Przestrzenna struktura molekuł substancji nieorganicznych i organicznych ma ogromne znaczenie dla opisu ich właściwości chemicznych i fizycznych. Jeśli rozważymy substancję jako zbiór liter i cyfr na papierze, nie zawsze można dojść do właściwych wniosków. Do opisania wielu zjawisk, zwłaszcza tych związanych z chemią organiczną, niezbędna jest znajomość budowy stereometrycznej cząsteczki.
Co to jest stereometria
Stereometria to gałąź chemii, która wyjaśnia właściwości cząsteczek substancji na podstawie jej struktury. Co więcej, przestrzenna reprezentacja cząsteczek odgrywa tutaj ważną rolę, ponieważ jest kluczem do wielu zjawisk bioorganicznych.
Stereometria to zestaw podstawowych zasad, dzięki którym prawie każdą cząsteczkę można przedstawić w formie objętościowej. Wadą wzoru brutto zapisanego na zwykłej kartce papieru jest niemożność ujawnienia pełnej listy właściwości badanej substancji.
Przykładem może być kwas fumarowy, który należy do klasy dwuzasadowej. jest słabo rozpuszczalny w wodzie,trujące i można je znaleźć w naturze. Jeśli jednak zmienisz układ przestrzenny grup COOH, możesz uzyskać zupełnie inną substancję – kwas maleinowy. Jest wysoce rozpuszczalny w wodzie, można go uzyskać tylko sztucznie i jest niebezpieczny dla ludzi ze względu na swoje toksyczne właściwości.
Teoria stereochemiczna Vanta Hoffa
W XIX wieku idee M. Butlerowa dotyczące płaskiej struktury jakiejkolwiek cząsteczki nie mogły wyjaśnić wielu właściwości substancji, zwłaszcza organicznych. Był to impuls dla van't Hoffa do napisania pracy „Chemia w kosmosie”, w której uzupełnił teorię M. Butlerowa swoimi badaniami w tej dziedzinie. Wprowadził koncepcję przestrzennej struktury molekuł, a także wyjaśnił znaczenie swojego odkrycia dla nauk chemicznych.
W ten sposób udowodniono istnienie trzech rodzajów kwasu mlekowego: mięsno-mlekowego, prawoskrętnego i fermentowanego kwasu mlekowego. Na kartce papieru dla każdej z tych substancji wzór strukturalny będzie taki sam, ale przestrzenna struktura cząsteczek wyjaśnia to zjawisko.
Wynik stereochemicznej teorii Van't Hoffa był dowodem na to, że atom węgla nie jest płaski, ponieważ jego cztery wiązania walencyjne są skierowane w stronę wierzchołków wyimaginowanego czworościanu.
Piramidalna struktura przestrzenna cząsteczek organicznych
W oparciu o odkrycia van't Hoffa i jego badania, każdy węgiel w szkielecie materii organicznej można przedstawić jako czworościan. tak mymożemy rozważyć 4 możliwe przypadki powstawania wiązań C-C i wyjaśnić budowę takich cząsteczek.
Pierwszy przypadek ma miejsce, gdy cząsteczka jest pojedynczym atomem węgla, który tworzy 4 wiązania z protonami wodoru. Przestrzenna struktura molekuł metanu niemal całkowicie powtarza zarysy czworościanu, jednak kąt wiązania jest nieznacznie zmieniony w wyniku oddziaływania atomów wodoru.
Tworzenie jednego chemicznego wiązania C-C można przedstawić jako dwie piramidy, które są połączone wspólnym wierzchołkiem. Z takiej konstrukcji cząsteczki widać, że te czworościany mogą obracać się wokół własnej osi i swobodnie zmieniać położenie. Jeśli rozważymy ten system na przykładzie cząsteczki etanu, węgle w szkielecie rzeczywiście mogą się obracać. Jednak z dwóch charakterystycznych pozycji preferowana jest ta energetycznie korzystna, gdy wodory w rzucie Newmana nie nakładają się.
