Epäorgaanisten ja orgaanisten aineiden molekyylien tilarakenteella on suuri merkitys kuvattaessa niiden kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia. Jos tarkastellaan ainetta kirjaimien ja numeroiden joukkona paperilla, ei aina ole mahdollista tehdä oikeita johtopäätöksiä. Monien ilmiöiden, erityisesti orgaaniseen kemiaan liittyvien ilmiöiden kuvaamiseksi on välttämätöntä tuntea molekyylin stereometrinen rakenne.
Mikä on stereometria
Stereometria on kemian haara, joka selittää aineen molekyylien ominaisuuksia sen rakenteen perusteella. Lisäksi molekyylien avaruudellisella esityksellä on tässä tärkeä rooli, koska se on avain moniin bioorgaanisiin ilmiöihin.
Stereometria on joukko perussääntöjä, joiden mukaan lähes mikä tahansa molekyyli voidaan esittää tilavuusmuodossa. Tavalliselle paperille kirjoitetun bruttokaavan haittana on, että se ei pysty paljastamaan tutkittavan aineen täydellistä luetteloa ominaisuuksista.
Esimerkki olisi fumaarihappo, joka kuuluu kaksiemäksiseen luokkaan. Se liukenee huonosti veteen,myrkyllisiä ja niitä löytyy luonnosta. Kuitenkin, jos muutat COOH-ryhmien tilajärjestelyä, voit saada täysin erilaisen aineen - maleiinihapon. Se liukenee hyvin veteen, sitä voidaan saada vain keinotekoisesti, ja se on myrkyllisten ominaisuuksiensa vuoksi vaarallinen ihmisille.
Vant Hoffin stereokemiallinen teoria
1800-luvulla M. Butlerovin ajatukset minkään molekyylin litteästä rakenteesta eivät pystyneet selittämään monia aineiden, erityisesti orgaanisten aineiden, ominaisuuksia. Tämä antoi van't Hoffille sysäyksen kirjoittaa teoksen "Chemistry in Space", jossa hän täydensi M. Butlerovin teoriaa tämän alan tutkimuksellaan. Hän esitteli käsitteen molekyylien tilarakenteesta ja selitti myös löytönsä tärkeyden kemian tieteelle.
Siksi todistettiin kolmentyyppisen maitohapon olemassaolo: liha-maitohappo, oikealle kiertävä ja fermentoitu maitohappo. Paperilla jokaiselle näistä aineista rakennekaava on sama, mutta molekyylien spatiaalinen rakenne selittää tämän ilmiön.
Van't Hoffin stereokemiallisen teorian tulos oli todiste siitä, että hiiliatomi ei ole litteä, koska sen neljä valenssisidosta kohtaavat kuvitteellisen tetraedrin kärjet.
Orgaanisten molekyylien pyramidaalinen tilarakenne
Van't Hoffin ja hänen tutkimuksensa löydösten perusteella jokainen orgaanisen aineen rungon hiili voidaan esittää tetraedrina. Näin meillävoimme tarkastella 4 mahdollista tapausta C-C-sidosten muodostumisesta ja selittää tällaisten molekyylien rakenteen.
Ensimmäinen tapaus on, kun molekyyli on yksi hiiliatomi, joka muodostaa 4 sidosta vetyprotonien kanssa. Metaanimolekyylien tilarakenne toistaa lähes täysin tetraedrin ääriviivat, mutta sidoskulma muuttuu hieman vetyatomien vuorovaikutuksen vuoksi.
Yhden kemiallisen C-C-sidoksen muodostuminen voidaan esittää kahtena pyramidina, jotka on yhdistetty toisiinsa yhteisellä kärjellä. Tällaisesta molekyylin rakenteesta voidaan nähdä, että nämä tetraedrit voivat pyöriä akselinsa ympäri ja vaihtaa vapaasti paikkaa. Jos tarkastelemme tätä järjestelmää käyttämällä etaanimolekyylin esimerkkiä, luurangon hiilet pystyvät todellakin pyörimään. Kuitenkin kahdesta tunnusomaisesta paikasta etusija annetaan energeettisesti edulliselle, kun vedyt Newman-projektiossa eivät mene päällekkäin.
