Η χωρική δομή των μορίων ανόργανων και οργανικών ουσιών έχει μεγάλη σημασία για την περιγραφή των χημικών και φυσικών τους ιδιοτήτων. Αν θεωρήσουμε μια ουσία ως ένα σύνολο γραμμάτων και αριθμών σε χαρτί, δεν είναι πάντα δυνατό να καταλήξουμε στα σωστά συμπεράσματα. Για να περιγράψουμε πολλά φαινόμενα, ειδικά αυτά που σχετίζονται με την οργανική χημεία, είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε τη στερεομετρική δομή του μορίου.
Τι είναι η στερεομετρία
Η στερεομετρία είναι ένας κλάδος της χημείας που εξηγεί τις ιδιότητες των μορίων μιας ουσίας με βάση τη δομή της. Επιπλέον, η χωρική αναπαράσταση των μορίων παίζει σημαντικό ρόλο εδώ, αφού είναι το κλειδί για πολλά βιοοργανικά φαινόμενα.
Η στερεομετρία είναι ένα σύνολο βασικών κανόνων με τους οποίους σχεδόν οποιοδήποτε μόριο μπορεί να αναπαρασταθεί σε ογκομετρική μορφή. Το μειονέκτημα της ακαθάριστης φόρμουλας γραμμένης σε ένα κανονικό κομμάτι χαρτί είναι η αδυναμία της να αποκαλύψει τον πλήρη κατάλογο των ιδιοτήτων της υπό μελέτη ουσίας.
Ένα παράδειγμα θα ήταν το φουμαρικό οξύ, το οποίο ανήκει στη διβασική κατηγορία. Είναι ελάχιστα διαλυτό στο νερό,δηλητηριώδες και μπορεί να βρεθεί στη φύση. Ωστόσο, εάν αλλάξετε τη χωρική διάταξη των ομάδων COOH, μπορείτε να πάρετε μια εντελώς διαφορετική ουσία - μηλεϊνικό οξύ. Είναι εξαιρετικά διαλυτό στο νερό, μπορεί να ληφθεί μόνο τεχνητά και είναι επικίνδυνο για τον άνθρωπο λόγω των τοξικών του ιδιοτήτων.
Στερεοχημική θεωρία του Van Hoff
Τον 19ο αιώνα, οι ιδέες του M. Butlerov για την επίπεδη δομή οποιουδήποτε μορίου δεν μπορούσαν να εξηγήσουν πολλές ιδιότητες των ουσιών, ιδιαίτερα των οργανικών. Αυτό αποτέλεσε το έναυσμα για τον van't Hoff να γράψει το έργο «Chemistry in Space», στο οποίο συμπλήρωσε τη θεωρία του M. Butlerov με την έρευνά του στον τομέα αυτό. Εισήγαγε την έννοια της χωρικής δομής των μορίων και εξήγησε επίσης τη σημασία της ανακάλυψής του για τη χημική επιστήμη.
Έτσι, αποδείχθηκε η ύπαρξη τριών τύπων γαλακτικού οξέος: κρεατογαλακτικό, δεξιοστροφικό και γαλακτικό οξύ που έχει υποστεί ζύμωση. Σε ένα κομμάτι χαρτί για καθεμία από αυτές τις ουσίες, ο δομικός τύπος θα είναι ο ίδιος, αλλά η χωρική δομή των μορίων εξηγεί αυτό το φαινόμενο.
Το αποτέλεσμα της στερεοχημικής θεωρίας του Van't Hoff ήταν η απόδειξη του γεγονότος ότι το άτομο άνθρακα δεν είναι επίπεδο, επειδή οι τέσσερις δεσμοί του σθένους αντιμετωπίζουν τις κορυφές ενός φανταστικού τετραέδρου.
Πυραμιδική χωρική δομή οργανικών μορίων
Με βάση τα ευρήματα του van't Hoff και της έρευνάς του, κάθε άνθρακας στον σκελετό της οργανικής ύλης μπορεί να αναπαρασταθεί ως τετράεδρο. Έτσι εμείςμπορούμε να εξετάσουμε 4 πιθανές περιπτώσεις σχηματισμού δεσμών C-C και να εξηγήσουμε τη δομή τέτοιων μορίων.
