

이민은 알데히드와 케톤으로부터 아민을 생산하는 중간 생성물입니다. 환원성 아미노화.이 일반적인 방법에는 카르보닐 화합물과 암모니아(또는 ​​아민)의 혼합물을 환원시키는 것이 포함됩니다. 이 공정은 이민을 형성한 후 아민으로 환원되는 첨가 제거 계획에 따라 진행됩니다.

알데히드와 케톤이 히드라진 유도체와 반응하면 다음을 생성합니다. 히드라존.이 반응은 혼합물에서 알데히드와 케톤을 분리하고 크로마토그래피로 식별하는 데 사용할 수 있습니다.


쉬프 염기 및 기타 유사한 화합물은 무기산 수용액에 의해 쉽게 가수분해되어 출발 생성물을 형성합니다.

중아황산염 화합물의 형성산성 황산나트륨(중아황산염) 분자를 첨가하면 카르보닐기의 산소에 수소가 첨가되고 탄소 원자에 SO 2 ONa 잔류물이 첨가되어 소위 중아황산염 화합물이 생성됩니다.

중아황산염 화합물에서 황 원자는 탄소에 직접 결합됩니다.

카니자로 반응, 산화 환원 1차 알코올과 탄산의 형성과 함께 알칼리의 영향으로 알데히드의 불균형이 발생합니다. 예를 들면 다음과 같습니다.


Cannizzaro가 제안한 균질 반응 메커니즘. 환경에는 수소화물 전달 단계가 포함됩니다.


방향족용 알데히드, 단일 전자 전달의 결과로 형성된 라디칼 음이온의 Cannizzaro 반응에 참여할 가능성을 배제할 수 없습니다. Cannizzaro 반응과 유사한 반응이 인트라몰에서 발생합니다. α-케토알데히드의 불균형. 알칼리(Cannizzaro 재배열):

디미네이션,

분자 내 탈아미노화

R-CH 2 – CH(NH 2) - COOH→ R- CH=CH-COOH + NH 3

α,β – 불포화산

가수분해 탈아민

R-CH(NH 2) – COOH +H 2 O → R – CH(OH) – COOH + NH 3

α - 하이드록시산

산화적 탈아민

R-CH(NH 2) – COOH +1/2 O 2 → R –C(O) – COOH + NH 3

α-케토산

금속과 복합체 형성.α-아미노산은 중금속 양이온과 복합체 내 염을 형성합니다. 새로 준비된 수산화 구리(II)를 사용하면 온화한 조건에서 모든 α-아미노산이 잘 결정화된 복합체 내(킬레이트) 청색 구리(II) 염을 제공합니다.

이러한 염에서 구리 이온은 배위 결합을 통해 아미노 그룹에 연결됩니다.

펩티드 결합 형성.

α-아미노산의 분자간 상호작용으로 펩타이드가 형성됩니다. 두 개의 α-아미노산이 상호작용하면 디펩티드가 형성됩니다.

3개의 α-아미노산의 분자간 상호작용으로 트리펩타이드 등이 형성됩니다.

펩타이드 사슬을 형성하는 아미노산 분자의 단편을 아미노산 잔기라고 하며, CO-NH 결합을 펩티드 결합.

22. α-아미노산의 탈카르복실화 - 생체 아민 및 생체 조절제(히스타민, 트립타민)의 형성.
일부 아미노산과 그 유도체는 탈카르복실화(oc-카르복실기 제거)를 겪을 수 있습니다. 포유류 조직에서는 Tri, Tyr, Val, Gis, Glu, Cis, Apr 등 다양한 아미노산 또는 그 유도체가 탈카르복실화를 겪을 수 있습니다. 반응 생성물은 CO 2 및 아민으로, 이는 신체에 현저한 생물학적 영향을 미칩니다. (생물학적 아민):

탈탄산 반응은 되돌릴 수 없으며 탈탄산효소에 의해 촉매됩니다. 동물 세포에 있는 탈탄산효소의 보결분자단은 피리독살 인산염입니다.

아미노산의 탈카르복실화에 의해 형성된 아민은 종종 생물학적 활성 물질입니다. 이들은 신경전달물질(세로토닌, 도파민, GABA 등), 호르몬(노르에피네프린, 아드레날린) 및 국소 조절 인자(히스타민, 카르노신, 스페르민 등)로 기능합니다.

히스타민은 아미노산 히스티딘의 탈카르복실화에 의해 형성됩니다. 이는 비만세포에서 합성되고 분비과립에 축적되며 세포가 자극을 받을 때 방출됩니다.

히스타민은 혈관 확장, 혈압 감소, 조직 투과성 증가, 국소 부종 유발, 위 분비 자극, 기관지 경련 효과 등 다양한 생물학적 효과를 가지고 있습니다. 고농도에서는 염증 및 알레르기 반응의 매개체입니다.

세로토닌은 하이드록시트립토판의 탈카르복실화에 의해 형성됩니다. 이는 크로마핀 세포, 피질하 구조의 일부 핵 및 혈소판에서 합성됩니다.

세로토닌의 효과: 혈관 경련 유발, 혈압 상승, 장 운동성 자극, 체온 조절, 수면 메커니즘에 참여, 호르몬 멜라토닌 합성의 원천이며 인간의 정신 반응에 영향을 미칩니다. 따라서 정신분열증에서는 세로토닌 대사에 장애가 발생합니다.

카테콜아민(도파민, 아드레날린, 노르에피네프린)은 아미노산 티로신으로부터 합성됩니다.

도파민은 흥분성 신경전달물질인데, 이것이 부족하면 파킨슨병이 발생합니다(무력증, 경직, 떨림). 아드레날린은 혈관경련을 일으키고 혈압을 높이며 심장을 자극하는 호르몬입니다.

노르에피네프린은 주로 신경전달물질 기능을 수행합니다.

폴리아민(스페르민, 스퍼미딘)은 오르니틴과 메티오닌으로부터 합성되고 염색질의 일부이며 번역, 전사 및 복제 과정의 조절에 관여합니다.

생체 아민은 활성이 매우 높기 때문에 조직에서 빠르게 비활성화됩니다. 생체 아민의 분해산화, 메틸화, 탈아미노화 등 여러 가지 방법으로 수행됩니다. 생체 아민을 비활성화하는 주요 방법은 다음과 같습니다. 산화성 탈아미노화아민 산화효소(모노아민 산화효소, 폴리아민 산화효소)의 영향을 받습니다.

