Carbono (C): Configuración Electrónica y Diagrama de Orbitales

El carbono es el sexto elemento de la tabla periódica y su símbolo es "C". El número total de electrones del carbono es de seis. Estos electrones están dispuestos según reglas específicas de diferentes órbitas. La disposición de los electrones en diferentes órbitas y orbitales de un átomo en un orden determinado se denomina configuración electrónica. La configuración electrónica del átomo de carbono puede realizarse de dos maneras.

• Configuración electrónica a través del orbital (principio de Bohr)
• Configuración electrónica a través de orbitales (principio de Aufbau)

La configuración electrónica a través de los orbitales sigue diferentes principios. Por ejemplo, el principio de Aufbau, el principio de Hund y el principio de exclusión de Pauli. Este artículo da una idea sobre la configuración electrónica y el diagrama de orbitales del carbono, el período y los grupos, la valencia y los electrones de valencia del carbono, la formación de enlaces, la formación de compuestos y la aplicación de los diferentes principios.

Configuración electrónica del carbono a través de la órbita

El científico Niels Bohr fue el primero en dar una idea de la órbita del átomo. Proporcionó un modelo del átomo en 1913. Allí se da la idea completa de la órbita. Los electrones del átomo giran alrededor del núcleo en una determinada trayectoria circular. Estas trayectorias circulares se denominan órbita(cáscara). Estas órbitas se expresan mediante n. [n = 1,2,3,4 . . . el número de serie de la órbita].

K es el nombre de la primera órbita, L es la segunda, M es la tercera, N es el nombre de la cuarta órbita. La capacidad de retención de electrones de cada órbita es 2n².

Por ejemplo:

n = 1 para la órbita K.
La capacidad de retención de electrones de la órbita K es 2n² = 2 × 1² = 2 electrones.
Para la órbita L, n = 2.
La capacidad de retención de electrones de la órbita L es 2n² = 2 × 2² = 8 electrones.
Para la órbita M, n=3.
La capacidad máxima de retención de electrones en la órbita M es de 2n² = 2 × 3² = 18 electrones.
n=4 para la órbita N.
La capacidad máxima de retención de electrones en la órbita N es de 2n² = 2 × 4² = 32 electrones.

Por lo tanto, la capacidad máxima de retención de electrones en la primera corteza es de dos, la segunda es de ocho y la tercera puede tener un máximo de dieciocho electrones. El número atómico es el número de electrones de ese elemento.

El número atómico del carbono es 6. Es decir, el número de electrones del carbono es 6. Por tanto, un átomo de carbono tendrá dos electrones en la primera corteza y cuatro en la segunda. Por lo tanto, el orden del número de electrones en cada capa del átomo de carbono(C) es 2, 4.

Los electrones pueden disponerse correctamente a través de las órbitas de los elementos 1 a 18. La configuración electrónica de un elemento con un número atómico superior a 18 no puede determinarse correctamente según el modelo atómico de Bohr. La configuración electrónica de todos los elementos puede realizarse mediante el diagrama de orbitales.

Configuración electrónica del átomo de carbono a través del orbital

Los niveles de energía atómica se subdividen en subniveles energéticos. Estos niveles subenergéticos se denominan orbitales. Los subniveles energéticos se expresan mediante 'l'. El valor de 'l' va de 0 a (n - 1). Los niveles subenergéticos se conocen como s, p, d, f. La determinación del valor de 'l' para los diferentes niveles de energía es:

Si n = 1
(n - 1) = (1-1) = 0
Por lo tanto, el número orbital de 'l' es 1; Y el orbital es 1s.
Si n = 2
(n - 1) = (2-1) = 1.
Por lo tanto, el número orbital de 'l' es 2; Y el orbital es 2s, 2p.
Si n = 3
(n - 1) = (3-1) = 2.
Por lo tanto, el número orbital de 'l' es 3; Y el orbital es 3s, 3p, 3d.
Si n = 4
(n - 1) = (4-1) = 3
Por lo tanto, el número orbital de 'l' es 4; Y el orbital es 4s, 4p, 4d, 4f.
Si n = 5
(n - 1) = (n - 5) = 4.

