Neorganinių ir organinių medžiagų molekulių erdvinė struktūra turi didelę reikšmę apibūdinant jų chemines ir fizines savybes. Jei laikysime medžiagą raidžių ir skaičių rinkiniu popieriuje, ne visada įmanoma padaryti tinkamas išvadas. Norint apibūdinti daugelį reiškinių, ypač susijusių su organine chemija, būtina žinoti molekulės stereometrinę struktūrą.
Kas yra stereometrija
Stereometrija yra chemijos šaka, kuri paaiškina medžiagos molekulių savybes pagal jos struktūrą. Be to, erdvinis molekulių vaizdavimas čia vaidina svarbų vaidmenį, nes tai daugelio bioorganinių reiškinių raktas.
Stereometrija yra pagrindinių taisyklių rinkinys, pagal kurį beveik bet kuri molekulė gali būti pavaizduota tūrine forma. Bendros formulės, parašytos ant paprasto popieriaus lapo, trūkumas yra tai, kad ji nesugeba atskleisti viso tiriamos medžiagos savybių sąrašo.
Pavyzdys būtų fumaro rūgštis, kuri priklauso dvibazių klasei. Jis blogai tirpsta vandenyje,nuodingas ir gali būti randamas gamtoje. Tačiau jei pakeisite COOH grupių erdvinį išsidėstymą, galite gauti visiškai kitokią medžiagą – maleino rūgštį. Jis gerai tirpsta vandenyje, gali būti gaunamas tik dirbtiniu būdu ir yra pavojingas žmonėms dėl savo toksinių savybių.
Vanto Hoffo stereocheminė teorija
XIX amžiuje M. Butlerovo idėjos apie plokščią bet kurios molekulės struktūrą negalėjo paaiškinti daugelio medžiagų, ypač organinių, savybių. Tai buvo postūmis van'tui Hoffui parašyti veikalą „Chemija erdvėje“, kuriame M. Butlerovo teoriją papildė šios srities tyrinėjimais. Jis pristatė molekulių erdvinės struktūros koncepciją, taip pat paaiškino savo atradimo svarbą chemijos mokslui.
Taigi buvo įrodyta, kad egzistuoja trys pieno rūgšties rūšys: mėsinė pieno rūgštis, dešinė sukamoji ir fermentuota pieno rūgštis. Ant popieriaus lapo kiekvienos iš šių medžiagų struktūrinė formulė bus ta pati, tačiau šį reiškinį paaiškina erdvinė molekulių struktūra.
Van't Hoffo stereocheminės teorijos rezultatas buvo įrodymas, kad anglies atomas nėra plokščias, nes keturi jo valentiniai ryšiai nukreipti į įsivaizduojamo tetraedro viršūnes.
Organinių molekulių piramidinė erdvinė struktūra
Remiantis van'to Hoffo ir jo tyrimų išvadomis, kiekviena organinės medžiagos skeleto anglis gali būti pavaizduota kaip tetraedras. Taip ir mesgalime apsvarstyti 4 galimus C-C ryšių susidarymo atvejus ir paaiškinti tokių molekulių struktūrą.
Pirmasis atvejis, kai molekulė yra vienas anglies atomas, kuris sudaro 4 ryšius su vandenilio protonais. Erdvinė metano molekulių struktūra beveik visiškai atkartoja tetraedro kontūrus, tačiau dėl vandenilio atomų sąveikos ryšio kampas šiek tiek pasikeičia.
Vienos cheminės C-C jungties susidarymą galima pavaizduoti kaip dvi piramides, kurios yra tarpusavyje sujungtos bendra viršūne. Iš tokios molekulės konstrukcijos matyti, kad šios tetraedros gali suktis aplink savo ašį ir laisvai keisti padėtį. Jei apsvarstysime šią sistemą etano molekulės pavyzdžiu, anglies anglis skelete iš tiesų gali suktis. Tačiau iš dviejų būdingų pozicijų pirmenybė teikiama energetiškai palankiai, kai vandeniliai Newmano projekcijoje nesutampa.