아미노산은 펩타이드 결합을 사용하여 서로 공유적으로 연결될 수 있습니다. 한 아미노산의 카르복실기는 다른 아미노산의 아미노기와 공유 결합됩니다. 이는 펩타이드 결합이라고 불리는 R-CO-NH-R 결합을 생성합니다. 이 경우 물 분자가 분리됩니다.

O- 및 N-글루코사이드. 글루코사이드의 가수분해. 단당류의 인산염. 아미노당의 아실화. 단당류의 산화. 포도당 오사존의 제조. 알-도스의 회복 특성. 자일리톨, 소르비톨. 아스코르브 산.

배당체는 헤미아세탈 수산기 그룹이 OR 그룹으로 대체된 환상 형태의 탄수화물 유도체입니다.

비탄수화물 성분 – 아글리콘. 아노머 중심과 -OR 그룹 사이의 결합은 글리코시드입니다.

푸라노사이드는 피라노사이드로 구분됩니다.

포도당 배당체는 글루코사이드, 리보스 배당체는 리보사이드라고 합니다.

배당체

s a x a r 아글리콘

(보통 단당류) (알코올, 방향족 화합물, 스테로이드 등)

배당체 시니그린; 가수 분해:

바닐린배당체; 가수 분해:

인산염은 단당류입니다.

인산 에스테르(인산염)는 매우 중요합니다. 이들은 모든 식물과 동물 유기체에서 발견되며 대사적으로 활성인 단당류 형태입니다. 가장 중요한 역할은 D-포도당과 D-과당 인산염이 담당합니다.

중성, 약산성 환경에서 포도당의 산화:

강한 산화제로 산화:

알칼리성 환경에서 포도당의 산화.

Tollens 지구:

γ-락톤산입니다.

과일, 특히 감귤류, 베리(로즈힙, 블랙 커런트), 야채, 우유에 함유되어 있습니다.

강한 산성 특성을 나타냄

ennediol 단편의 수산기 그룹 중 하나 때문입니다.

염이 형성되면 γ-락톤 고리가 열리지 않습니다.

강력한 회복력을 가지고 있습니다. 산화 중에 형성된 디히드로아스코르브산은 쉽게 아스코르브산으로 환원됩니다. 이 과정은 신체에 일련의 산화환원 반응을 제공합니다.

기사의 내용

탄소, C(카보늄)는 주기율표의 IVA족(C, Si, Ge, Sn, Pb)에 속하는 비금속 화학 원소입니다. 이는 다이아몬드 결정(그림 1), 흑연 또는 풀러렌 및 기타 형태의 형태로 자연에서 발견되며 유기 물질(석탄, 석유, 동식물 유기체 등) 및 무기 물질(석회석, 베이킹 소다, 등.).

탄소는 널리 퍼져 있지만 지각의 함유량은 0.19%에 불과합니다.


탄소는 단순한 물질의 형태로 널리 사용됩니다. 보석의 주제인 귀중한 다이아몬드 외에도 공업용 다이아몬드는 연삭 및 절단 도구 제조에 매우 중요합니다.

숯과 기타 비정질 형태의 탄소는 탈색, 정화, 가스 흡착 및 표면이 발달된 흡착제가 필요한 기술 분야에 사용됩니다. 탄화물, 탄소와 금속, 붕소 및 규소 화합물(예: Al 4 C 3, SiC, B 4 C)은 경도가 높은 것이 특징이며 연마재 및 절삭 공구 제조에 사용됩니다. 탄소는 원소 상태와 탄화물 형태의 강철 및 합금의 일부입니다. 고온에서 탄소로 주강 표면을 포화(시멘트화)하면 표면 경도와 내마모성이 크게 증가합니다. 또한보십시오합금.

자연에는 다양한 형태의 흑연이 있습니다. 일부는 인위적으로 얻습니다. 무정형 형태(예: 코크스 및 숯)가 있습니다. 그을음, 골탄, 램프 블랙, 아세틸렌 블랙은 산소가 없는 상태에서 탄화수소를 연소할 때 형성됩니다. 소위 화이트 카본감압 하에서 열분해 흑연을 승화시켜 얻습니다. 이것은 가장자리가 뾰족한 흑연 잎의 작고 투명한 결정입니다.

역사적 참고자료.

흑연, 다이아몬드 및 비정질 탄소는 고대부터 알려져 왔습니다. 흑연이 다른 재료를 표시하는 데 사용될 수 있다는 것은 오랫동안 알려져 왔으며, '쓰다'를 의미하는 그리스어에서 유래한 '흑연'이라는 이름 자체는 1789년 A. Werner에 의해 제안되었습니다. 그러나 흑연의 역사 한때 흑연으로 여겨졌던 몰리브덴(황화 몰리브덴)과 같이 외부 물리적 특성이 유사한 물질은 종종 혼동되기도 했습니다. 흑연의 다른 이름으로는 "흑연", "탄화철", "은연" 등이 있습니다. 1779년에 K. Scheele는 흑연이 공기와 함께 산화되어 이산화탄소를 형성할 수 있다는 사실을 확립했습니다.

다이아몬드는 인도에서 처음으로 사용되었으며, 브라질에서는 보석이 1725년에 상업적으로 중요해졌습니다. 남아프리카의 퇴적물은 1867년에 발견되었습니다. 20세기에. 주요 다이아몬드 생산국은 남아프리카공화국, 자이르, 보츠와나, 나미비아, 앙골라, 시에라리온, 탄자니아, 러시아입니다. 1970년 기술이 탄생한 인공 다이아몬드는 산업용으로 생산된다.

동소체.

물질의 구조 단위(단원자 원소의 경우 원자, 다원자 원소 및 화합물의 경우 분자)가 하나 이상의 결정 형태로 서로 결합할 수 있는 경우 이 현상을 동소체라고 합니다. 탄소에는 다이아몬드, 흑연, 풀러렌이라는 세 가지 동소체 변형이 있습니다. 다이아몬드에서 각 탄소 원자는 4개의 사면체로 배열된 이웃을 갖고 있어 입방체 구조를 형성합니다(그림 1, ㅏ). 이 구조는 결합의 최대 공유성에 해당하며 각 탄소 원자의 전자 4개 모두 고강도 C-C 결합을 형성합니다. 구조에는 전도 전자가 없습니다. 따라서 다이아몬드는 전도성이 부족하고 열전도율이 낮으며 경도가 높은 것이 특징입니다. 이는 알려진 물질 중 가장 단단한 물질입니다(그림 2). 사면체 구조에서 C-C 결합(결합 길이 1.54 Å, 따라서 공유 반경 1.54/2 = 0.77 Å)을 끊는 데는 많은 양의 에너지가 필요하므로 다이아몬드는 뛰어난 경도와 함께 높은 융점(3550°)이 특징입니다. 씨).

