Structura spațială a moleculelor de substanțe anorganice și organice este de mare importanță în descrierea proprietăților lor chimice și fizice. Dacă considerăm o substanță ca un set de litere și cifre pe hârtie, nu este întotdeauna posibil să ajungem la concluziile corecte. Pentru a descrie multe fenomene, în special cele legate de chimia organică, este necesar să se cunoască structura stereometrică a moleculei.
Ce este stereometria
Stereometria este o ramură a chimiei care explică proprietățile moleculelor unei substanțe pe baza structurii acesteia. Mai mult, reprezentarea spațială a moleculelor joacă aici un rol important, deoarece este cheia multor fenomene bioorganice.
Stereometria este un set de reguli de bază prin care aproape orice moleculă poate fi reprezentată în formă volumetrică. Dezavantajul formulei brute scrise pe o bucată obișnuită de hârtie este incapacitatea acesteia de a dezvălui lista completă a proprietăților substanței studiate.
Un exemplu ar fi acidul fumaric, care aparține clasei dibazice. Este slab solubil în apă,otrăvitoare și pot fi găsite în natură. Cu toate acestea, dacă modificați aranjarea spațială a grupurilor COOH, puteți obține o substanță complet diferită - acidul maleic. Este foarte solubil în apă, poate fi obținut numai artificial și este periculos pentru oameni datorită proprietăților sale toxice.
Teoria stereochimică a lui Vant Hoff
În secolul al XIX-lea, ideile lui M. Butlerov despre structura plană a oricărei molecule nu puteau explica multe proprietăți ale substanțelor, în special ale organicelor. Acesta a fost imboldul lui van't Hoff de a scrie lucrarea „Chimie în spațiu”, în care a completat teoria lui M. Butlerov cu cercetările sale în acest domeniu. El a introdus conceptul de structura spațială a moleculelor și a explicat, de asemenea, importanța descoperirii sale pentru știința chimică.
Astfel, s-a dovedit existența a trei tipuri de acid lactic: acid lactic carne, acid lactic dextrogitor și acid lactic fermentat. Pe o bucată de hârtie pentru fiecare dintre aceste substanțe, formula structurală va fi aceeași, dar structura spațială a moleculelor explică acest fenomen.
Rezultatul teoriei stereochimice a lui Van't Hoff a fost dovada faptului că atomul de carbon nu este plat, deoarece cele patru legături ale sale de valență se confruntă cu vârfurile unui tetraedru imaginar.
Structura spațială piramidală a moleculelor organice
Pe baza descoperirilor lui van't Hoff și a cercetărilor sale, fiecare carbon din scheletul materiei organice poate fi reprezentat ca un tetraedru. Așa noiputem lua în considerare 4 cazuri posibile de formare a legăturilor C-C și putem explica structura unor astfel de molecule.
Primul caz este atunci când molecula este un singur atom de carbon care formează 4 legături cu protonii de hidrogen. Structura spațială a moleculelor de metan repetă aproape complet contururile unui tetraedru, cu toate acestea, unghiul de legătură este ușor modificat din cauza interacțiunii atomilor de hidrogen.
Formarea unei legături chimice C-C poate fi reprezentată ca două piramide, care sunt interconectate printr-un vârf comun. Dintr-o astfel de construcție a moleculei, se poate observa că aceste tetraedre se pot roti în jurul axei lor și își pot schimba liber poziția. Dacă luăm în considerare acest sistem folosind exemplul unei molecule de etan, carbonii din schelet sunt într-adevăr capabili să se rotească. Totuși, dintre cele două poziții caracteristice, se preferă cea favorabilă energetic, când hidrogenii din proiecția Newman nu se suprapun.
