¿Qué tiene que ver el pequeño tamaño del átomo de carbono con la capacidad de formar enlaces fuertes con otros átomos?

Mi respuesta será un poco diferente de las otras respuestas aquí hasta ahora. Si observa la versión original de la ecuación de onda de Schrödinger, verá que la energía se puede describir completamente en términos de una función de onda. Ahora sabemos por la ecuación de Einstein, podemos escribir Eτ = E / ν = h donde τ es el tiempo periódico, ν la frecuencia yh es el cuanto de acción de Planck. Ahora, cuanto más corta es la longitud de onda, lo que ocurre con un átomo más pequeño, más corto es el tiempo periódico, en parte porque hay menos distancia para viajar y en parte porque el electrón viaja en un campo eléctrico positivo más fuerte, por lo tanto, desde el teorema viral que tiene Una mayor energía de unión. Eso a su vez significa que la energía particular que obtienes al emparejar los electrones es más fuerte.

Ahora, la fuerza de un enlace covalente químico tiene mucho más que el tamaño del “átomo”, aunque tiene mucho que ver con la longitud del enlace. Sin embargo, la longitud del enlace también puede ser confusa, por lo tanto, los enlaces nitrógeno-nitrógeno suelen ser bastante débiles, y eso se atribuye a las repulsiones de un solo par a través del enlace. El carbono tiende a formar enlaces algo más fuertes porque la hibridación (a) permite cuatro enlaces, y (b) tiende a dirigir un poco más de carga de electrones hacia la zona de enlace que el orbital p. (El orbital sp crea enlaces aún más fuertes; si desea ver algunos datos, consulte Dewar y Schmeising, 1959. Tetrahedron, 5 , 166-178). Además, hay efectos que tienden a anular el tamaño en cierta medida, razón por la cual el enlace Si – Si es tan débil en comparación con el enlace C – C (es significativamente más débil que el efecto que se obtiene solo del tamaño) y es solo ligeramente más fuerte que el vínculo Ge – Ge. Esa causa es demasiado complicada para exponer aquí.

Un átomo más pequeño tiene menos capas de electrones (donde está la carga negativa), por lo que la capa de valencia está más cerca del núcleo (donde está la carga positiva).

En el caso de un átomo de carbono que forma un enlace con un átomo de hidrógeno, uno de los 4 electrones de carbono de la capa de valencia y un electrón del hidrógeno formará un enlace de dos electrones localizado entre los dos núcleos (donde la atracción eléctrica a ambos es positiva los núcleos son más fuertes)

Si el átomo fuera más grande, habría más electrones de capa interna para proteger el núcleo, lo que debilitaría la atracción hacia el par de electrones.

En términos de orbitales moleculares, también obtendría una mayor superposición orbital entre el hidrógeno 1s y el híbrido de carbono 2s2p.

Creo que su libro de texto acaba de hacer un argumento de saludo a mano sobre el fuerte factor de enlace.

a) Es la propiedad de cateación del átomo de carbono lo que le permite formar múltiples enlaces por átomo. La razón por la que C puede formar cuatro enlaces por átomo es porque tiene 4 electrones de valencia por átomo. Al ser el más pequeño en dicha categoría (Grupo 14), puede permitir fácilmente que otros 4 átomos (incluidos otros átomos de C) se acerquen a él y den como resultado la formación de una unidad de tetraedro alrededor de ese átomo de C. Para un átomo más grande con el mismo número de electrones de valencia como el átomo de Si, esto es un poco difícil (aunque se conocen los tetraedros de SiCl4 / H4, pero los enlaces son más débiles para las unidades de SiH4, a diferencia del SiCl4, donde uno puede tener enlaces de retorno a través de los orbitales 3d). Entonces, esencialmente un tamaño más pequeño asegura repulsiones electrostáticas menores y permite la formación de tetraedros.

b) Tenga en cuenta que esto solo es válido para un grupo en particular y los electrones de valencia juegan un factor muy importante aquí.

c) Esto es válido solo para enlaces covalentes. ¡Una cosa importante que también debe tenerse en cuenta es la elctronegatividad y los factores de afinidad electrónica!

Los átomos más pequeños tienen un radio atómico pequeño, lo que significa que los electrones están más cerca del núcleo. Debido a que los electrones se repelen entre sí, tener los electrones más cerca del núcleo significa que los núcleos pueden acercarse más. Esto se debe a que la repulsión se siente más cerca de los núcleos que para un átomo más grande. Cuanto más cerca están los átomos, más corta es la longitud del enlace y, por el contrario, más fuerte es el enlace.

Probablemente sea porque los átomos de la primera fila son pequeños (C, N, O, etc.). Esto significa que los núcleos y los electrones están concentrados en un pequeño volumen, por lo que sus atracciones mutuas son más fuertes.

Los átomos más grandes (por ejemplo, silicio) también forman enlaces muy fuertes, pero típicamente solo a elementos de la primera fila como el oxígeno y el flúor. Por ejemplo, los enlaces silicio-silicio son bastante más débiles que los enlaces carbono-carbono, o los enlaces silicio-carbono.

Advertencia: esta respuesta se limita al enlace covalente.