탄소의 또 다른 동소체 형태는 흑연인데, 이는 다이아몬드와 매우 다른 특성을 가지고 있습니다. 흑연은 쉽게 박리되는 결정으로 만들어진 부드러운 흑색 물질로, 우수한 전기 전도성(전기 저항 0.0014Ω·cm)을 특징으로 합니다. 따라서 흑연은 높은 온도를 생성해야 하는 아크 램프 및 용광로(그림 3)에 사용됩니다. 고순도 흑연은 원자로에서 중성자 감속재로 사용됩니다. 고압에서의 녹는점은 3527°C입니다. 정상 압력에서 흑연은 3780°C에서 승화(고체에서 기체로 변환)됩니다.

흑연의 구조(그림 1, 비)은 결합 길이가 1.42 Å(다이아몬드보다 훨씬 짧음)인 융합된 육각형 고리 시스템이지만 각 탄소 원자는 3개의 이웃과 공유 결합을 3개(다이아몬드에서와 같이 4개가 아님) 가지고 있으며 네 번째 결합( 3.4 Å)은 공유 결합에 비해 너무 길고 평행한 흑연 층을 서로 약하게 결합합니다. 흑연의 열 및 전기 전도성을 결정하는 것은 탄소의 네 번째 전자입니다. 이 길고 덜 강한 결합은 흑연의 밀도가 낮으며 이는 다이아몬드에 비해 경도가 낮습니다(흑연 밀도 2.26 g/cm 3, 다이아몬드 - 3.51g/cm3). 같은 이유로 흑연은 촉감이 미끄럽고 물질의 조각을 쉽게 분리하기 때문에 윤활제와 연필 심을 만드는데 사용됩니다. 납의 납과 같은 광택은 주로 흑연의 존재 때문입니다.

탄소 섬유는 강도가 높으며 레이온이나 기타 고탄소 원사를 만드는 데 사용할 수 있습니다.

철과 같은 촉매가 존재하는 높은 압력과 온도에서 흑연은 다이아몬드로 변할 수 있습니다. 이 공정은 인공 다이아몬드의 산업적 생산을 위해 구현됩니다. 촉매 표면에는 다이아몬드 결정이 성장합니다. 흑연-다이아몬드 평형은 15,000atm과 300K 또는 4000atm과 1500K에서 존재합니다. 인공 다이아몬드는 탄화수소에서도 얻을 수 있습니다.

결정을 형성하지 않는 무정형 탄소에는 공기가 부족한 상태에서 탄화수소의 저온 연소 및 차가운 표면에 응축되는 동안 형성된 공기, 램프 및 가스 그을음에 접근하지 않고 목재를 가열하여 얻은 목탄, 뼈 숯이 포함됩니다. 뼈 파괴 직물 과정에서 인산 칼슘과 석탄 (불순물이 포함 된 천연 물질) 및 코크스, 석탄 또는 석유 잔류 물 (역청탄)의 건식 증류 방법으로 연료 코크스에서 얻은 건조 잔류 물과의 혼합물 , 즉. 공기 접근 없이 난방. 코크스는 주철 제련과 철 및 비철 야금에 사용됩니다. 코크스 과정에서 코크스로 가스(H2, CH4, CO 등)와 휘발유, 페인트, 비료, 의약품, 플라스틱 등의 생산 원료인 화학 제품과 같은 가스상 생성물도 형성됩니다. 코크스 생산을 위한 주요 장치인 코크스 오븐의 다이어그램이 그림 1에 나와 있습니다. 삼.

다양한 종류의 석탄과 그을음은 표면이 발달하여 가스와 액체를 정화하는 흡착제나 촉매로 사용됩니다. 다양한 형태의 탄소를 얻기 위해 특별한 화학 기술 방법이 사용됩니다. 인조흑연은 탄소전극 사이에서 무연탄이나 석유코크스를 2260℃(Acheson 공정)에서 소성하여 생산되며 윤활제 및 전극 제조, 특히 금속의 전해 제조에 사용됩니다.

탄소 원자의 구조.

가장 안정한 탄소 동위원소인 질량 12(98.9% 존재비)의 핵은 6개의 양성자와 6개의 중성자(12개의 핵)를 가지며, 각각 2개의 양성자와 2개의 중성자를 포함하는 3개의 사중선으로 배열되어 있으며 헬륨 핵과 유사합니다. 탄소의 또 다른 안정 동위원소는 13C(약 1.1%)이며, 자연계에는 반감기가 5730년인 불안정한 동위원소인 14C가 미량으로 존재합니다. 비- 방사능. 세 가지 동위원소는 모두 CO 2 형태로 생명체의 정상적인 탄소 순환에 참여합니다. 살아있는 유기체가 죽은 후에는 탄소 소비가 중단되고 C 함유 물체의 연대 측정은 14C 방사능 수준을 측정하여 측정할 수 있습니다. 비-14 CO 2 방사선량은 사망 이후 경과된 시간에 비례합니다. 1960년에 W. Libby는 방사성 탄소 연구로 노벨상을 수상했습니다.

