El carbono atómico , llamado sistemáticamente carbono y λ 0 -metano , también llamado monocarbono, es un químico inorgánico gaseoso incoloro con la fórmula química C (también escrito [C]). Es cinéticamente inestable a temperatura y presión ambiente, siendo eliminado mediante autopolimerización.
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Nombres | |
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Nombre IUPAC sistemático Metanodiilideno (sustitutivo) Carbono (aditivo) | |
Identificadores | |
Modelo 3D ( JSmol ) | |
CHEBI | |
ChemSpider | |
Tarjeta de información ECHA | 100.028.321 ![]() |
PubChem CID | |
Tablero CompTox ( EPA ) | |
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Propiedades | |
C | |
Masa molar | 12,011 g · mol −1 |
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). | |
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Referencias de Infobox | |
El carbono atómico es la forma más simple de carbono y también es el progenitor de los grupos de carbono. Además, se puede considerar que es el monómero de todos los alótropos de carbono (condensados) como el grafito y el diamante.
Nomenclatura
El nombre trivial monocarbono es el nombre IUPAC más utilizado y preferido . El nombre sistemático carbono , un nombre válido de la IUPAC , se construye de acuerdo con la nomenclatura composicional. Sin embargo, como nombre de composición, no distingue entre diferentes formas de carbono puro. El nombre sistemático λ 0 -metano , también nombre válido de la IUPAC, se construye de acuerdo con la nomenclatura sustitutiva. Junto con el monocarbono , este nombre distingue al compuesto titular ya que derivó utilizando información estructural sobre la molécula. Para reflejar mejor su estructura, el carbono atómico libre a menudo se escribe como [C]. λ 2 -metilio ( [CH]+
) es el ion resultante de la ganancia de H+
por carbono atómico.
Propiedades
Anfotericidad
Un ácido de Lewis puede unirse con un par de electrones de carbono atómico, y un par de electrones de una base de Lewis puede unirse con carbono atómico por aducción: [1]
- : [C] + M → [MC]
- [C] +: L → [CL]
Debido a esta donación o aceptación de un par de electrones aducidos, el carbono atómico tiene carácter anfótero de Lewis. [2] El carbono atómico tiene la capacidad de donar hasta dos pares de electrones a ácidos de Lewis, o aceptar hasta dos pares de bases de Lewis.
Un protón puede unirse al carbono atómico por protonación:
- C + H+
→ CH+
Debido a esta captura del protón ( H+
), el carbono atómico y sus aductos de bases de Lewis, como el agua, también tienen carácter básico de Brønsted-Lowry. El ácido conjugado del carbono atómico es λ 2 -metilio ( CH+
).
- H
3O+
+ C ⇌ H
2O + CH+
Sin embargo, las soluciones acuosas de aductos son inestables debido a la hidratación del centro de carbono y el grupo λ 2 -metilio para producir λ 2 -metanol (CHOH) o λ 2 -metano ( CH
2), o hidroximetilio ( CH
2OH+
) grupos, respectivamente.
- H
2O + C → CHOH - H
2O + CH+
→ CH
2OH+
El grupo λ 2 -metanol en los aductos puede potencialmente isomerizarse para formar formaldehído , o hidratarse más para formar metanodiol . El grupo hidroximetilio en los aductos puede potencialmente hidratarse más para formar dihidroximetilio ( CH (OH)+
2), o ser oxidado por el agua para formar formilio ( HCO+
). [1]
Propiedades electromagnéticas
Los electrones en el carbono atómico se distribuyen entre los orbitales atómicos de acuerdo con el principio de aufbau para producir estados cuánticos únicos, con los niveles de energía correspondientes. El estado con el nivel de energía más bajo, o estado fundamental, es un estado dirradical triplete ( 3 P 0 ), seguido de cerca por 3 P 1 y 3 P 2 . Los siguientes dos estados excitados que son relativamente cercanos en energía son un singlete ( 1 D 2 ) y un dirradical singlete ( 1 S 0 ). El estado no radical del carbono atómico se denomina sistemáticamente λ 2 -metilideno, y los estados dirradicales que incluyen el estado fundamental se denominan carbono (2 •) o λ 2 -metanodiilo. Los estados 1 D 2 y 1 S 0 se encuentran 121,9 kJ mol -1 y 259,0 kJ mol -1 por encima del estado fundamental, respectivamente. Las transiciones entre estos tres estados tienen formalmente prohibido que ocurran debido al requisito de cambio de espín o emparejamiento de electrones. Esto significa que el carbono atómico fosforesce en la región del infrarrojo cercano del espectro electromagnético a 981,1 nm. También puede emitir fluorescencia en infrarrojos y fosforescencia en la región azul a 873,0 nm y 461,9 nm, respectivamente, tras la excitación por radiación ultravioleta.