Por lo tanto, l = 0,1,2,3,4. El número de orbitales será 5 pero 4s, 4p, 4d, 4f en estos cuatro orbitales es posible disponer los electrones de todos los elementos de la tabla periódica. La capacidad de retención de electrones de estos orbitales es s = 2, p = 6, d = 10 y f = 14. El físico alemán Aufbau propuso por primera vez la idea de la configuración electrónica a través de los suborbitales.

El método de Aufbau consiste en realizar la configuración electrónica a través del nivel subenergético. El principio de Aufbau consiste en que los electrones presentes en el átomo completarán primero el orbital de menor energía y luego continuarán gradualmente hasta completar el orbital de mayor energía. Estos orbitales se denominan s, p, d, f. El método de configuración electrónica de Aufbau es 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d.

Los dos primeros electrones del carbono entran en el orbital 1s. El orbital s puede tener un máximo de dos electrones. Por lo tanto, los dos siguientes electrones entran en el orbital 2s. El orbital p puede tener un máximo de seis electrones. Por lo tanto, los dos electrones restantes entran en el orbital 2p. Por lo tanto, la configuración electrónica del carbono(C) será 1s² 2s² 2p².

¿Cómo escribir el diagrama de orbitales del carbono?

Para crear un diagrama de orbitales de un átomo, primero hay que conocer el principio de Hund y el principio de exclusión de Pauli. El principio de Hund consiste en que los electrones que se encuentran en diferentes orbitales con la misma energía se colocan de tal manera que pueden estar en el estado no apareado de número máximo y el espín de los electrones no apareados será unidireccional.

Y el principio de exclusión de Pauli es que el valor de los cuatro números cuánticos de dos electrones en un átomo no puede ser el mismo. Para escribir el diagrama de orbitales del carbono(C), hay que hacer la configuración electrónica del carbono. Lo cual se ha discutido en detalle anteriormente.

El 1s es el orbital más cercano y de menor energía al núcleo. Por lo tanto, el electrón entrará primero en el orbital 1s. Según el principio de Hund, el primer electrón entrará en el sentido de las agujas del reloj y el siguiente electrón entrará en el orbital 1s en el sentido contrario.

El orbital 1s se llena ahora con dos electrones. A continuación, los siguientes dos electrones entrarán en el orbital 2s igual que en el orbital 1s. El orbital 2s está ahora lleno. Así que los dos electrones restantes entrarán en el orbital 2p en el sentido de las agujas del reloj. Esto se muestra claramente en la figura del diagrama de orbitales del carbono.

Configuración electrónica del carbono en estado de excitación

Los átomos pueden saltar de un orbital a otro en un estado excitado. Esto se llama salto cuántico. La configuración electrónica del carbono en el estado básico es 1s² 2s² 2p². El orbital p tiene tres sub-orbitales. Los suborbitales son p_x, p_y, and p_z. Cada sub-orbital puede tener un máximo de dos electrones.

En la configuración electrónica del carbono en estado básico, los dos electrones del orbital 3p se encuentran en los suborbitales p_x, p_y y el espín de los dos electrones es el mismo. Entonces la configuración electrónica correcta del carbono en estado básico será 1s² 2s² 2p_x¹ 2p_y¹. Por lo tanto, la valencia del carbono es 2. Además, la valencia de un elemento está determinada por la configuración electrónica en el estado excitado.

Cuando el átomo de carbono está excitado, éste absorbe energía. Como resultado, un electrón del orbital 2s salta al suborbital 2pz. Por lo tanto, la configuración electrónica del carbono(C*) en estado excitado será 1s² 2s¹ 2p_x¹ 2p_y¹ 2p_z¹ Aquí, el carbono tiene cuatro electrones no apareados. En este caso, la valencia del carbono es 4.

Configuración electrónica del ion carburo (C⁴⁻)

La configuración electrónica muestra que la última capa del carbono tiene cuatro electrones. Por tanto, los electrones de valencia del carbono son cuatro. Los elementos que reciben electrones y forman enlaces se llaman aniones. Durante la formación de un enlace, la última capa del carbono recibe cuatro electrones y se convierte en un ion carburo (C⁴⁻). Es decir, el carbono es un elemento aniónico.

C – 4e^– → C⁴⁺

Aquí, la configuración electrónica del ion carburo (C⁴⁻) is 1s² 2s² 2p⁶.  Esta configuración electrónica muestra que el ion carburo (C⁴⁻) adquirió la configuración electrónica del neón y alcanza una configuración electrónica estable. El átomo de carbono presenta los estados de oxidación +4, +2, -4. El estado de oxidación del elemento cambia en función de la formación del enlace.