바닥 상태에서는 탄소 전자 6개가 전자 배열 1을 형성합니다. 에스 2 2에스 2 2px 1 2피 1 2피지 0 . 두 번째 준위의 전자 4개는 원자가이며 주기율표의 IVA족 탄소 위치에 해당합니다. 센티미터. 요소의주기 시스템). 기체 상태의 원자에서 전자를 제거하려면 큰 에너지(약 1070 kJ/mol)가 필요하기 때문에 탄소는 다른 원소와 이온 결합을 형성하지 않습니다. 이는 양이온을 형성하기 위해 전자를 제거해야 하기 때문입니다. 2.5의 전기음성도를 갖는 탄소는 강한 전자 친화력을 나타내지 않으므로 활성 전자 수용체가 아닙니다. 따라서 음전하를 띤 입자를 형성하는 경향이 없습니다. 그러나 일부 탄소 화합물(예: 탄화물)은 부분적으로 이온 결합 특성을 갖고 존재합니다. 화합물에서 탄소는 4의 산화 상태를 나타냅니다. 4개의 전자가 결합 형성에 참여하려면 쌍 2가 필요합니다. 에스-전자와 이들 전자 중 하나의 2 점프 피지-궤도 함수; 이 경우 4개의 사면체 결합이 109° 사이의 각도로 형성됩니다. 화합물에서 탄소의 원자가 전자는 부분적으로만 철회되므로 탄소는 공유 전자쌍을 사용하여 인접한 C-C 원자 사이에 강한 공유 결합을 형성합니다. 이러한 결합의 파괴 에너지는 335 kJ/mol인 반면, Si-Si 결합의 경우 210 kJ/mol에 불과하므로 긴 -Si-Si- 사슬은 불안정합니다. 결합의 공유 특성은 탄소, CF4 및 CCl4와 반응성이 높은 할로겐 화합물에서도 보존됩니다. 탄소 원자는 각 탄소 원자로부터 하나 이상의 전자를 기증하여 결합을 형성할 수 있습니다. 이것이 이중 C=C 및 삼중 CψC 결합이 형성되는 방식입니다. 다른 원소들도 원자 사이에 결합을 형성하지만 탄소만이 긴 사슬을 형성할 수 있습니다. 따라서 탄소의 경우 탄화수소라고 불리는 수천 가지 화합물이 알려져 있으며, 탄소는 수소 및 다른 탄소 원자와 결합하여 긴 사슬이나 고리 구조를 형성합니다. 센티미터. 유기화학.

이러한 화합물에서는 수소를 다른 원자로 대체할 수 있으며, 대부분 산소, 질소 및 할로겐으로 대체하여 다양한 유기 화합물을 형성할 수 있습니다. 그중에서도 플루오로카본이 중요합니다. 수소가 불소로 대체되는 탄화수소입니다. 이러한 화합물은 매우 불활성이며 플라스틱 및 윤활제(플루오로카본, 즉 모든 수소 원자가 불소 원자로 대체된 탄화수소) 및 저온 냉매(클로로플루오로카본 또는 프레온)로 사용됩니다.

1980년대 미국 물리학자들은 탄소 원자가 5 또는 6각형으로 연결되어 축구공과 완벽한 대칭을 이루는 속이 빈 공 모양의 C60 분자를 형성하는 매우 흥미로운 탄소 화합물을 발견했습니다. 이 디자인은 미국 건축가이자 엔지니어인 Buckminster Fuller가 발명한 "측지 돔"의 기초를 형성하기 때문에 새로운 종류의 화합물을 "buckminsterfullerenes" 또는 "fullerenes"(더 간략하게는 "phasyballs" 또는 "buckyballs")라고 불렀습니다. 60개 또는 70개(또는 그 이상)의 원자로 구성된 순수 탄소(다이아몬드 및 흑연 제외)의 세 번째 변형인 풀러렌은 가장 작은 탄소 입자에 대한 레이저 방사선의 작용으로 얻어졌습니다. 더 복잡한 모양의 풀러렌은 수백 개의 탄소 원자로 구성됩니다. C 분자의 직경은 60~1nm이다. 그러한 분자의 중심에는 큰 우라늄 원자를 수용할 수 있는 충분한 공간이 있습니다.

표준 원자 질량.

1961년, 국제순수응용화학연맹(IUPAC) 및 물리학에서는 탄소 동위원소 12C의 질량을 원자 질량 단위로 채택하여 기존의 산소 원자 질량 단위를 폐지했습니다. 이 시스템에서 탄소의 원자 질량은 12.011입니다. 이는 자연에 풍부하게 존재하는 세 가지 자연 발생 탄소 동위원소의 평균이기 때문입니다. 센티미터. 원자 질량.

탄소 및 일부 화합물의 화학적 성질.

탄소의 일부 물리적, 화학적 특성은 화학 원소 항목에 나와 있습니다. 탄소의 반응성은 변형, 온도 및 분산에 따라 달라집니다. 저온에서는 모든 형태의 탄소가 매우 불활성이지만, 가열되면 대기 산소에 의해 산화되어 산화물을 형성합니다.

과잉 산소에 미세하게 분산된 탄소는 가열되거나 스파크에 의해 폭발할 수 있습니다. 직접 산화 외에도 산화물을 생산하는 보다 현대적인 방법이 있습니다.

아산화탄소

C 3 O 2 는 P 4 O 10 위에서 말론산이 탈수되어 형성됩니다.

C 3 O 2 는 불쾌한 냄새가 나고 쉽게 가수분해되어 다시 말론산을 형성합니다.

일산화탄소(II) CO는 산소가 부족한 조건에서 탄소 변형이 산화되는 동안 형성됩니다. 반응은 발열성이며 111.6 kJ/mol이 방출됩니다. 코크스는 백열 온도에서 물과 반응합니다: C + H 2 O = CO + H 2 ; 생성된 가스 혼합물을 "수성 가스"라고 하며 기체 연료입니다. CO는 석유 제품의 불완전 연소 중에도 형성되며 자동차 배기가스에서 눈에 띄는 양으로 발견되며 포름산의 열분해 중에 얻어집니다.

CO에서 탄소의 산화 상태는 +2이고, 탄소는 산화 상태 +4에서 더 안정적이기 때문에 CO는 산소에 의해 CO 2로 쉽게 산화됩니다: CO + O 2 → CO 2, 이 반응은 발열성이 높습니다(283 kJ) /mol). CO는 업계에서 H2 및 기타 가연성 가스와 혼합하여 연료 또는 가스 환원제로 사용됩니다. 500°C로 가열하면 CO는 C와 CO 2를 눈에 띄게 형성하지만, 1000°C에서는 낮은 농도의 CO 2에서 평형이 이루어집니다. CO는 염소와 반응하여 포스겐을 형성합니다 - COCl 2, 다른 할로겐과의 반응은 유사하게 진행되며 황과 반응하여 카르보닐 황화물 COS가 얻어지며 금속 (M)과 CO는 다양한 조성의 카르보닐 M(CO)을 형성합니다 엑스, 이는 복합 화합물입니다. 철 카르보닐은 혈액 헤모글로빈이 CO와 반응할 때 형성되어 철 카르보닐이 더 강한 화합물이기 때문에 헤모글로빈과 산소의 반응을 방해합니다. 결과적으로 세포에 산소를 운반하는 헤모글로빈의 기능이 차단되어 죽습니다(뇌세포가 주로 영향을 받습니다). (따라서 CO의 또 다른 이름은 "일산화탄소"입니다.) 이미 공기 중 1%(vol.)의 CO가 그러한 대기에 10분 이상 존재한다면 인간에게 위험합니다. CO의 일부 물리적 특성이 표에 나와 있습니다.