Los diferentes estados del carbono atómico exhiben diferentes comportamientos químicos. Por ejemplo, las reacciones del radical triplete con especies no radicales generalmente implican abstracción, mientras que las reacciones del no radical singlete implican no sólo abstracción, sino también adición por inserción.
- [C] 2 • ( 3 P 0 ) + H
2O → [CHOH] → [CH] + [HO] - [C] ( 1 D 2 ) + H
2O → [CHOH] → CO + H
2o H
2CO
Producción
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/9/94/Atomic_carbon.png/220px-Atomic_carbon.png)
Esta especie de vida muy corta se crea al pasar una gran corriente a través de dos barras de carbono adyacentes, generando un arco eléctrico. El carbono atómico se genera en el proceso. El profesor Phil Shevlin ha realizado el trabajo principal en el campo con base en la Universidad de Auburn en los EE. UU.
La forma en que se fabrica esta especie está estrechamente relacionada con la formación de fullerenos C 60 , la principal diferencia es que se utiliza un vacío mucho más bajo en la formación de carbono atómico.
El carbono atómico se genera en la termólisis del 5-diazotetrazol tras la extrusión de 3 equivalentes de dinitrógeno: [3]
CN 6 →: C: + 3 N 2
![AtomicC.png](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/1/16/AtomicC.png/400px-AtomicC.png)
Se puede obtener una fuente limpia de carbono atómico basada en la descomposición térmica del carburo de tantalio . En la fuente desarrollada, el carbono [4] se carga en un tubo de tantalio de paredes delgadas . Una vez sellado, se calienta mediante corriente eléctrica continua . Los átomos de carbono solvatados se difunden a la superficie exterior del tubo y, cuando aumenta la temperatura, se observa la evaporación del carbono atómico de la superficie del tubo de tantalio. La fuente proporciona átomos puramente de carbono sin presencia de especies adicionales.
Descarbonilación del subóxido de carbono
El carbono atómico se puede producir mediante descarbonilación del subóxido de carbono . En este proceso, el subóxido de carbono se descompone para producir carbono atómico y monóxido de carbono de acuerdo con la ecuación:
- C
3O
2 → 2 CO + [C]
El proceso involucra monóxido de dicarbono como intermedio y ocurre en dos pasos. Se necesita radiación fotolítica ultravioleta lejana para ambas descarbonilaciones.
- OCCCO → [CCO] + CO
- [CCO] → CO + [C]
Usos
Normalmente, una muestra de carbono atómico existe como una mezcla de estados excitados además del estado fundamental en equilibrio termodinámico. Cada estado contribuye de manera diferente a los mecanismos de reacción que pueden tener lugar. Una prueba simple utilizada para determinar qué estado está involucrado es hacer uso de la reacción de diagnóstico del estado triplete con O 2 , si el rendimiento de la reacción no cambia indica que está involucrado el estado singlete. El estado fundamental diradical normalmente sufre reacciones de abstracción. El carbono atómico se ha utilizado para generar carbenos "verdaderos" mediante la abstracción de átomos de oxígeno de los grupos carbonilo :
- R 2 C = O +: C: → R 2 C: + CO
Los carbenos formados de esta manera exhibirán un verdadero comportamiento carbénico. Los carbenos preparados por otros métodos, como los compuestos diazo, podrían exhibir propiedades que se atribuyen mejor al compuesto diazo utilizado para producir el carbeno (que imita el comportamiento del carbeno), en lugar del carbeno en sí. Esto es importante desde una comprensión mecanicista de la perspectiva del verdadero comportamiento del carbeno.
