Το φορτίο ενός ιόντος άνθρακα

Ο άνθρακας (C) είναι ένα πολύ εύκαμπτο στοιχείο και μπορεί να σχηματίσει έναν αριθμό διαφορετικών ιόντων. Ο άνθρακας έχει ένα εξωτερικό περίβλημα που αποτελείται από 4 ηλεκτρόνια σθένους. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί είτε να προσθέσει 4 ηλεκτρόνια για να αποκτήσει ένα πλήρες εξωτερικό περίβλημα είτε να χάσει 4 ηλεκτρόνια για να απαλλαγεί από το εξωτερικό του περίβλημα.

Έτσι, ένα ιόν άνθρακα μπορεί να έχει φορτίο από -4 έως +4, ανάλογα με το αν χάνει ή κερδίζει ηλεκτρόνια. Αν και οι πιο κοινές καταστάσεις οξείδωσης του άνθρακα είναι +4 και +2, ο άνθρακας μπορεί να παράγει ιόντα με καταστάσεις οξείδωσης +3, +1, -1, -2 και -3.

Επισκόπηση

Αυστηρά μιλώντας, ο άνθρακας σχεδόν ποτέ δεν σχηματίζει ελεύθερα μονοατομικά ιόντα, όπως το νάτριο (Na) ή το χλώριο (Cl). Ο άνθρακας είναι γενικά ένα πολύ σταθερό στοιχείο που είναι ανθεκτικό στην απόκτηση ή απώλεια ηλεκτρονίων. Ο άνθρακας είναι σχεδόν εξίσου ηλεκτροθετικός και ηλεκτραρνητικός, επομένως σπάνια χρειάζεται να κερδίσει ή να χάσει ηλεκτρόνια. Τις περισσότερες φορές, ο άνθρακας θα σχηματίσει απλώς ομοιοπολικούς δεσμούς και θα μοιραστεί ηλεκτρόνια αντί να σχηματίσει ένα ιόν. Είναι απολύτως δυνατό να δημιουργηθούν μονοατομικά ιόντα άνθρακα, απλώς απαιτείται μεγάλη ποσότητα ενέργειας που αυξάνεται για κάθε επόμενο ηλεκτρόνιο που αφαιρείται.

Ο άνθρακας, ωστόσο, είναι ικανός να σχηματίσει πολυατομικά ιόντα. Η εύκαμπτη δομή ηλεκτρονίων του άνθρακα του επιτρέπει να σχηματιστεί ως ο πυρήνας των πολυατομικών ιόντων. Πολλά από αυτά τα πολυατομικά ιόντα, συμπεριλαμβανομένου του άνθρακα, είναι απαραίτητα για τη ζωή όπως τη γνωρίζουμε και παίζουν σημαντικό ρόλο στους ζωντανούς οργανισμούς. Άλλα είναι σημαντικά για την κατανόηση της συμπεριφοράς των ορυκτών και άλλα χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία ως καύσιμα, δομικά υλικά και λύσεις καθαρισμού. Επειδή ο άνθρακας είναι ένα τόσο εύκαμπτο στοιχείο, τα πολλά πιθανά πολυατομικά ιόντα που μπορεί να σχηματιστούν ο άνθρακας ποικίλλουν ευρέως ως προς τις ιδιότητές τους.

Τι είναι ένα ιόν;

Ένα ιόν είναι ένα άτομο ή μόριο που έχει μη ουδέτερο ηλεκτρικό φορτίο. Τα ηλεκτρικά ουδέτερα άτομα γίνονται ιόντα μέσω της αφαίρεσης ή της προσθήκης ηλεκτρονίων. Δεδομένου ότι τα ηλεκτρόνια έχουν ίσο και αντίθετο φορτίο με τα πρωτόνια, το καθαρό ηλεκτρικό φορτίο σε ένα ιόν προέρχεται από το άτομο που έχει άνιση ποσότητα πρωτονίων και ηλεκτρονίων. Τα μεμονωμένα άτομα που είναι ιόντα ονομάζονται μονατομικά Τα ιόντα και τα μόρια πολλών ατόμων με μη ουδέτερο ηλεκτρικό φορτίο ονομάζονται πολυατομικά ιόντων. Τα θετικά φορτισμένα ιόντα ονομάζονται κατιόντα και έχουν περισσότερα πρωτόνια από ηλεκτρόνια. Τα αρνητικά φορτισμένα ιόντα ονομάζονται ανιόντα και έχουν περισσότερα ηλεκτρόνια από πρωτόνια. Οι χημικοί αναπαριστούν ιόντα προσθέτοντας ένα θετικό ή αρνητικό εκθέτη δίπλα στον χημικό τύπο μιας ουσίας. Ένα άτομο άνθρακα που έχει χάσει ένα μόνο ηλεκτρόνιο και έτσι έχει θετικό φορτίο γράφεται ως C1+. Αντίθετα, ένα άτομο άνθρακα που έχει αποκτήσει ένα μόνο ηλεκτρόνιο και έχει αρνητικό φορτίο γράφεται C1-.