이산화탄소 또는 일산화탄소(IV) CO 2 는 열 방출(395 kJ/mol)과 함께 과잉 산소에서 원소 탄소가 연소되어 형성됩니다. CO 2(별칭은 "이산화탄소")는 CO, 석유 제품, 휘발유, 오일 및 기타 유기 화합물이 완전히 산화되는 동안에도 형성됩니다. 탄산염이 물에 용해되면 가수분해의 결과로 CO 2도 방출됩니다.

이 반응은 실험실에서 CO 2 생성을 위해 자주 사용됩니다. 이 가스는 금속 중탄산염을 하소하여 얻을 수도 있습니다.

CO와 과열 증기의 기상 상호작용 중:

탄화수소 및 그 산소 유도체를 연소할 때, 예를 들면 다음과 같습니다.

마찬가지로 식품은 살아있는 유기체에서 산화되어 열과 기타 유형의 에너지를 방출합니다. 이 경우 산화는 중간 단계를 통해 온화한 조건에서 발생하지만 최종 생성물은 CO 2 및 H 2 O와 동일합니다. 예를 들어 효소 작용에 따라 설탕이 분해되는 동안, 특히 발효 중에 포도당:

이산화탄소와 금속 산화물의 대규모 생산은 탄산염의 열분해를 통해 산업계에서 수행됩니다.

CaO는 시멘트 생산 기술에 대량으로 사용됩니다. 탄산염의 열 안정성과 이 계획에 따른 분해를 위한 열 소비량은 CaCO 3 계열에서 증가합니다( 또한보십시오화재 예방 및 화재 예방).

탄소 산화물의 전자 구조.

모든 일산화탄소의 전자 구조는 전자쌍의 배열이 다른 세 가지 동일 확률 체계, 즉 세 가지 공명 형태로 설명할 수 있습니다.

모든 탄소산화물은 선형 구조를 가지고 있습니다.

탄산.

CO 2가 물과 반응하면 탄산 H 2 CO 3가 형성됩니다. CO 2 포화 용액(0.034 mol/l)에서는 분자 중 일부만 H 2 CO 3 를 형성하고 대부분의 CO 2 는 수화된 상태 CO 2 CHH 2 O입니다.

탄산염.

탄산염은 금속 산화물과 CO 2의 상호 작용에 의해 형성됩니다(예: Na 2 O + CO 2 Na 2 CO 3).

알칼리 금속 탄산염을 제외하고 나머지는 물에 거의 녹지 않으며 탄산 칼슘은 탄산 또는 압력 하에서 물 속의 CO 2 용액에 부분적으로 용해됩니다.

이러한 과정은 석회암층을 흐르는 지하수에서 발생합니다. 낮은 압력과 증발 조건에서 CaCO3는 Ca(HCO3)2를 함유한 지하수에서 침전됩니다. 이것이 동굴에서 종유석과 석순이 자라는 방식입니다. 이러한 흥미로운 지질 구조의 색상은 철, 구리, 망간 및 크롬 이온의 물에 불순물이 존재하기 때문에 설명됩니다. 이산화탄소는 금속 수산화물 및 그 용액과 반응하여 중탄산염을 형성합니다. 예를 들면 다음과 같습니다.

CS 2 + 2Cl 2 ® CCl 4 + 2S

CCl4 사염화물은 불연성 물질로 드라이 클리닝 공정에서 용매로 사용되지만 고온에서는 독성 포스겐(가스 독성 물질)이 형성되므로 화염 방지기로 사용하지 않는 것이 좋습니다. CCl4 자체도 유독하며 눈에 띄는 양으로 흡입하면 간 중독을 일으킬 수 있습니다. CCl4는 또한 메탄 CH4와 Cl2 사이의 광화학 반응에 의해 형성됩니다. 이 경우 메탄의 불완전 염소화 생성물(CHCl 3, CH 2 Cl 2 및 CH 3 Cl)이 형성될 수 있습니다. 반응은 다른 할로겐과 유사하게 발생합니다.

흑연의 반응.

육각형 고리 층 사이의 거리가 먼 것이 특징인 탄소 변형인 흑연은 특이한 반응을 일으킵니다. 예를 들어 알칼리 금속, 할로겐 및 일부 염(FeCl 3)이 층 사이에 침투하여 KC 8, KC와 같은 화합물을 형성합니다. 16(간질, 포함 또는 포접이라고 함). 산성 환경(황산 또는 질산)에서 KClO 3 와 같은 강한 산화제는 결정 격자의 부피가 큰 물질(층 간 최대 6Å)을 형성하는데, 이는 산소 원자의 도입과 화합물의 형성으로 설명됩니다. 산화의 결과로 표면에 카르복실기(-COOH)가 형성됩니다. ) – 산화된 흑연 또는 멜리트산(벤젠 헥사카르복실산) C 6(COOH) 6과 같은 화합물. 이들 화합물에서 C:O 비율은 6:1에서 6:2.5까지 다양합니다.

탄화물.

탄소는 금속, 붕소, 규소와 함께 탄화물이라는 다양한 화합물을 형성합니다. 가장 활성이 높은 금속(IA-IIIA 하위 그룹)은 염류 탄화물(예: Na 2 C 2, CaC 2, Mg 4 C 3, Al 4 C 3)을 형성합니다. 산업계에서는 다음 반응을 통해 코크스와 석회석에서 탄화칼슘을 얻습니다.

탄화물은 전기 전도성이 없고 거의 무색이며, 가수분해되어 탄화수소를 형성합니다.