Determinación del grupo y del período

La última órbita de un elemento es el período de ese elemento. La configuración electrónica del átomo de carbono muestra que la última órbita del átomo de carbono es 2. Por lo tanto, el periodo del carbono es 2. Por otro lado, el número de electrones presentes en la última órbita de un elemento es el número de grupos de ese elemento. Pero en el caso de los elementos del bloque p, el diagnóstico de grupo es diferente.

Para determinar el grupo de los elementos del bloque p, hay que determinar el grupo sumando 10 al número total de electrones de la última órbita. El número total de electrones en el último orbital del átomo de carbono(C) es de cuatro. Es decir, el número de grupo del carbono es 4 + 10 = 14. Por lo tanto, podemos decir que el periodo del elemento carbono es 2 y el grupo es 14.

Determinación del bloque del carbono por la configuración electrónica

Los elementos de la tabla periódica se dividen en cuatro bloques en función de la configuración electrónica del elemento. El bloque de elementos se determina en función de la configuración electrónica del elemento. Si el último electrón entra en el orbital p después de la configuración electrónica del elemento, éste se denomina elemento del bloque p. La configuración electrónica muestra que el último electrón del carbono entra en el orbital p. Por lo tanto, el carbono es el elemento de bloque p.

Secuencia de activación del átomo de carbono

Los elementos del grupo 14 son relativamente menos activos. Sin embargo, la actividad del elemento aumenta a medida que se desplaza de la parte superior a la inferior del grupo. El carbono es el primer elemento del grupo-14. El carbono es el primer elemento del grupo-14. Por ello, la activación de los átomos de carbono es muy baja.

Estructura de reacción del átomo de carbono

El átomo de carbono reacciona con el átomo de oxígeno para formar compuestos de óxido.

C + O₂ → CO

C + O₂ → CO₂

En general, los óxidos de elementos con valores de oxidación más altos son más ácidos que los óxidos de elementos con valores de oxidación más bajos. El CO es un óxido neutro, pero el CO₂ es un óxido ácido.

CO₂ + 2NaOH → Na₂CO₃ + H₂O

El CO₂ se comporta como un óxido ácido.

2C + O₂ → 2CO

Aquí, el CO revela el comportamiento del óxido neutro.

El elemento carbono del grupo 14 reacciona con el agua para producir [CO + H₂]] gas de agua.

C + H₂O (1300 C) → [CO + H₂]

Los átomos de carbono reaccionan con los halógenos para formar compuestos tetrahaluros.

• C + 2F₂ → CF4
• C + 2Cl₂ → CCl₄
• C + 2Br₂→ CBr₄
• C + 2I₂ → CI₄

El átomo de carbono reacciona con el hidrógeno para producir gas metano.

C + 2H₂ → CH₄

Análisis húmedo del haluro de carbono

Los compuestos de haluro de los elementos del grupo 14, especialmente el cloruro analizado en húmedo, son de naturaleza ligeramente diferente. En el caso del análisis húmedo, el orbital d vacío del átomo desempeña un papel importante. El segundo período y elemento del grupo 14 es un carbono (C). No hay ningún orbital d en el nivel de valencia del átomo de carbono. Por lo tanto, el CCl4 no se analiza en húmedo.

Propiedades excepcionales del carbono

El primer elemento del grupo 14 es el carbono. El grupo 14 presenta la excepción del carbono respecto a otros elementos. Las excepciones del carbono se muestran a continuación

• El tamaño iónico de los átomos de carbono es inusualmente pequeño.
• La electronegatividad de los átomos de carbono es alta.
• El carbono es un elemento de alto potencial iónico.
• El orbital d está ausente en la cámara de valencia.
• Los diamantes variantes del carbono son muy duros.
• El punto de fusión y el punto de ebullición de los átomos de carbono son más altos que los de otros elementos.
• El nivel de valencia de un átomo de carbono tiene 2 orbitales s y 2 orbitales p. Cuando está activo, el orbital s tiene 1 y el orbital p tiene 3 electrones. La valencia máxima (valencia) del carbono es 4. Como los demás elementos del grupo tienen orbitales d presentes, pueden ampliar la valencia hasta 6. Por ejemplo, en el caso del silicio (SiF6)2- pero [CF6)2- no es posible.
• Elemento de pequeño tamaño y alta negatividad eléctrica. Por ello, los átomos de carbono forman enlaces simples, dobles y triples con otros átomos y otros elementos.
• Catenación; Esta es una de las características de los átomos de carbono. Los átomos de carbono se unen para formar largas cadenas y anillos. Estas uniones se crean debido al pequeño tamaño del átomo de carbono y a la gran fuerza de enlace carbono-carbono. La fuerza de enlace carbono-carbono es de 348kj/mol.