Struktura przestrzenna cząsteczki etylenu jest przykładem trzeciego wariantu tworzenia wiązań C-C, gdy dwie czworościany mają jedną wspólną powierzchnię, tj. przecinają się w dwóch sąsiednich wierzchołkach. Staje się jasne, że ze względu na takie stereometryczne położenie cząsteczki, ruch atomów węgla względem jej osi jest utrudniony, ponieważ wymaga zerwania jednego z linków. Z drugiej strony możliwe staje się tworzenie cis- i trans-izomerów substancji, ponieważ dwa wolne rodniki z każdego węgla mogą być lustrzane lub skrzyżowane.
Cis- i transpozycja cząsteczki wyjaśnia istnienie fumaru i maleinukwasy. Pomiędzy atomami węgla w tych cząsteczkach powstają dwa wiązania, a każda z nich ma jeden atom wodoru i grupę COOH.
Ostatni przypadek, który charakteryzuje przestrzenną strukturę cząsteczek, może być reprezentowany przez dwie piramidy, które mają jedną wspólną powierzchnię i są połączone trzema wierzchołkami. Przykładem jest cząsteczka acetylenu.
Po pierwsze, takie cząsteczki nie zawierają izomerów cis ani trans. Po drugie, atomy węgla nie są w stanie obracać się wokół własnej osi. Po trzecie, wszystkie atomy i ich rodniki znajdują się na tej samej osi, a kąt wiązania wynosi 180 stopni.
Oczywiście opisane przypadki można zastosować do substancji, których szkielet zawiera więcej niż dwa atomy wodoru. Zachowana zostaje zasada budowy stereometrycznej takich cząsteczek.
Struktura przestrzenna cząsteczek substancji nieorganicznych
Tworzenie wiązań kowalencyjnych w związkach nieorganicznych jest podobne w mechanizmie jak w przypadku substancji organicznych. Aby utworzyć wiązanie, konieczne jest posiadanie niedzielonych par elektronów w dwóch atomach, które tworzą wspólną chmurę elektronów.
Nakładanie się orbitali podczas tworzenia wiązania kowalencyjnego następuje wzdłuż jednej linii jąder atomowych. Jeśli atom tworzy dwa lub więcej wiązań, to odległość między nimi charakteryzuje się wartością kąta wiązania.
Jeśli weźmiemy pod uwagę cząsteczkę wody, która składa się z jednego atomu tlenu i dwóch atomów wodoru, kąt wiązania powinien idealnie wynosić 90 stopni. Jednakżebadania eksperymentalne wykazały, że wartość ta wynosi 104,5 stopnia. Przestrzenna struktura cząsteczek różni się od przewidywanej teoretycznie ze względu na występowanie sił interakcji między atomami wodoru. Odpychają się nawzajem, zwiększając w ten sposób kąt wiązania między nimi.
Sp-hybrydyzacja
Hybrydyzacja to teoria powstawania identycznych orbitali hybrydowych cząsteczki. Zjawisko to występuje z powodu obecności niewspólnych par elektronów na różnych poziomach energii w centralnym atomie.
Rozważmy na przykład tworzenie wiązań kowalencyjnych w cząsteczce BeCl2. Beryl ma niedzielone pary elektronowe na poziomach s i p, co teoretycznie powinno spowodować powstanie nierównej cząsteczki narożnej. Jednak w praktyce są one liniowe, a kąt wiązania wynosi 180 stopni.
Sp-hybrydyzacja jest stosowana do tworzenia dwóch wiązań kowalencyjnych. Istnieją jednak inne rodzaje formowania orbitali hybrydowych.
Hybrydyzacja Sp2
Ten typ hybrydyzacji odpowiada za przestrzenną strukturę cząsteczek z trzema wiązaniami kowalencyjnymi. Przykładem jest cząsteczka BCl3. Centralny atom baru ma trzy niepodzielne pary elektronów: dwie na poziomie p i jedną na poziomie s.
Trzy wiązania kowalencyjne tworzą cząsteczkę, która znajduje się w tej samej płaszczyźnie, a jej kąt wiązania wynosi 120 stopni.
Hybrydyzacja Sp3
Kolejna opcja tworzenia orbitali hybrydowych, gdy centralny atom ma 4 niedzielone pary elektronów: 3 na poziomie p i 1 na poziomie s. Przykładem takiej substancji jest metan. Przestrzenna struktura cząsteczek metanu to czworokąt, którego kąt walencyjny wynosi 109,5 stopnia. Zmianę kąta charakteryzuje wzajemne oddziaływanie atomów wodoru.