CaC 2 + 2H 2 O = C 2 H 2 + Ca(OH) 2

반응에 의해 형성된 아세틸렌 C 2 H 2 는 많은 유기 물질 생산의 출발 물질로 사용됩니다. 이 과정은 무기질의 원료에서 유기화합물의 합성으로의 전환을 나타내기 때문에 흥미롭습니다. 가수분해 시 아세틸렌을 형성하는 탄화물을 아세틸렌화물이라고 합니다. 규소 및 탄화붕소(SiC 및 B 4 C)에서 원자 사이의 결합은 공유 결합입니다. 전이금속(B-하위족 원소)은 탄소와 함께 가열될 때 금속 표면의 균열에 다양한 조성의 탄화물을 형성합니다. 그 결합은 금속에 가깝습니다. 이러한 유형의 일부 탄화물(예: WC, W 2 C, TiC 및 SiC)은 높은 경도와 내화도로 구별되며 우수한 전기 전도성을 갖습니다. 예를 들어, NbC, TaC 및 HfC는 내화성이 가장 높은 물질(mp = 4000–4200°C)이고, 디니오븀 카바이드 Nb 2 C는 9.18K의 초전도체이며, TiC 및 W 2 C는 경도가 다이아몬드에 가깝고 경도 B 4C(다이아몬드의 구조적 유사체)는 모스 척도에서 9.5( 센티미터. 쌀. 2). 전이 금속의 반경이 다음과 같은 경우 불활성 탄화물이 형성됩니다.

탄소의 질소 유도체.

이 그룹에는 용액 형태로 사용되는 질소 비료인 요소 NH 2 CONH 2가 포함됩니다. 요소는 압력 하에서 가열하여 NH 3 및 CO 2에서 얻습니다.

시아노겐(CN) 2는 할로겐과 유사한 많은 특성을 갖고 있어 유사할로겐이라고도 불립니다. 시안화물은 시안화물 이온을 산소, 과산화수소 또는 Cu 2+ 이온(2CN – ® (CN) 2 + 2e)으로 가볍게 산화시켜 얻습니다.

전자 공여체인 시안화물 이온은 전이 금속 이온과 쉽게 착화합물을 형성합니다. CO와 마찬가지로 시안화물 이온은 살아있는 유기체에 필수적인 철 화합물을 결합시키는 독입니다. 시안화물 착이온은 일반식 –0.5를 갖습니다. 엑스, 어디 엑스– 금속(착화제)의 배위수. 경험적으로 금속 이온 산화 상태의 두 배와 같습니다. 이러한 착이온의 예는 (일부 이온의 구조는 아래에 나와 있습니다) 테트라시아노니켈레이트(II) 이온 2–, 헥사시아노철산염(III) 3–, 디시아노아르젠테이트 –:

카르보닐.

일산화탄소는 많은 금속 또는 금속 이온과 직접 반응하여 카르보닐이라는 복합 화합물을 형성할 수 있습니다(예: Ni(CO) 4, Fe(CO) 5, Fe 2 (CO) 9, 3, Mo(CO) 6, 2) . 이들 화합물의 결합은 위에서 설명한 시아노 복합체의 결합과 유사합니다. Ni(CO)4는 니켈을 다른 금속과 분리하는 데 사용되는 휘발성 물질입니다. 구조물의 주철 및 강철 구조의 악화는 종종 카르보닐의 형성과 관련이 있습니다. 수소는 카르보닐의 일부일 수 있으며, 산성 특성을 나타내고 알칼리와 반응하는 H 2 Fe(CO) 4 및 HCo(CO) 4와 같은 카르보닐 수소화물을 형성합니다.

H 2 Fe(CO) 4 + NaOH → NaHFe(CO) 4 + H 2 O

카르보닐 할로겐화물도 알려져 있으며, 예를 들어 Fe(CO)X 2, Fe(CO) 2 X 2, Co(CO)I 2, Pt(CO)Cl 2(여기서 X는 임의의 할로겐임).

탄화수소.

수많은 탄소-수소 화합물이 알려져 있습니다

이 기사에서는 주기율표 D.I의 일부인 원소를 살펴보겠습니다. 멘델레예프, 즉 탄소. 현대 명명법에서는 기호 C로 지정되고 열네 번째 그룹에 포함되며 두 번째 기간의 "참여자"이며 여섯 번째 일련 번호와 a.u.m.을 갖습니다. = 12.0107.

원자 궤도와 그 혼성화

탄소의 궤도와 혼성화를 살펴보겠습니다. 탄소의 주요 특징은 여전히 ​​전 세계 과학자들을 놀라게 하고 있습니다. 그들의 구조는 무엇입니까?

탄소 원자의 혼성화는 원자가 전자가 3개의 궤도에서 위치를 차지하는 방식으로 배열됩니다. 즉, 하나는 2s 궤도에 있고 두 개는 2p 궤도에 있습니다. 세 개의 오비탈 중 마지막 두 개는 서로 90도의 각도를 이루고 있으며, 2s 오비탈은 구형 대칭을 이루고 있습니다. 그러나 고려중인 이러한 형태의 궤도 배열로는 탄소가 유기 화합물에 들어갈 때 왜 120도, 180도 및 109.5도 각도를 형성하는지 이해할 수 없습니다. 탄소 원자의 전자 구조에 대한 공식은 (He) 2s 2 2p 2의 형태로 표현됩니다.

발생한 모순의 해결은 원자 궤도의 혼성화 개념을 유통에 도입함으로써 이루어졌습니다. C의 삼각형, 변형 특성을 이해하려면 하이브리드화에 대한 세 가지 형태의 표현을 만드는 것이 필요했습니다. 이 개념의 출현과 발전에 대한 주요 기여는 Linus Pauling에 의해 이루어졌습니다.

물리적 특성

탄소 원자의 구조는 여러 가지 특정 물리적 특징의 존재를 결정합니다. 이 원소의 원자는 변형된 탄소라는 단순한 물질을 형성합니다. 구조 변화의 변화는 생성된 물질에 다른 질적 특성을 부여할 수 있습니다. 많은 수의 탄소 변형이 존재하는 이유는 화학적 성질의 다양한 유형의 결합을 설정하고 형성하는 능력 때문입니다.