Η τάση για ένα άτομο ή ένα μόριο να σχηματίζει ένα κατιόν καθορίζεται από την ενέργεια ιοντισμού της ουσίας. Η ενέργεια ιονισμού είναι ένα μέτρο της ποσότητας ενέργειας που πρέπει να απορροφήσει το άτομο ή το μόριο για να εκφορτίσει ένα από τα ηλεκτρόνια του, αφήνοντας έτσι ένα θετικό φορτίο. Γενικά, η αφαίρεση ενός μόνο ηλεκτρονίου από ένα ουδέτερο άτομο κοστίζει τη μικρότερη ποσότητα ενέργειας, με την απαιτούμενη ενέργεια ιοντισμού να αυξάνεται για κάθε επόμενο ηλεκτρόνιο. Για παράδειγμα, η 1η ενέργεια ιοντισμού για τον άνθρακα είναι 1086,5 kJ/mol. Δηλαδή, χρειάζονται 1086,5 kJ ενέργειας για να αφαιρεθεί ένα μόνο ηλεκτρόνιο από ένα mole άνθρακα. Η 2η ενέργεια ιοντισμού για τον άνθρακα είναι 2352,6 kJ/mol, υπερδιπλάσια από την απαιτούμενη ενέργεια από την πρώτη ενέργεια ιοντισμού.

Η τάση ενός ατόμου να σχηματίζει ανιόν καθορίζεται από την ηλεκτραρνητικότητα του. Η ηλεκτραρνητικότητα (EN) μιας ουσίας είναι ένα μέτρο του πόσο η ουσία έλκει ηλεκτρόνια. Όσο πιο ηλεκτραρνητικό είναι ένα στοιχείο, τόσο πιο πιθανό είναι να αποκτήσει επιπλέον ηλεκτρόνια, άρα τόσο πιο πιθανό είναι να σχηματίσει ανιόντα. Ο άνθρακας έχει EN 2,55 στην κλίμακα Pauling, μια τιμή περίπου στη μέση. Αντίθετα, το Οξυγόνο (Ο) έχει ΕΝ 3,44. πολύ ηλεκτραρνητικό. Το οξυγόνο είναι πολύ πιθανό να γεμίσει τις δύο ανοιχτές υποδοχές σθένους του με ηλεκτρόνια για να σχηματίσει ένα ανιόν O²⁻.

Τα ιόντα που παράγονται από μεμονωμένα άτομα ονομάζονται μονοατομικά. Τα ιόντα που παράγονται από μόρια με πολλαπλά άτομα ονομάζονται πολυατομικά ιόντα. Τα πολυατομικά ιόντα είναι χημικές ενώσεις που έχουν μη ουδέτερο ηλεκτρικό φορτίο. Ακριβώς όπως τα μονοατομικά ιόντα, τα πολυατομικά ιόντα έχουν άνιση ποσότητα ηλεκτρονίων και πρωτονίων. Όταν γράφετε τον τύπο για ένα πολυατομικό, η ένωση γράφεται σε αγκύλες και το ηλεκτρικό φορτίο γράφεται ως εκθέτης έξω από τις αγκύλες. Το αμμώνιο, για παράδειγμα, είναι ένα πολυατομικό ιόν με χημικό τύπο [NH₄ ]. Το αμμώνιο περιέχει ένα λιγότερο ηλεκτρόνιο από τα πρωτόνια και έτσι έχει συνολικό ηλεκτρικό φορτίο +1. Άλλα πολυατομικά ιόντα περιλαμβάνουν το υδροξείδιο ([OH]) και το θειικό ([SO4]).