Eteenimolekyylin avaruudellinen rakenne on esimerkki C-C-sidosten muodostumisen kolmannesta variantista, kun kahdella tetraedrillä on yksi yhteinen pinta, ts. leikkaavat kaksi vierekkäistä kärkeä. On selvää, että molekyylin stereometrisen sijainnin vuoksi hiiliatomien liikkuminen sen akselin suhteen on vaikeaa, koska edellyttää yhden linkin rikkomista. Toisa alta aineiden cis- ja trans-isomeerien muodostuminen tulee mahdolliseksi, koska kaksi vapaata radikaalia kustakin hiilestä voivat olla joko peilattuja tai ristikkäisiä.
Cis- ja molekyylin transpositio selittää fumaari- ja maleiinihappojen olemassaolonhapot. Näiden molekyylien hiiliatomien välille muodostuu kaksi sidosta, ja jokaisessa niistä on yksi vetyatomi ja COOH-ryhmä.
Viimeinen tapaus, joka kuvaa molekyylien spatiaalista rakennetta, voidaan esittää kahdella pyramidilla, joilla on yksi yhteinen pinta ja joita yhdistää kolme kärkeä. Esimerkki on asetyleenimolekyyli.
Ensinnäkin sellaisissa molekyyleissä ei ole cis- tai trans-isomeerejä. Toiseksi hiiliatomit eivät pysty pyörimään akselinsa ympäri. Ja kolmanneksi, kaikki atomit ja niiden radikaalit sijaitsevat samalla akselilla, ja sidoskulma on 180 astetta.
Tietenkin kuvattuja tapauksia voidaan soveltaa aineisiin, joiden luuranko sisältää enemmän kuin kaksi vetyatomia. Tällaisten molekyylien stereometrisen rakentamisen periaate säilyy.
Epäorgaanisten aineiden molekyylien tilarakenne
Kovalenttisten sidosten muodostuminen epäorgaanisissa yhdisteissä on mekanismiltaan samanlainen kuin orgaanisten aineiden. Sidoksen muodostamiseksi tarvitaan jakamattomia elektronipareja kahdessa atomissa, jotka muodostavat yhteisen elektronipilven.
Orbitaalien päällekkäisyys kovalenttisen sidoksen muodostumisen aikana tapahtuu yhtä atomiydinlinjaa pitkin. Jos atomi muodostaa kaksi tai useampia sidoksia, niin niiden välistä etäisyyttä kuvaa sidoskulman arvo.
Jos tarkastelemme vesimolekyyliä, jonka muodostaa yksi happiatomi ja kaksi vetyatomia, sidoskulman tulisi ihanteellisesti olla 90 astetta. kuitenkinkokeelliset tutkimukset ovat osoittaneet, että tämä arvo on 104,5 astetta. Molekyylien avaruudellinen rakenne eroaa teoreettisesti ennustetusta vetyatomien välisten vuorovaikutusvoimien vuoksi. Ne hylkivät toisiaan, mikä lisää niiden välistä sidoskulmaa.
Sp-hybridisaatio
Hybridisaatio on teoria molekyylin identtisten hybridiorbitaalien muodostumisesta. Tämä ilmiö johtuu jakamattomien elektroniparien läsnäolosta eri energiatasoilla keskusatomissa.
Otetaan esimerkiksi kovalenttisten sidosten muodostuminen BeCl2-molekyyliin. Berylliumissa on jakamattomia elektronipareja s- ja p-tasoilla, minkä pitäisi teoriassa aiheuttaa epätasaisen kulmamolekyylin muodostumisen. Käytännössä ne ovat kuitenkin lineaarisia ja sidoskulma on 180 astetta.
Sp-hybridisaatiota käytetään kahden kovalenttisen sidoksen muodostamisessa. Hybridiorbitaalien muodostumista on kuitenkin muitakin muotoja.
Sp2-hybridisaatio
Tämäntyyppinen hybridisaatio on vastuussa molekyylien tilarakenteesta, joissa on kolme kovalenttista sidosta. Esimerkki on BCl3-molekyyli. Keskibariumatomissa on kolme jakamatonta elektroniparia: kaksi p-tasolla ja yksi s-tasolla.
Kolme kovalenttista sidosta muodostavat molekyylin, joka sijaitsee samassa tasossa ja sen sidoskulma on 120 astetta.
Sp3-hybridisaatio
Toinen vaihtoehto hybridiorbitaalien muodostamiseen, kun keskusatomilla on 4 jakamatonta elektroniparia: 3 p-tasolla ja 1 s-tasolla. Esimerkki tällaisesta aineesta on metaani. Metaanimolekyylien avaruudellinen rakenne on tetraerdi, jonka valenssikulma on 109,5 astetta. Kulman muutokselle on ominaista vetyatomien vuorovaikutus keskenään.