탄소 원자의 구조는 다양할 수 있으므로 특정 수의 동위원소 형태를 가질 수 있습니다. 자연에서 발견되는 탄소는 12C와 13C의 두 가지 안정 동위원소와 14C의 방사성 동위원소를 사용하여 형성됩니다. 후자의 동위원소는 지각의 상층부와 대기에 집중되어 있습니다. 우주 방사선, 즉 중성자가 질소 원자의 핵에 영향을 미쳐 방사성 동위원소 14C가 형성되었으며, 20세기 중반 이후 인공 생성물로 형성되어 환경에 유입되기 시작했습니다. 원자력 발전소 가동 중 및 수소폭탄 사용의 결과. 방사성탄소 연대측정 기술의 기초는 14C의 붕괴 과정에 있으며, 고고학과 지질학에서 폭넓게 응용되고 있습니다.

동소체 형태의 탄소 변형

자연에는 탄소를 함유한 물질이 많이 있습니다. 인간은 다음과 같은 다양한 물질을 만들 때 자신의 목적을 위해 탄소 원자의 구조를 사용합니다.

  1. 결정질 탄소(다이아몬드, 탄소 나노튜브, 섬유 및 와이어, 풀러렌 등).
  2. 비정질 탄소(활성탄, 숯, 다양한 유형의 코크스, 카본 블랙, 그을음, 나노폼 및 무연탄).
  3. 탄소의 클러스터 형태(디카본, 나노콘 및 아스트랄렌 화합물).

원자 구조의 구조적 특징

탄소 원자의 전자 구조는 보유하고 있는 궤도의 혼성화 수준에 따라 다양한 기하학적 구조를 가질 수 있습니다. 기하학에는 세 가지 주요 유형이 있습니다.

  1. 사면체 - 4개의 전자의 변위로 인해 생성되며 그 중 하나는 s 전자이고 3개는 p 전자에 속합니다. C 원자는 사면체의 중심 위치를 차지하고 이 사면체의 꼭지점을 차지하는 다른 원자와 4개의 등가 시그마 결합으로 연결됩니다. 이러한 탄소의 기하학적 배열은 다이아몬드나 론스달라이트와 같은 동소체를 생성할 수 있습니다.
  2. 삼각 - 그 모양은 세 개의 궤도의 변위로 인해 발생하며 그 중 하나는 s-이고 두 개는 p-입니다. 여기에는 서로 동등한 위치에 있는 세 개의 시그마 결합이 있습니다. 그들은 공통 평면에 놓여 있으며 서로에 대해 120도 각도를 유지합니다. 자유 p-오비탈은 시그마 결합 평면에 수직으로 위치합니다. 흑연은 유사한 구조적 기하학을 가지고 있습니다.
  3. 대각선 - s-전자와 p-전자의 혼합(sp 혼성화)으로 인해 나타납니다. 전자 구름은 일반적인 방향을 따라 뻗어 있으며 비대칭 아령 모양을 취합니다. 자유 전자는 π 결합을 생성합니다. 탄소의 이러한 기하학적 구조는 특별한 변형 형태인 카빈의 출현을 초래합니다.

자연의 탄소 원자

탄소 원자의 구조와 특성은 오랫동안 인간에 의해 고려되어 왔으며 다양한 물질을 얻는 데 사용되었습니다. 이 원소의 원자는 서로 다른 화학 결합을 형성하는 독특한 능력과 궤도 혼성화의 존재로 인해 동일한 유형의 원자인 탄소에서 단 하나의 원소만 참여하여 다양한 동소체 변형을 생성합니다.

자연에서 탄소는 지각에서 발견됩니다. 다이아몬드, 흑연, 석유, 무연탄, 갈탄, 셰일, 이탄 등과 같은 다양한 가연성 천연 자원의 형태를 취합니다. 이는 에너지 산업에서 인간이 사용하는 가스의 일부입니다. 이산화물의 탄소는 지구의 수권과 대기를 채우며 공기 중에서는 최대 0.046%, 물에서는 최대 60배에 이릅니다.

인체에는 C가 약 21% 정도 함유되어 있으며 주로 소변과 호기 공기를 통해 배설됩니다. 동일한 요소가 생물학적 주기에 참여하며, 식물에 흡수되어 광합성 과정에서 소비됩니다.

탄소 원자는 다양한 공유 결합을 설정하고 사슬을 형성하며 심지어 순환을 형성하는 능력으로 인해 엄청난 수의 유기 물질을 생성할 수 있습니다. 또한, 이 원소는 태양 대기의 일부이며 수소 및 질소와 결합되어 있습니다.

화학적 성질의 성질

이제 화학적 관점에서 탄소 원자의 구조와 특성을 살펴 보겠습니다.

탄소는 상온에서 불활성 특성을 나타내지만 고온의 영향으로 특성이 감소하는 것으로 나타날 수 있다는 것을 아는 것이 중요합니다. 주요 산화 상태는 + - 4, 때로는 +2, +3입니다.

많은 수의 요소로 반응에 참여합니다. 물, 수소, 할로겐, 알칼리 금속, 산, 불소, 황 등과 반응할 수 있습니다.

탄소 원자의 구조는 별도의 클래스로 분리된 엄청나게 많은 수의 물질을 생성합니다. 이러한 화합물을 유기라고 하며 C를 기반으로 합니다. 이는 폴리머 사슬을 형성하는 이 원소의 원자 특성으로 인해 가능합니다. 가장 유명하고 광범위한 그룹 중에는 단백질(단백질), 지방, 탄수화물 및 탄화수소 화합물이 있습니다.

작동 방법

탄소 원자의 독특한 구조와 그에 수반되는 특성으로 인해 이 원소는 인간이 연필을 만들거나 금속 도가니를 제련하는 데 널리 사용됩니다. 여기서는 흑연이 사용됩니다. 다이아몬드는 연마재, 보석, 드릴 비트 등으로 사용됩니다.

약리학과 의학에서는 다양한 화합물에 탄소를 사용하는 방법도 다루고 있습니다. 이 요소는 강철의 일부이며 모든 유기 물질의 기초 역할을 하며 광합성 과정 등에 참여합니다.

요소의 독성

탄소 원소의 원자 구조는 생명체에 위험한 영향이 있음을 의미합니다. 탄소는 화력 발전소에서 석탄 연소의 결과로 우리 주변 세계로 유입되며, 석탄 정광의 경우 자동차에서 생산되는 가스의 일부입니다.

