Den rumlige struktur af molekylerne af uorganiske og organiske stoffer er af stor betydning for beskrivelsen af deres kemiske og fysiske egenskaber. Hvis vi betragter et stof som et sæt bogstaver og tal på papir, er det ikke altid muligt at komme til de rigtige konklusioner. For at beskrive mange fænomener, især dem der er relateret til organisk kemi, er det nødvendigt at kende den stereometriske struktur af molekylet.
Hvad er stereometri
Stereometri er en gren af kemi, der forklarer egenskaberne af et stofs molekyler baseret på dets struktur. Desuden spiller den rumlige repræsentation af molekyler en vigtig rolle her, siden det er nøglen til mange bioorganiske fænomener.
Stereometri er et sæt grundlæggende regler, hvorved næsten ethvert molekyle kan repræsenteres i volumetrisk form. Ulempen ved bruttoformlen skrevet på et almindeligt stykke papir er dens manglende evne til at afsløre den fulde liste over egenskaber ved det undersøgte stof.
Et eksempel ville være fumarsyre, som tilhører den dibasiske klasse. Det er dårligt opløseligt i vand,giftig og kan findes i naturen. Men ændrer man den rumlige opstilling af COOH-grupper, kan man få et helt andet stof - maleinsyre. Det er meget opløseligt i vand, kan kun opnås kunstigt og er farligt for mennesker på grund af dets giftige egenskaber.
Vant Hoffs stereokemiske teori
I det 19. århundrede kunne M. Butlerovs ideer om den flade struktur af ethvert molekyle ikke forklare mange egenskaber ved stoffer, især organiske. Dette var drivkraften for van't Hoff til at skrive værket "Chemistry in Space", hvori han supplerede M. Butlerovs teori med sin forskning på dette område. Han introducerede begrebet molekylers rumlige struktur og forklarede også vigtigheden af hans opdagelse for kemisk videnskab.
Således blev eksistensen af tre typer mælkesyre bevist: kød-mælkesyre, højredrejende og fermenteret mælkesyre. På et stykke papir for hvert af disse stoffer vil strukturformlen være den samme, men molekylernes rumlige struktur forklarer dette fænomen.
Resultatet af Van't Hoffs stereokemiske teori var beviset på, at carbonatomet ikke er fladt, fordi dens fire valensbindinger vender mod hjørnerne af et imaginært tetraeder.
Pyramidal rumlig struktur af organiske molekyler
Baseret på resultaterne af van't Hoff og hans forskning kan hvert kulstof i skelettet af organisk stof repræsenteres som et tetraeder. Sådan er vivi kan overveje 4 mulige tilfælde af dannelsen af C-C-bindinger og forklare strukturen af sådanne molekyler.
Det første tilfælde er, når molekylet er et enkelt carbonatom, der danner 4 bindinger med brintprotoner. Den rumlige struktur af metanmolekyler gentager næsten fuldstændig konturerne af et tetraeder, dog er bindingsvinklen en smule ændret på grund af vekselvirkningen mellem hydrogenatomer.
Dannelsen af en kemisk C-C-binding kan repræsenteres som to pyramider, som er forbundet med et fælles toppunkt. Ud fra en sådan konstruktion af molekylet kan det ses, at disse tetraedre kan rotere rundt om deres akse og frit skifte position. Hvis vi betragter dette system ved at bruge eksemplet med et ethanmolekyle, er carbonerne i skelettet faktisk i stand til at rotere. Men af de to karakteristiske positioner foretrækkes den energetisk gunstige, når hydrogenerne i Newman-projektionen ikke overlapper hinanden.
Ethylenmolekylets rumlige struktur er et eksempel på den tredje variant af dannelsen af C-C-bindinger, når to tetraedre har én fælles flade, dvs. skærer hinanden ved to tilstødende hjørner. Det bliver klart, at på grund af en sådan stereometrisk position af molekylet er bevægelsen af carbonatomer i forhold til dets akse vanskelig, fordi kræver at et af linkene brydes. På den anden side bliver dannelsen af cis- og trans-isomerer af stoffer mulig, da to frie radikaler fra hvert kulstof kan enten spejles eller krydses.
Cis- og transponering af molekylet forklarer eksistensen af fumarsyre og maleinsyresyrer. Der dannes to bindinger mellem carbonatomerne i disse molekyler, og hver af dem har et brintatom og en COOH-gruppe.
Det sidste tilfælde, som karakteriserer den rumlige struktur af molekyler, kan repræsenteres af to pyramider, der har én fælles flade og er forbundet med tre hjørner. Et eksempel er acetylenmolekylet.
For det første har sådanne molekyler ikke cis- eller trans-isomerer. For det andet er kulstofatomer ikke i stand til at rotere rundt om deres akse. Og for det tredje er alle atomer og deres radikaler placeret på den samme akse, og bindingsvinklen er 180 grader.
Selvfølgelig kan de beskrevne tilfælde anvendes på stoffer, hvis skelet indeholder mere end to brintatomer. Princippet om stereometrisk konstruktion af sådanne molekyler bibeholdes.
rumlig struktur af molekyler af uorganiske stoffer
Dannelsen af kovalente bindinger i uorganiske forbindelser svarer i mekanisme til organiske stoffers. For at danne en binding er det nødvendigt at have udelte elektronpar i to atomer, som danner en fælles elektronsky.
Overlapningen af orbitaler under dannelsen af en kovalent binding sker langs en linje af atomkerner. Hvis et atom danner to eller flere bindinger, så er afstanden mellem dem karakteriseret ved værdien af bindingsvinklen.
Hvis vi betragter et vandmolekyle, som er dannet af et oxygenatom og to hydrogenatomer, skal bindingsvinklen ideelt set være 90 grader. Imidlertideksperimentelle undersøgelser har vist, at denne værdi er 104,5 grader. Den rumlige struktur af molekyler adskiller sig fra den teoretisk forudsagte på grund af tilstedeværelsen af interaktionskræfter mellem brintatomer. De frastøder hinanden og øger derved bindingsvinklen mellem dem.
Sp-hybridization
Hybridisering er teorien om dannelsen af identiske hybridorbitaler af et molekyle. Dette fænomen opstår på grund af tilstedeværelsen af ikke-delte elektronpar ved forskellige energiniveauer i det centrale atom.
Tænk for eksempel på dannelsen af kovalente bindinger i BeCl2-molekylet. Beryllium har udelte elektronpar på s- og p-niveauerne, hvilket i teorien skulle forårsage dannelsen af et ujævnt hjørnemolekyle. Men i praksis er de lineære, og bindingsvinklen er 180 grader.
Sp-hybridisering bruges til dannelse af to kovalente bindinger. Der er dog andre typer dannelse af hybridorbitaler.
Sp2-hybridisering
Denne type hybridisering er ansvarlig for den rumlige struktur af molekyler med tre kovalente bindinger. Et eksempel er BCl3-molekylet. Det centrale bariumatom har tre ikke-delte elektronpar: to på p-niveau og et på s-niveau.
Tre kovalente bindinger danner et molekyle, der er placeret i samme plan, og dets bindingsvinkel er 120 grader.
Sp3-hybridisering
En anden mulighed for dannelse af hybridorbitaler, når det centrale atom har 4 ikke-delte elektronpar: 3 på p-niveau og 1 på s-niveau. Et eksempel på et sådant stof er metan. Den rumlige struktur af metanmolekyler er en tetraerd, hvor valensvinklen er 109,5 grader. Ændringen i vinklen er karakteriseret ved vekselvirkningen af brintatomer med hinanden.