Τα ιόντα δεν είναι ίδια με την πολικότητα. Ένα πολικό μόριο έχει ένα μερικό ηλεκτρικό φορτίο ενώ τα ιόντα είναι γεμάτα ταρίφα. Το φορτίο ενός ιόντος είναι πάντα κάποια ακέραια τιμή. Τα ιόντα νατρίου έχουν φορτίο +1, τα ιόντα χλωρίου φορτίο -1. Τα πολικά μόρια έχουν μερικώς φορτισμένα δίπολα και η τιμή φορτίου τους δεν είναι ακέραιος. Το φορτίο του αρνητικού άκρου οξυγόνου στο νερό είναι περίπου -2/3e, περίπου τα δύο τρίτα του φορτίου ενός μόνο ηλεκτρονίου.

Ο άνθρακας ως ιόν

Μονατομικά ιόντα με άνθρακα

Δεδομένου ότι ο άνθρακας είναι ένα ηλεκτρικά σταθερό στοιχείο, σχεδόν ποτέ δεν σχηματίζει φυσικά αυτοτελή μονοατομικά ιόντα άνθρακα με τη μορφή C3+ ή C4-. Δεν υπάρχει τίποτα συγκεκριμένο που αποτρέπει ιόντα άνθρακα από το σχηματισμό, μόνο το γεγονός ότι απαιτεί αρκετή ενέργεια για να γίνει αυτό. Αντί να χάνει ή να αποκτά ηλεκτρόνια, ο άνθρακας τις περισσότερες φορές σχηματίζει έναν ομοιοπολικό δεσμό μέσω της κοινής χρήσης ηλεκτρονίων. Για παράδειγμα, ο άνθρακας θα σχηματίσει μεθάνιο (CH₄ ) μοιράζοντας τα 4 εξωτερικά του ηλεκτρόνια με το υδρογόνο Το υδρογόνο δεν είναι αρκετά ηλεκτραρνητικό για να πάρει ηλεκτρόνια από τον άνθρακα και ο άνθρακας δεν είναι αρκετά ηλεκτραρνητικό για να πάρει ηλεκτρόνια από το υδρογόνο. Έτσι, ο άνθρακας απλώς μοιράζεται καθένα από τα 4 εξωτερικά του ηλεκτρόνια με το μοναδικό εξωτερικό ηλεκτρόνιο κάθε υδρογόνου.

Ένας τρόπος για να σχηματιστούν ελεύθερα μονοατομικά ιόντα άνθρακα από ένα νέφος αερίου άνθρακα είναι με ένα λέιζερ. Ο άνθρακας θα εξαχνωθεί σε αέριο σε υψηλή θερμοκρασία. Στη συνέχεια, ένα λέιζερ μπορεί να εκτοξευθεί στα μεμονωμένα άτομα άνθρακα για να χτυπήσει τα ηλεκτρόνια και να δημιουργήσει ιόντα άνθρακα. Θεωρητικά, θα μπορούσατε να ιονίσετε πλήρως ένα άτομο άνθρακα αφαιρώντας όλα τα ηλεκτρόνια του με αυτόν τον τρόπο. Αυτή η διαδικασία δεν είναι ιδιαίτερα πρακτική ή χρήσιμη, καθώς κάθε επόμενο ηλεκτρόνιο που αφαιρείται από το άτομο άνθρακα απαιτεί όλο και περισσότερη ενέργεια.

Πολυατομικά ιόντα με άνθρακα

Ο άνθρακας, ωστόσο, είναι ικανός να παράγει φυσικά έναν αριθμό πολυατομικών ιόντων. Επειδή ο άνθρακας είναι ένα πολύ εύκαμπτο στοιχείο, τα διάφορα πολυατομικά ιόντα που μπορεί να σχηματίσει έχουν πολύ διαφορετικές χημικές ιδιότητες. Μερικά είναι σχετικά θαμπά και αδρανή, ενώ άλλα μπορεί να είναι επικίνδυνα ή εξαιρετικά ασταθή. Ο άνθρακας είναι ένα από τα πιο συχνά συστατικά των διαφόρων γνωστών φυσικών πολυατομικών ιόντων.