에어로졸의 탄소 함량 비율이 높기 때문에 사람들이 병에 걸리는 비율이 증가합니다. 상부 호흡기관과 폐가 가장 자주 영향을 받습니다. 일부 질병은 먼지 기관지염 및 진폐증 그룹의 질병과 같은 직업병으로 분류될 수 있습니다.

14C는 독성이 있으며 그 영향의 강도는 β 입자와의 방사선 상호 작용에 의해 결정됩니다. 이 원자는 데옥시 및 리보핵산에서 발견되는 것을 포함하여 생물학적 분자의 구성에 포함됩니다. 작업 영역 공기 중 허용되는 14C의 양은 1.3Bq/l로 간주됩니다. 호흡 중 신체에 유입되는 탄소의 최대량은 3.2*10 8 Bq/년에 해당합니다.

D.I. 멘델레예프 주기율표의 두 번째 주기의 네 번째 그룹의 주 하위 그룹에 위치한 C 원자의 원자가 전자층의 경우 주 양자 수는 n = 2이고 2차(궤도) 양자 수는 l = 0입니다. s-궤도) 및 1(p-궤도); 자기 양자수 m = 0(l = 0에서) 및 –1, 0, 1(l = 1에서).

C 원자의 전자식을 원자가와 일치시키기 위해 탄소 원자의 외부 전자층이 여기되도록 허용됩니다. 그러면 C 원자는 1s 궤도와 3p 궤도를 갖습니다. C와 H 원자의 원자 궤도(AO)가 중첩되면 3개의 C-H 결합은 동일하고 4번째 결합은 강도가 달라야 합니다(s-궤도를 따른 결합은 궤도의 중첩이 적기 때문에 덜 강해야 합니다). . 실제로는 그렇지 않습니다. 이러한 불일치는 하이브리드 AO의 출현과 함께 모양과 에너지가 다른 AO의 하이브리드화를 가정하여 제외됩니다. 결과적으로, 원자가 전자는 순수한 s-오비탈과 p-오비탈이 아닌 동일한 하이브리드 궤도로 끝납니다. 알칸은 sp 3 혼성화를 특징으로 합니다(외부 전자 수준의 4개 AO가 모두 참여함). 불포화 화합물에서는 하나 또는 두 개의 혼성화되지 않은 p-오비탈이 p-결합 형성에 참여하고, 탄소 원자의 혼성화 유형은 알켄의 경우 sp 2이고 알킨의 경우 sp입니다.

알칸의 하이브리드 궤도는 공간에서 대칭으로 위치하며 사면체의 꼭지점을 향합니다. C-H 결합은 H 원자의 s-오비탈과 C 원자의 혼성 오비탈이 겹쳐서 형성되고, C-C 결합은 2개의 혼성 오비탈이 겹쳐서 형성됩니다(결합 방향은 다음과 같습니다). 원자 사이의 축). 이것은 S- 연결입니다.

s-결합의 속성:

높은 강도로 인한 상대적인 화학적 불활성;

최대 전자 밀도는 원자를 연결하는 축을 기준으로 대칭으로 위치하므로 궤도(순응체)의 중첩을 변경하지 않고도 이 축을 따른 자유 회전이 가능합니다.

결합 길이 0.154 nm; 궤도 방향 사이의 각도는 109.5°입니다.

sp 3 혼성 상태에서 C 원자의 전기음성도 = 2.51;

다른 탄소원자와 이중결합으로 연결된 탄소원자는 sp2 혼성화 상태이다. (외부전자계열 JSC 3개 참여) 혼성 오비탈은 C 핵을 포함하는 한 평면의 공간에서 대칭적으로 위치하며, 혼성화되지 않은 나머지 p-AO는 이 평면에 수직으로 배향됩니다. C-H 결합은 H 원자의 s-오비탈과 C 원자의 혼성 오비탈이 겹쳐서 형성되고, C-C 결합은 2개의 혼성 오비탈이 겹쳐서 형성됩니다(방향은 두 원자 사이의 축을 따릅니다). 분자 평면의 원자). 이것은 S-결합입니다. 두 개의 혼성화되지 않은 p-AO가 분자 평면 위와 아래에 겹쳐서 p-결합이 형성됩니다.


이중결합과 단일결합의 차이점:

이중 결합이 있는 탄소 원자 사이의 거리는 단일 결합이 있는 경우보다 더 작습니다(0.134nm). 하이브리드 합자회사 사이의 각도는 120°입니다.

혼성화된 원자 C의 전기음성도 = 2.69;

C 원자를 연결하는 선 주위의 회전이 어렵습니다.

이중결합이 더 강하기 때문에 탄소 원자 사이의 결합 MO의 전자 밀도가 증가합니다(에틸렌의 열 안정성이 에탄의 열 안정성보다 높습니다).

p-결합의 높은 반응성은 분자 평면 외부의 전자 이동성이 더 높아짐에 따라 설명됩니다.

단일 결합 및 분자 주변에 비해 전자 밀도가 증가합니다. 이로 인해 양전하를 띤 이온이나 극성 분자가 양극에 의해 이중 결합에 끌리게 됩니다.

아세틸렌의 C-H 결합은 수소의 s-궤도와 탄소의 혼성화된 sp-궤도가 겹쳐서 형성된 s-결합 중 하나입니다. 분자는 하나의 탄소-탄소 s-결합을 가지고 있습니다. sp-탄소 오비탈)과 두 개의 탄소-탄소 p-결합(비혼성화된 두 개의 서로 수직인 쌍이 겹쳐진 결과) 아르 자형-궤도 (RU그리고 피 z)탄소 원자).

삼중결합의 성질:

삼중 결합으로 연결된 탄소 원자는 전기 음성도 = 2.75를 갖습니다.

C°C 결합 길이 = 0.120 nm;

이 모델에 기초한 아세틸렌의 결합각은 180°이고 분자는 선형 구성이므로 불가능합니다. 시스-삼중 결합에서의 트랜스 이성질체 현상;

연결이 매우 양극화되어 있기 때문에 sp-혼성 형태에서 탄소 원자는 sp 2 및 sp 3 혼성 형태보다 전자를 더 강하게 보유합니다. 따라서; 아세틸렌 분자의 CH 결합의 전자쌍은 에틸렌의 경우보다 C 핵에 더 가깝습니다. H 원자는 더 이동성이 있고 약한 산성 특성을 갖습니다(알칸 및 알켄과 달리).



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