Koolstofdioxide
Koolstofdioxide
Eigenschappen van koolstofdioxide
Vanuit de Lewisstructuur van CO2 en VSEPR, kunnen we vaststellen dat dit een lineair molecuul is.
Laten we eens kijken naar enkele van de fysische eigenschappen van CO2.
| Eigenschap | CO2 |
| kookpunt | 195 (sublimeert) |
 Hf (298 K) |
-393.5 kJ/mol |
| bindingsenergie | 806 kJ/mol |
| C-O bindingsafstand | 1.16  |
| 0 D |
De C-O-bindingen in koolstofdioxide zijn polair en toch is het dipoolmoment nul, omdat de 2 bindingsdipolen elkaar opheffen.
Eén ding dat we kunnen begrijpen door naar de structuur van CO2 te kijken, is dat het koolstofcentrum van het molecuul elektrofiel moet zijn. Een elektrofiel (elektron-liefhebber) is een centrum dat elektronenarm is en zal worden aangetrokken door centra die elektronenrijk zijn.
Ook al is het totale aantal elektronen rond de koolstof 8, dit is een overschatting van de elektronendichtheid. Deze koolstof is alleen gebonden aan zeer elektronegatieve zuurstofatomen. De bindingselektronen zullen allemaal nauwer verbonden zijn met zuurstof dan met koolstof.
Binding in Koolstofdioxide
Uit de Lewisstructuur kunnen we zien dat de koolstof in CO2 2 sigma-bindingen moet maken en het heeft geen lone pairs. Dit atoom zal 2sp gehybridiseerd zijn met de resterende 2px en 2py atomaire banen.
Elk zuurstof maakt 1 sigma binding en heeft ook 2 banen nodig voor lone elektronenparen. Deze moeten elk 2sp2 gehybridiseerd zijn met een overgebleven 2p orbitaal. Eén van de oxygenen zal een 2px orbitaal hebben om te combineren met de 2px orbitaal van de koolstof. De andere zuurstof zal een 2py orbitaal hebben die kan combineren met de andere p orbitaal op koolstof.
Een 2sp2 orbitaal op O1 combineert met een 2sp orbitaal op C om een sigma bindings en een sigma anti-bindings moleculaire orbitaal te maken. De andere 2sp orbitaal op C combineert met een 2sp2 orbitaal op O2 en maakt weer een stel sigma bindende en sigma antioverbindende moleculaire orbitalen.
De overgebleven 2sp2 van de zuurstofatomen worden niet-bindende moleculaire orbitalen.
De O1 2px combineert met de C 2px om een pi bindende en pi antibindende moleculaire orbitaal te maken. De O2 2py combineert met de C 2py om weer een set van pi bindende en pi antibindende moleculaire orbitalen te maken.
De 16 valentie-elektronen vullen zich door de 2 pi bindende orbitalen, zodat er een volledige dubbele binding is tussen koolstof en elke zuurstof.
Oxidatietoestanden
Zoals je hierboven hebt gezien, geeft het totale aantal elektronen rond de atomen in koolstofdioxide een ernstige overschatting van de elektronendichtheid rond het koolstofatoom. Het helpt ons niet om de reactiviteit van dit atoom te voorspellen. Het oxidatietoestandsformalisme kan ons een beter idee geven over de elektronendichtheid rond een atoom en zijn neiging om elektronen toe te voegen en gereduceerd te worden.
Om de oxidatietoestand van de atomen in CO2 te vinden,
- Teken de Lewisstructuur.
- Breek de bindingen door alle bindingselektronen te geven aan het elektronegatievere van de 2 atomen. (Als de atomen hetzelfde zijn, geef je elk atoom 1/2 van de bindingselektronen.)
- Tel de elektronen rond elk atoom en vergelijk het aantal elektronen met het aantal valentie-elektronen, net zoals je doet voor de formele lading.
- Gebruik Romeinse cijfers in plaats van getallen om de oxidatietoestand aan te duiden.
Van de oxidatietoestanden zien we dat het koolstofcentrum zeer elektronenarm is en in zijn hoogst mogelijke oxidatietoestand verkeert. Het zou gevoelig moeten zijn voor reductie.
Reductieve koppeling
Natriummetaal heeft een enkel elektron in zijn valentieschil. Het heeft een sterke neiging om dat elektron te verliezen en geoxideerd te raken. Koolstof in CO2 is in zijn hoogste oxidatietoestand. Het zou de neiging moeten hebben om een elektron te winnen en geoxideerd te worden.
De ongepaarde elektronen op twee van de gereduceerde koolstofkernen kunnen zich combineren tot een covalente binding in het product, natriumoxalaat.
Hydroxide additie
De koolstof van CO2 is elektrofiel (elektron-arm). De zuurstof in het hydroxide-ion, HO-, heeft een overmaat aan elektronendichtheid op zuurstof. Een elektron-rijk centrum dat een binding kan vormen met een elektron-arm koolstofatoom wordt een nucleofiel (positieve lading-liefhebber) genoemd. De paarse pijlen in het reactieschema geven de elektronenstroom in de reactie aan.