Η πρώτη περίπτωση είναι όταν το μόριο είναι ένα μεμονωμένο άτομο άνθρακα που σχηματίζει 4 δεσμούς με πρωτόνια υδρογόνου. Η χωρική δομή των μορίων μεθανίου επαναλαμβάνει σχεδόν πλήρως τα περιγράμματα ενός τετραέδρου, ωστόσο, η γωνία του δεσμού αλλάζει ελαφρώς λόγω της αλληλεπίδρασης των ατόμων υδρογόνου.
Ο σχηματισμός ενός χημικού δεσμού C-C μπορεί να αναπαρασταθεί ως δύο πυραμίδες, οι οποίες αλληλοσυνδέονται με μια κοινή κορυφή. Από μια τέτοια κατασκευή του μορίου, μπορεί να φανεί ότι αυτά τα τετράεδρα μπορούν να περιστρέφονται γύρω από τον άξονά τους και να αλλάζουν ελεύθερα θέση. Αν εξετάσουμε αυτό το σύστημα χρησιμοποιώντας το παράδειγμα ενός μορίου αιθανίου, οι άνθρακες στον σκελετό μπορούν πράγματι να περιστρέφονται. Ωστόσο, από τις δύο χαρακτηριστικές θέσεις, προτιμάται η ενεργειακά ευνοϊκή, όταν τα υδρογόνα στην προβολή Newman δεν επικαλύπτονται.
Η χωρική δομή του μορίου του αιθυλενίου είναι ένα παράδειγμα της τρίτης παραλλαγής του σχηματισμού δεσμών C-C, όταν δύο τετράεδρα έχουν μία κοινή όψη, δηλ. τέμνονται σε δύο γειτονικές κορυφές. Γίνεται σαφές ότι λόγω μιας τέτοιας στερεομετρικής θέσης του μορίου, η κίνηση των ατόμων άνθρακα σε σχέση με τον άξονά του είναι δύσκολη, επειδή απαιτεί σπάσιμο ενός από τους συνδέσμους. Από την άλλη πλευρά, ο σχηματισμός cis- και trans-ισομερών ουσιών καθίσταται δυνατός, αφού δύο ελεύθερες ρίζες από κάθε άνθρακα μπορούν είτε να αντικατοπτριστούν είτε να διασταυρωθούν.
Cis- και η μεταφορά του μορίου εξηγεί την ύπαρξη φουμαρικού και μηλεϊνικούοξέα. Δύο δεσμοί σχηματίζονται μεταξύ των ατόμων άνθρακα σε αυτά τα μόρια και καθένα από αυτά έχει ένα άτομο υδρογόνου και μια ομάδα COOH.
Η τελευταία περίπτωση, που χαρακτηρίζει τη χωρική δομή των μορίων, μπορεί να αναπαρασταθεί από δύο πυραμίδες που έχουν μια κοινή όψη και αλληλοσυνδέονται με τρεις κορυφές. Ένα παράδειγμα είναι το μόριο της ακετυλίνης.
Πρώτον, τέτοια μόρια δεν έχουν cis ή trans ισομερή. Δεύτερον, τα άτομα άνθρακα δεν μπορούν να περιστρέφονται γύρω από τον άξονά τους. Και τρίτον, όλα τα άτομα και οι ρίζες τους βρίσκονται στον ίδιο άξονα και η γωνία του δεσμού είναι 180 μοίρες.
Φυσικά, οι περιπτώσεις που περιγράφονται μπορούν να εφαρμοστούν σε ουσίες των οποίων ο σκελετός περιέχει περισσότερα από δύο άτομα υδρογόνου. Η αρχή της στερεομετρικής κατασκευής τέτοιων μορίων διατηρείται.
