Den romlige strukturen til molekylene av uorganiske og organiske stoffer er av stor betydning for å beskrive deres kjemiske og fysiske egenskaper. Hvis vi betrakter et stoff som et sett med bokstaver og tall på papir, er det ikke alltid mulig å komme til de riktige konklusjonene. For å beskrive mange fenomener, spesielt de som er relatert til organisk kjemi, er det nødvendig å kjenne den stereometriske strukturen til molekylet.
Hva er stereometri
Stereometri er en gren av kjemien som forklarer egenskapene til molekylene til et stoff basert på strukturen. Dessuten spiller den romlige representasjonen av molekyler en viktig rolle her, siden det er nøkkelen til mange bioorganiske fenomener.
Stereometri er et sett med grunnleggende regler der nesten ethvert molekyl kan representeres i volumetrisk form. Ulempen med bruttoformelen skrevet på et vanlig stykke papir er dens manglende evne til å avsløre hele listen over egenskaper til stoffet som studeres.
Et eksempel kan være fumarsyre, som tilhører den dibasiske klassen. Det er dårlig løselig i vann,giftig og kan finnes i naturen. Men hvis du endrer det romlige arrangementet av COOH-grupper, kan du få et helt annet stoff - maleinsyre. Det er svært løselig i vann, kan kun oppnås kunstig og er farlig for mennesker på grunn av dets giftige egenskaper.
Vant Hoffs stereokjemiske teori
På 1800-tallet kunne ikke M. Butlerovs ideer om den flate strukturen til ethvert molekyl forklare mange egenskaper til stoffer, spesielt organiske. Dette var drivkraften for van't Hoff til å skrive verket "Chemistry in Space", der han supplerte teorien til M. Butlerov med sin forskning på dette området. Han introduserte konseptet med den romlige strukturen til molekyler, og forklarte også viktigheten av oppdagelsen hans for kjemisk vitenskap.
Dermed ble eksistensen av tre typer melkesyre bevist: kjøtt-melkesyre, høyredreiende og fermentert melkesyre. På et stykke papir for hvert av disse stoffene vil strukturformelen være den samme, men den romlige strukturen til molekylene forklarer dette fenomenet.
Resultatet av Van't Hoffs stereokjemiske teori var beviset på at karbonatomet ikke er flatt, fordi dens fire valensbindinger vender mot toppene til et imaginært tetraeder.
Pyramidal romlig struktur av organiske molekyler
Basert på funnene til van't Hoff og hans forskning, kan hvert karbon i skjelettet av organisk materiale representeres som et tetraeder. Det er slik vivi kan vurdere 4 mulige tilfeller av dannelse av C-C-bindinger og forklare strukturen til slike molekyler.
Det første tilfellet er når molekylet er et enkelt karbonatom som danner 4 bindinger med hydrogenprotoner. Den romlige strukturen til metanmolekyler gjentar nesten fullstendig konturene til et tetraeder, men bindingsvinkelen er litt endret på grunn av samspillet mellom hydrogenatomer.
Dannelsen av én kjemisk C-C-binding kan representeres som to pyramider, som er forbundet med et felles toppunkt. Fra en slik konstruksjon av molekylet kan man se at disse tetraedrene kan rotere rundt sin akse og fritt endre posisjon. Hvis vi vurderer dette systemet ved å bruke eksemplet med et etanmolekyl, er karbonene i skjelettet faktisk i stand til å rotere. Av de to karakteristiske posisjonene foretrekkes imidlertid den energetisk gunstige, når hydrogenene i Newman-projeksjonen ikke overlapper hverandre.
Den romlige strukturen til etylenmolekylet er et eksempel på den tredje varianten av dannelsen av C-C-bindinger, når to tetraedre har ett felles ansikt, dvs. skjærer hverandre ved to tilstøtende hjørner. Det blir klart at på grunn av en slik stereometrisk plassering av molekylet, er bevegelsen av karbonatomer i forhold til dens akse vanskelig, fordi krever brudd på en av koblingene. På den annen side blir dannelsen av cis- og trans-isomerer av stoffer mulig, siden to frie radikaler fra hvert karbon kan enten speiles eller krysses.
Cis- og transponering av molekylet forklarer eksistensen av fumarsyre og maleinsyresyrer. Det dannes to bindinger mellom karbonatomene i disse molekylene, og hver av dem har ett hydrogenatom og en COOH-gruppe.
Det siste tilfellet, som karakteriserer den romlige strukturen til molekyler, kan representeres av to pyramider som har ett felles ansikt og er forbundet med tre hjørner. Et eksempel er acetylenmolekylet.
For det første har ikke slike molekyler cis- eller trans-isomerer. For det andre er ikke karbonatomer i stand til å rotere rundt sin akse. Og for det tredje er alle atomer og deres radikaler plassert på samme akse, og bindingsvinkelen er 180 grader.
Selvfølgelig kan de beskrevne tilfellene brukes på stoffer hvis skjelett inneholder mer enn to hydrogenatomer. Prinsippet om stereometrisk konstruksjon av slike molekyler beholdes.
Rolig struktur av molekyler av uorganiske stoffer
Dannelsen av kovalente bindinger i uorganiske forbindelser er lik mekanismen til organiske stoffer. For å danne en binding er det nødvendig å ha udelte elektronpar i to atomer, som danner en felles elektronsky.
Overlappingen av orbitaler under dannelsen av en kovalent binding skjer langs en linje med atomkjerner. Hvis et atom danner to eller flere bindinger, er avstanden mellom dem karakterisert av verdien av bindingsvinkelen.
Hvis vi vurderer et vannmolekyl, som er dannet av ett oksygenatom og to hydrogenatomer, bør bindingsvinkelen ideelt sett være 90 grader. derimoteksperimentelle studier har vist at denne verdien er 104,5 grader. Den romlige strukturen til molekyler skiller seg fra den teoretisk forutsagte på grunn av tilstedeværelsen av interaksjonskrefter mellom hydrogenatomer. De frastøter hverandre, og øker dermed bindingsvinkelen mellom dem.
Sp-hybridization
Hybridisering er teorien om dannelsen av identiske hybridorbitaler til et molekyl. Dette fenomenet oppstår på grunn av tilstedeværelsen av ikke-delte elektronpar ved forskjellige energinivåer i det sentrale atomet.
Vurder for eksempel dannelsen av kovalente bindinger i BeCl2-molekylet. Beryllium har udelte elektronpar på s- og p-nivåene, som i teorien skulle forårsake dannelsen av et ujevnt hjørnemolekyl. Men i praksis er de lineære og bindingsvinkelen er 180 grader.
Sp-hybridisering brukes i dannelsen av to kovalente bindinger. Det finnes imidlertid andre typer dannelse av hybridorbitaler.
Sp2-hybridisering
Denne typen hybridisering er ansvarlig for den romlige strukturen til molekyler med tre kovalente bindinger. Et eksempel er BCl3-molekylet. Det sentrale bariumatomet har tre udelte elektronpar: to på p-nivå og ett på s-nivå.
Tre kovalente bindinger danner et molekyl som befinner seg i samme plan, og bindingsvinkelen er 120 grader.
Sp3-hybridisering
Et annet alternativ for dannelse av hybridorbitaler, når sentralatomet har 4 udelte elektronpar: 3 på p-nivå og 1 på s-nivå. Et eksempel på et slikt stoff er metan. Den romlige strukturen til metanmolekyler er en tetraerd, hvor valensvinkelen er 109,5 grader. Endringen i vinkelen er preget av vekselvirkningen av hydrogenatomer med hverandre.