Estructura de enlace del carbono

Estructura de enlace del tetracloruro de carbono (CCl₄)

Hay cuatro electrones en la última órbita del átomo de carbono. El átomo de carbono quiere estabilizarse tomando cuatro electrones más en su última órbita. De nuevo, la configuración electrónica del átomo de cloro muestra que la última capa del átomo de cloro tiene siete electrones. El átomo de cloro quiere completar una octava tomando un electrón. Por lo tanto, un átomo de carbono forma un compuesto de tetracloruro de carbono (CCl₄) mediante enlaces covalentes compartiendo electrones con cuatro átomos de cloro.

Formación del enlace del metano (CH₄)

La configuración electrónica anterior muestra que hay cuatro electrones en la última órbita del átomo de carbono. El carbono quiere ser estable tomando cuatro electrones en su última órbita(cáscara).

De nuevo, el átomo de hidrógeno quiere ser tan estable como el helio tomando un electrón y completando su primera órbita. Por lo tanto, un átomo de carbono comparte electrones con cuatro átomos de hidrógeno para formar el compuesto metano (CH₄) mediante enlace covalente.

Propiedades del átomo de carbono

• El número atómico de los átomos de carbono es 6. El número atómico de un elemento es el número de electrones y protones de ese elemento. Es decir, el número de electrones y protones del átomo de carbono es seis.
• La masa atómica activa del átomo de carbono es [12,0096, 12,0116].
• El carbono no es un metal.
• La valencia de un átomo de carbono es 2, 4 y los electrones de valencia de un átomo de carbono son cuatro.
• Los átomos de carbono son el 2º período de la tabla periódica y un elemento del grupo 14.
• El carbono es un elemento eléctricamente negativo.
• El carbono es un elemento aniónico.
• Los átomos de carbono forman enlaces covalentes.
• El carbono es un elemento del bloque p. El valor de la energía iónica de los átomos de carbono es mayor que el de los elementos del bloque s.
• El carbono es conductor térmico y la electricidad es ligeramente conductora.
• El punto de fusión de un átomo de carbono es de 3550°C y el punto de ebullición es de 4827°C.
• La electronegatividad de los átomos de carbono es de 2,55 (escala de Pauling).
• Los estados de oxidación del carbono son -4, 2, 4.
• El radio atómico de un átomo de carbono es de 67 pm.
• El radio de van der Waals del átomo de carbono es de 170 pm
• Las energías de ionización de los átomos de carbono son 1086,5 kJ/mol, 2ª: 2352,6 kJ/mol, 3ª: 4620,5 kJ/mol.
• La adicción de electrones de los átomos de carbono es de -153,9 kJ mol-1
• El radio covalente del átomo de carbono es sp3: 77 pm, sp2: 73 pm, sp: 69 pm.
• La longitud del enlace C = O es de 123 pm, la longitud del enlace C - O es de 143 pm, la longitud del enlace C - C es de 154 pm, la longitud del enlace C = C es de 133 pm, la longitud del enlace C - H (alquino) es de 109 pm, la longitud del enlace C - H (alquino) es de 108 pm, la longitud del enlace C - H (alquino) es de 105 pm, la longitud del enlace C = N es de 138 pm.

Conclusión

El número atómico del carbono es 6. El número atómico de un elemento es el número de electrones de ese elemento. Por tanto, el número de electrones del carbono es 6. El tema principal de este artículo es la configuración electrónica del carbono y el diagrama de orbitales. Este artículo también habla de los grupos de períodos, la valencia y los electrones de valencia, la formación de compuestos, las propiedades covalentes y las propiedades del átomo de carbono.

Preguntas Frecuentes

Referencia

• Wikipedia
•  Lide, D. R., ed. (2005). CRC Handbook of Chemistry and Physics(86th ed.). Boca Raton (FL): CRC Press. ISBN 0-8493-0486-5.

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