Structura spațială a moleculei de etilenă este un exemplu de a treia variantă de formare a legăturilor C-C, când două tetraedre au o față comună, adică. se intersectează la două vârfuri adiacente. Devine clar că, din cauza unei astfel de poziții stereometrice a moleculei, mișcarea atomilor de carbon față de axa acesteia este dificilă, deoarece necesită ruperea uneia dintre legături. Pe de altă parte, formarea de izomeri cis și trans ai substanțelor devine posibilă, deoarece doi radicali liberi din fiecare carbon pot fi fie oglindiți, fie încrucișați.
Cis- și transpunerea moleculei explică existența fumaric și maleicacizi. Între atomii de carbon din aceste molecule se formează două legături și fiecare dintre ele are un atom de hidrogen și o grupare COOH.
Ultimul caz, care caracterizează structura spațială a moleculelor, poate fi reprezentat prin două piramide care au o singură față comună și sunt interconectate prin trei vârfuri. Un exemplu este molecula de acetilenă.
În primul rând, astfel de molecule nu au izomeri cis sau trans. În al doilea rând, atomii de carbon nu sunt capabili să se rotească în jurul axei lor. Și în al treilea rând, toți atomii și radicalii lor sunt localizați pe aceeași axă, iar unghiul de legătură este de 180 de grade.
Desigur, cazurile descrise pot fi aplicate substanțelor al căror schelet conține mai mult de doi atomi de hidrogen. Se păstrează principiul construcției stereometrice a unor astfel de molecule.
Structura spațială a moleculelor de substanțe anorganice
Formarea legăturilor covalente în compușii anorganici este similar ca mecanism cu cel al substanțelor organice. Pentru a forma o legătură, este necesar să existe perechi de electroni neîmpărțiți în doi atomi, care formează un nor de electroni comun.
Suprapunerea orbitalilor în timpul formării unei legături covalente are loc de-a lungul unei linii de nuclee atomice. Dacă un atom formează două sau mai multe legături, atunci distanța dintre ele este caracterizată de valoarea unghiului de legătură.
Dacă luăm în considerare o moleculă de apă, care este formată dintr-un atom de oxigen și doi atomi de hidrogen, unghiul de legătură ar trebui să fie în mod ideal de 90 de grade. in orice cazstudiile experimentale au arătat că această valoare este de 104,5 grade. Structura spațială a moleculelor diferă de cea prezisă teoretic datorită prezenței forțelor de interacțiune între atomii de hidrogen. Se resping reciproc, crescând astfel unghiul de legătură dintre ele.
Sp-hibridare
Hibridizarea este teoria formării de orbitali hibrizi identici ai unei molecule. Acest fenomen are loc din cauza prezenței perechilor de electroni neîmpărțiți la diferite niveluri de energie în atomul central.
De exemplu, luați în considerare formarea de legături covalente în molecula BeCl2. Beriliul are perechi de electroni neîmpărțiți la nivelurile s și p, care, în teorie, ar trebui să provoace formarea unei molecule de colț neuniforme. Cu toate acestea, în practică, acestea sunt liniare și unghiul de legătură este de 180 de grade.
Sp-hibridarea este utilizată în formarea a două legături covalente. Cu toate acestea, există și alte tipuri de formare de orbitali hibrizi.
Hbridizare Sp2
Acest tip de hibridizare este responsabil pentru structura spațială a moleculelor cu trei legături covalente. Un exemplu este molecula BCl3. Atomul central de bariu are trei perechi de electroni neîmpărțiți: două la nivelul p și una la nivelul s.
Trei legături covalente formează o moleculă care este situată în același plan, iar unghiul său de legătură este de 120 de grade.
Hbridizare Sp3
O altă opțiune pentru formarea de orbitali hibrizi, când atomul central are 4 perechi de electroni neîmpărțiți: 3 la nivelul p și 1 la nivelul s. Un exemplu de astfel de substanță este metanul. Structura spațială a moleculelor de metan este un tetraerd, unghiul de valență în care este de 109,5 grade. Modificarea unghiului este caracterizată prin interacțiunea atomilor de hidrogen între ei.