Reacciones
Como el carbono atómico es una especie deficiente en electrones, se autopolimeriza espontáneamente en su forma pura o se convierte en un aducto tras el tratamiento con un ácido o una base de Lewis. La oxidación del carbono atómico da monóxido de carbono, mientras que la reducción da λ 2 -metano. Los no metales , incluido el oxígeno , atacan fuertemente el carbono atómico y forman compuestos de carbono divalentes:
- 2 [C] + O
2 → 2 CO
El carbono atómico es muy reactivo, la mayoría de las reacciones son muy exotérmicas. Generalmente se realizan en fase gaseosa a temperaturas de nitrógeno líquido (77 K). Las reacciones típicas con compuestos orgánicos incluyen: [5]
- Inserción en un enlace CH en alcanos para formar un carbeno
- Desoxigenación de grupos carboxilo en cetonas y aldehidratos para formar un carbeno, formando 2-butanona 2-butanilideno.
- Inserción en dobles enlaces carbono-carbono para formar un ciclopropilideno que experimenta la apertura del anillo, un ejemplo simple es la inserción en un alqueno para formar un cumuleno.
Con la inserción de agua en el enlace OH se forma el carbeno, HC-OH que se reorganiza en formaldehído, HCHO.
Referencias
- ↑ a b Husain, D .; Kirsch, LJ (1 de enero de 1971). "Reacciones de carbono atómico C (2 3 P J ) por espectroscopia de absorción cinética en el vacío ultravioleta". Transacciones de la Sociedad Faraday . 67 : 2025-2035. doi : 10.1039 / TF9716702025 .
- ^ Housecroft, Catherine E .; Sharpe, Alan G. (2012). "Ácidos, bases e iones en solución acuosa". Química inorgánica (4ª ed.). Pearson Education, Ltd. pág. 227. ISBN 978-0-273-74275-3.
- ^ Shevlin, Philip B. (1 de mayo de 2002). "Formación de carbono atómico en la descomposición del cloruro de 5-tetrazolildiazonio". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 94 (4): 1379-1380. doi : 10.1021 / ja00759a069 .
- ^ Krasnokutski, SA; Huisken, F. (15 de septiembre de 2014). "Una fuente simple y limpia de carbono atómico de baja energía". Letras de Física Aplicada . 105 (11): 113506. Código bibliográfico : 2014ApPhL.105k3506K . doi : 10.1063 / 1.4895806 .
- ^ Química intermedia reactiva, Robert A. Moss, Matthew S. Platz y Maitland Jones Jr., Wiley-Blackwell, (2004), ISBN 978-0471233244
Otras lecturas
- White GJ; Padman R. (1991). "Imágenes de carbono atómico en el medio interestelar". Naturaleza . 354 (6354): 511–513. Código Bibliográfico : 1991Natur.354..511W . doi : 10.1038 / 354511a0 . S2CID 4262147 .
- PB Shevlin (1972). "Formación de carbono atómico en la descomposición de cloruro de 5-tetrazoildiazonio". Mermelada. Chem. Soc. 94 (4): 1379-1380. doi : 10.1021 / ja00759a069 .
- PB Shevlin (1980). "La preparación y reacción del carbono atómico". En RA Abramovitch (ed.). Intermedios reactivos . 1 . Nueva York: Plenum Press. pag. 1.
- MJS Dewar; DJ Nelson; PB Shevlin; KA Biesida (1981). "Una investigación experimental y teórica del mecanismo de desoxigenación de compuestos de carbonilo por carbono atómico". Mermelada. Chem. Soc. 103 (10): 2802. doi : 10.1021 / ja00400a052 .
- Biesiada, Keith A .; Shevlin, Philip B. (1984). "Atrapamiento intramolecular de un intermedio en la desoxigenación de un compuesto carbonilo por carbono atómico". La Revista de Química Orgánica . 49 (6): 1151. doi : 10.1021 / jo00180a047 .
- Moss, Robert A; Jones, Maitland (2004). "Carbono atómico" . Química intermedia reactiva . págs. 463–500 . ISBN 978-0-471-23324-4.