Den rumsliga strukturen hos molekylerna av oorganiska och organiska ämnen är av stor betydelse för att beskriva deras kemiska och fysikaliska egenskaper. Om vi betraktar ett ämne som en uppsättning bokstäver och siffror på papper är det inte alltid möjligt att komma till rätt slutsatser. För att beskriva många fenomen, särskilt de som är relaterade till organisk kemi, är det nödvändigt att känna till molekylens stereometriska struktur.
Vad är stereometri
Stereometri är en gren av kemin som förklarar egenskaperna hos ett ämnes molekyler baserat på dess struktur. Dessutom spelar den rumsliga representationen av molekyler en viktig roll här, eftersom det är nyckeln till många bioorganiska fenomen.
Stereometri är en uppsättning grundläggande regler genom vilka nästan vilken molekyl som helst kan representeras i volymetrisk form. Nackdelen med den grova formeln skriven på ett vanligt papper är dess oförmåga att avslöja hela listan över egenskaper hos ämnet som studeras.
Ett exempel skulle vara fumarsyra, som tillhör den dibasiska klassen. Det är dåligt lösligt i vatten,giftig och kan finnas i naturen. Men om du ändrar det rumsliga arrangemanget av COOH-grupper kan du få ett helt annat ämne - maleinsyra. Det är mycket lösligt i vatten, kan endast erhållas på konstgjord väg och är farligt för människor på grund av dess giftiga egenskaper.
Vant Hoffs stereokemiska teori
På 1800-talet kunde M. Butlerovs idéer om den platta strukturen hos någon molekyl inte förklara många egenskaper hos ämnen, särskilt organiska. Detta var drivkraften för van't Hoff att skriva verket "Kemi i rymden", där han kompletterade M. Butlerovs teori med sin forskning inom detta område. Han introducerade begreppet molekylers rumsliga struktur och förklarade också betydelsen av hans upptäckt för kemivetenskapen.
Därmed bevisades förekomsten av tre typer av mjölksyra: kött-mjölksyra, högervridande och fermenterad mjölksyra. På ett papper för vart och ett av dessa ämnen kommer strukturformeln att vara densamma, men molekylernas rumsliga struktur förklarar detta fenomen.
Resultatet av Van't Hoffs stereokemiska teori var beviset på det faktum att kolatomen inte är platt, eftersom dess fyra valensbindningar är vända mot toppen av en imaginär tetraeder.
Pyramidal rumslig struktur för organiska molekyler
Baserat på resultaten av van't Hoff och hans forskning kan varje kol i skelettet av organiskt material representeras som en tetraeder. Det är så vivi kan överväga 4 möjliga fall av bildning av C-C-bindningar och förklara strukturen hos sådana molekyler.
Det första fallet är när molekylen är en enda kolatom som bildar 4 bindningar med väteprotoner. Den rumsliga strukturen hos metanmolekyler upprepar nästan helt konturerna av en tetraeder, men bindningsvinkeln ändras något på grund av väteatomernas interaktion.
Bildandet av en kemisk C-C-bindning kan representeras som två pyramider, som är sammankopplade av en gemensam vertex. Från en sådan konstruktion av molekylen kan man se att dessa tetraedrar kan rotera runt sin axel och fritt ändra position. Om vi betraktar detta system med exemplet med en etanmolekyl, kan kolen i skelettet verkligen rotera. Emellertid, av de två karakteristiska positionerna, föredras den energimässigt gynnsamma, när vätena i Newman-projektionen inte överlappar varandra.
Etenmolekylens rumsliga struktur är ett exempel på den tredje varianten av bildandet av C-C-bindningar, när två tetraedrar har en gemensam yta, d.v.s. skär varandra vid två angränsande hörn. Det blir tydligt att på grund av en sådan stereometrisk position av molekylen är rörelsen av kolatomer i förhållande till dess axel svår, eftersom kräver att en av länkarna bryts. Å andra sidan blir bildningen av cis- och trans-isomerer av ämnen möjlig, eftersom två fria radikaler från varje kol kan antingen speglas eller kors och tvärs.
Cis- och transponering av molekylen förklarar förekomsten av fumarsyra och maleinsyrasyror. Två bindningar bildas mellan kolatomerna i dessa molekyler, och var och en av dem har en väteatom och en COOH-grupp.
Det sista fallet, som kännetecknar molekylers rumsliga struktur, kan representeras av två pyramider som har en gemensam yta och är sammankopplade av tre hörn. Ett exempel är acetylenmolekylen.
För det första har sådana molekyler inte cis- eller transisomerer. För det andra kan kolatomer inte rotera runt sin axel. Och för det tredje är alla atomer och deras radikaler placerade på samma axel, och bindningsvinkeln är 180 grader.
Naturligtvis kan de beskrivna fallen tillämpas på ämnen vars skelett innehåller mer än två väteatomer. Principen för stereometrisk konstruktion av sådana molekyler bibehålls.
Spatial struktur av molekyler av oorganiska ämnen
Bildandet av kovalenta bindningar i oorganiska föreningar liknar mekanismen för organiska ämnen. För att bilda en bindning är det nödvändigt att ha odelade elektronpar i två atomer, som bildar ett gemensamt elektronmoln.
Överlappningen av orbitaler under bildandet av en kovalent bindning sker längs en linje av atomkärnor. Om en atom bildar två eller flera bindningar, kännetecknas avståndet mellan dem av värdet på bindningsvinkeln.
Om vi betraktar en vattenmolekyl, som bildas av en syreatom och två väteatomer, bör bindningsvinkeln helst vara 90 grader. dockexperimentella studier har visat att detta värde är 104,5 grader. Molekylernas rumsliga struktur skiljer sig från den teoretiskt förutspådda på grund av närvaron av interaktionskrafter mellan väteatomer. De stöter bort varandra och ökar därmed bindningsvinkeln mellan dem.
Sp-hybridization
Hybridisering är teorin om bildandet av identiska hybridorbitaler av en molekyl. Detta fenomen uppstår på grund av närvaron av odelade elektronpar vid olika energinivåer i den centrala atomen.
Tänk till exempel på bildandet av kovalenta bindningar i BeCl2-molekylen. Beryllium har odelade elektronpar på s- och p-nivåerna, vilket i teorin borde orsaka bildandet av en ojämn hörnmolekyl. Men i praktiken är de linjära och bindningsvinkeln är 180 grader.
Sp-hybridisering används vid bildandet av två kovalenta bindningar. Det finns dock andra typer av bildning av hybridorbitaler.
Sp2-hybridisering
Denna typ av hybridisering är ansvarig för den rumsliga strukturen hos molekyler med tre kovalenta bindningar. Ett exempel är BCl3-molekylen. Den centrala bariumatomen har tre odelade elektronpar: två på p-nivån och ett på s-nivån.
Tre kovalenta bindningar bildar en molekyl som är belägen i samma plan, och dess bindningsvinkel är 120 grader.
Sp3-hybridisering
Ett annat alternativ för bildning av hybridorbitaler, när den centrala atomen har 4 odelade elektronpar: 3 på p-nivån och 1 på s-nivån. Ett exempel på ett sådant ämne är metan. Den rumsliga strukturen hos metanmolekyler är en tetraerd, vars valensvinkel är 109,5 grader. Förändringen i vinkeln kännetecknas av väteatomers interaktion med varandra.