Etileno molekulės erdvinė struktūra yra trečiojo C-C ryšių susidarymo varianto pavyzdys, kai dvi tetraedros turi vieną bendrą paviršių, t.y. susikerta dviejose gretimose viršūnėse. Pasidaro aišku, kad dėl tokios stereometrinės molekulės padėties anglies atomų judėjimas jos ašies atžvilgiu yra sunkus, nes reikia nutraukti vieną iš nuorodų. Kita vertus, medžiagų cis- ir trans-izomerų susidarymas tampa įmanomas, nes du laisvieji radikalai iš kiekvienos anglies gali būti veidrodiniai arba kryžminiai.
Cis ir molekulės perkėlimas paaiškina fumaro ir maleino egzistavimąrūgštys. Šiose molekulėse tarp anglies atomų susidaro du ryšiai, ir kiekvienas iš jų turi vieną vandenilio atomą ir COOH grupę.
Paskutinis atvejis, apibūdinantis erdvinę molekulių struktūrą, gali būti pavaizduotas dviem piramidėmis, kurios turi vieną bendrą paviršių ir yra sujungtos trimis viršūnėmis. Pavyzdys yra acetileno molekulė.
Pirma, tokios molekulės neturi cis arba trans izomerų. Antra, anglies atomai negali suktis aplink savo ašį. Ir trečia, visi atomai ir jų radikalai yra toje pačioje ašyje, o ryšio kampas yra 180 laipsnių.
Žinoma, aprašyti atvejai gali būti taikomi medžiagoms, kurių skelete yra daugiau nei du vandenilio atomai. Išlaikomas tokių molekulių stereometrinės konstrukcijos principas.
Neorganinių medžiagų molekulių erdvinė struktūra
Neorganiniuose junginiuose kovalentinių jungčių susidarymo mechanizmas panašus į organinių medžiagų. Norint sukurti ryšį, dviejuose atomuose turi būti nepasidalintų elektronų porų, kurios sudaro bendrą elektronų debesį.
Orbitalų persidengimas susidarant kovalentiniam ryšiui vyksta išilgai vienos atomų branduolių linijos. Jei atomas sudaro du ar daugiau ryšių, tada atstumas tarp jų apibūdinamas ryšio kampo reikšme.
Jei laikytume vandens molekulę, kurią sudaro vienas deguonies atomas ir du vandenilio atomai, jungties kampas idealiu atveju turėtų būti 90 laipsnių. Tačiaueksperimentiniai tyrimai parodė, kad ši vertė yra 104,5 laipsnių. Erdvinė molekulių struktūra skiriasi nuo teoriškai prognozuotos dėl vandenilio atomų sąveikos jėgų. Jie atstumia vienas kitą ir taip padidina ryšio kampą tarp jų.
Sp-hibridizacija
Hibridizacija – tai identiškų hibridinių molekulės orbitalių susidarymo teorija. Šis reiškinys atsiranda dėl to, kad centriniame atome yra nepasidalintų elektronų porų skirtingais energijos lygiais.
Pavyzdžiui, apsvarstykite kovalentinių ryšių susidarymą BeCl2 molekulėje. Berilis turi nepasidalintas elektronų poras s ir p lygiuose, o tai teoriškai turėtų sukelti nelygios kampinės molekulės susidarymą. Tačiau praktiškai jie yra tiesiniai, o sujungimo kampas yra 180 laipsnių.
Sp-hibridizacija naudojama formuojant dvi kovalentines jungtis. Tačiau yra ir kitų hibridinių orbitalių formavimosi tipų.
Sp2 hibridizacija
Šis hibridizacijos tipas yra atsakingas už molekulių, turinčių tris kovalentinius ryšius, erdvinę struktūrą. Pavyzdys yra BCl3 molekulė. Centrinis bario atomas turi tris nepasidalintas elektronų poras: dvi p lygyje ir vieną s lygyje.
Trys kovalentiniai ryšiai sudaro molekulę, esančią toje pačioje plokštumoje, o jos ryšio kampas yra 120 laipsnių.
Sp3 hibridizacija
Kitas variantas hibridinėms orbitalėms formuoti, kai centrinis atomas turi 4 nepasidalintas elektronų poras: 3 p lygyje ir 1 s lygyje. Tokios medžiagos pavyzdys yra metanas. Metano molekulių erdvinė struktūra yra tetraerdas, kurio valentingumo kampas yra 109,5 laipsnio. Kampo pokyčiui būdinga vandenilio atomų sąveika tarpusavyje.