Χωρική δομή μορίων ανόργανων ουσιών
Ο σχηματισμός ομοιοπολικών δεσμών σε ανόργανες ενώσεις είναι παρόμοιος σε μηχανισμό με αυτόν των οργανικών ουσιών. Για να σχηματιστεί ένας δεσμός, είναι απαραίτητο να υπάρχουν μη κοινά ζεύγη ηλεκτρονίων σε δύο άτομα, τα οποία σχηματίζουν ένα κοινό νέφος ηλεκτρονίων.
Η επικάλυψη των τροχιακών κατά το σχηματισμό ενός ομοιοπολικού δεσμού συμβαίνει κατά μήκος μιας γραμμής ατομικών πυρήνων. Εάν ένα άτομο σχηματίζει δύο ή περισσότερους δεσμούς, τότε η απόσταση μεταξύ τους χαρακτηρίζεται από την τιμή της γωνίας του δεσμού.
Αν θεωρήσουμε ένα μόριο νερού, το οποίο σχηματίζεται από ένα άτομο οξυγόνου και δύο άτομα υδρογόνου, η γωνία του δεσμού θα πρέπει ιδανικά να είναι 90 μοίρες. Ωστόσοπειραματικές μελέτες έχουν δείξει ότι αυτή η τιμή είναι 104,5 μοίρες. Η χωρική δομή των μορίων διαφέρει από τη θεωρητικά προβλεπόμενη λόγω της παρουσίας δυνάμεων αλληλεπίδρασης μεταξύ των ατόμων υδρογόνου. Απωθούν το ένα το άλλο, αυξάνοντας έτσι τη γωνία δεσμού μεταξύ τους.
Sp-υβριδισμός
Υβριδισμός είναι η θεωρία του σχηματισμού πανομοιότυπων υβριδικών τροχιακών ενός μορίου. Αυτό το φαινόμενο συμβαίνει λόγω της παρουσίας μη κοινών ζευγών ηλεκτρονίων σε διαφορετικά ενεργειακά επίπεδα στο κεντρικό άτομο.
Για παράδειγμα, εξετάστε το σχηματισμό ομοιοπολικών δεσμών στο μόριο BeCl2. Το βηρύλλιο έχει μη κοινά ζεύγη ηλεκτρονίων στα επίπεδα s και p, τα οποία θεωρητικά θα πρέπει να προκαλέσουν το σχηματισμό ενός ανομοιόμορφου μορίου γωνίας. Ωστόσο, στην πράξη είναι γραμμικοί και η γωνία σύνδεσης είναι 180 μοίρες.
Ο υβριδισμός Sp χρησιμοποιείται στο σχηματισμό δύο ομοιοπολικών δεσμών. Ωστόσο, υπάρχουν και άλλοι τύποι σχηματισμού υβριδικών τροχιακών.
Υβριδισμός Sp2
Αυτός ο τύπος υβριδισμού είναι υπεύθυνος για τη χωρική δομή των μορίων με τρεις ομοιοπολικούς δεσμούς. Ένα παράδειγμα είναι το μόριο BCl3. Το κεντρικό άτομο βαρίου έχει τρία μη κοινά ζεύγη ηλεκτρονίων: δύο στο επίπεδο p και ένα στο επίπεδο s.
Τρεις ομοιοπολικοί δεσμοί σχηματίζουν ένα μόριο που βρίσκεται στο ίδιο επίπεδο και η γωνία του δεσμού του είναι 120 μοίρες.
Υβριδισμός Sp3
Μια άλλη επιλογή για το σχηματισμό υβριδικών τροχιακών, όταν το κεντρικό άτομο έχει 4 μη κοινά ζεύγη ηλεκτρονίων: 3 στο επίπεδο p και 1 στο επίπεδο s. Ένα παράδειγμα τέτοιας ουσίας είναι το μεθάνιο. Η χωρική δομή των μορίων μεθανίου είναι ένα τετράεδρο, η γωνία σθένους στο οποίο είναι 109,5 μοίρες. Η αλλαγή της γωνίας χαρακτηρίζεται από την αλληλεπίδραση των ατόμων υδρογόνου μεταξύ τους.