Ο άνθρακας και το άζωτο (Ν), για παράδειγμα, συνδυάζονται για να σχηματίσουν το κυανιούχο ανιόν ([CN]), μια εξαιρετικά δηλητηριώδη ένωση. Το κυάνιο αποτελείται από ένα άτομο άνθρακα τριπλού δεσμού με ένα άτομο αζώτου. Το κυάνιο παράγεται φυσικά από πολλά φυτά και μύκητες, συχνά ως αμυντικός μηχανισμός. Το κυάνιο μπορεί να συνδεθεί με ένα άτομο υδρογόνου για να σχηματίσει υδροκυανικό οξύ (HCN) μια εξαιρετικά διαβρωτική ένωση που μπορεί να είναι θανατηφόρα σε μικρές δόσεις.

Ένα άλλο κοινό πολυατομικό ιόν που περιέχει άνθρακα είναι το ανθρακικό ([CO3]). Τα ανθρακικά ιόντα σχηματίζουν ιοντικούς δεσμούς με πολλές άλλες ενώσεις για να σχηματίσουν άλατα και μέταλλα. Τα περισσότερα ιζηματογενή πετρώματα περιέχουν ανθρακικά ιόντα, που συνήθως συνδέονται με το ασβέστιο για να σχηματίσουν ανθρακικό ασβέστιο (CaCO₃ ). Άλλες ανθρακικές ενώσεις περιλαμβάνουν ανθρακικό σίδηρο (FeCO₃ ) και ανθρακικό νάτριο (Na₂ CO₃ ). Το ανθρακικό ασβέστιο είναι επίσης το κύριο συστατικό των κελυφών μαλακίων και των σκελετών κοραλλιών.

Υπάρχει μια σημαντική οικογένεια ενώσεων που ονομάζονται καρβίδια που σχηματίζονται από τη σύνδεση ιόντων άνθρακα με πολύ ηλεκτροθετικά μέταλλα αλκαλίων και αλκαλικών γαιών. Αυτά τα καρβίδια μπορούν να χωριστούν σε τρεις ομάδες, ανάλογα με τον χαρακτήρα των κεντρικών ιόντων άνθρακα. Τα μεθανίδια σχηματίζονται με έναν πυρήνα C, τα ακετυλίδια με έναν πυρήνα C2 και τα σεσκικαρβίδια με έναν πυρήνα C3. Οι περισσότερες από αυτές τις ενώσεις καρβιδίου μπορούν να παραχθούν με την αποσύνθεση ενώσεων άνθρακα με ομοιοπολικούς δεσμούς.

Η ένωση οξική είναι ένα σημαντικό πολυατομικό ιόν που περιέχει άνθρακα. Οξικό ( [CH₃ CO₂]ή [CH₃ COO]) είναι πανταχού παρούσα στη φύση καθώς είναι ένα από τα κύρια δομικά στοιχεία της βιοσύνθεσης. Το οξικό άλας στο σώμα χρησιμοποιείται για τη δημιουργία λιπαρών οξέων, ενός από τα πιο σημαντικά λιπίδια, και για την παραγωγή ακετυλο-CoA, το οποίο εμπλέκεται στην κυτταρική αναπνοή.

Θεραπεία ιόντων άνθρακα

Τα ιόντα άνθρακα έχουν επίσης βρει μια εξειδικευμένη χρήση για τη θεραπεία όγκων μέσω ακτινοθεραπείας. Η θεραπεία με ακτινοβολία άνθρακα συνίσταται στη θεραπεία όγκων με πυροδότηση σωματιδίων άνθρακα σε μεγάλο βαθμό σε όγκους. Τα ιονισμένα σωματίδια άνθρακα μπορούν να βλάψουν την κυτταρική δομή των καρκινικών κυττάρων, σταματώντας την ανάπτυξή τους και σκοτώνοντάς τα. Η θεραπεία με ιόντα άνθρακα παρουσιάζει οφέλη σε σχέση με τις παραδοσιακές μορφές ακτινοθεραπείας, καθώς οι βαρύτεροι πυρήνες των ατόμων άνθρακα επιτρέπουν πιο ακριβή και ισχυρή θεραπεία. Οι βαρείς πυρήνες, σε αντίθεση με την ακτινοβολία φωτονίων, είναι ικανοί να κατευθύνονται από μαγνητικά πεδία, ώστε να μπορούν να χειριστούν με μεγαλύτερη ακρίβεια για να στοχεύσουν όγκους.