Prostorna struktura molekula neorganskih i organskih supstanci je od velike važnosti za opisivanje njihovih hemijskih i fizičkih svojstava. Ako posmatramo supstancu kao skup slova i brojeva na papiru, nije uvijek moguće doći do pravih zaključaka. Za opis mnogih fenomena, posebno onih koji se odnose na organsku hemiju, potrebno je poznavati stereometričku strukturu molekula.
Šta je stereometrija
Stereometrija je grana hemije koja objašnjava svojstva molekula supstance na osnovu njene strukture. Štaviše, prostorna reprezentacija molekula ovde igra važnu ulogu, jer to je ključ mnogih bioorganskih fenomena.
Stereometrija je skup osnovnih pravila po kojima se gotovo svaki molekul može predstaviti u volumetrijskom obliku. Nedostatak bruto formule napisane na običnom komadu papira je njena nemogućnost da otkrije punu listu svojstava supstance koja se proučava.
Primjer bi bila fumarna kiselina, koja pripada dvobaznoj klasi. Slabo je rastvorljiv u vodi,otrovan i može se naći u prirodi. Međutim, ako promijenite prostorni raspored COOH grupa, možete dobiti potpuno drugačiju tvar - maleinsku kiselinu. Veoma je rastvorljiv u vodi, može se dobiti samo veštački i opasan je za ljude zbog svojih toksičnih svojstava.
Vant Hoffova stereohemijska teorija
U 19. veku, ideje M. Butlerova o ravnoj strukturi bilo kog molekula nisu mogle da objasne mnoga svojstva supstanci, posebno organskih. To je bio podstrek Van't Hoffu da napiše djelo "Hemija u svemiru", u kojem je svojim istraživanjima u ovoj oblasti dopunio teoriju M. Butlerova. Uveo je koncept prostorne strukture molekula, a takođe je objasnio važnost svog otkrića za hemijsku nauku.
Tako je dokazano postojanje tri vrste mliječne kiseline: mesno-mliječne, desnorotacione i fermentisane mliječne kiseline. Na komadu papira za svaku od ovih supstanci, strukturna formula će biti ista, ali prostorna struktura molekula objašnjava ovaj fenomen.
Rezultat Van't Hoffove stereohemijske teorije bio je dokaz činjenice da atom ugljika nije ravan, jer njegove četiri valentne veze okrenute su prema vrhovima imaginarnog tetraedra.
Piramidalna prostorna struktura organskih molekula
Na osnovu nalaza Van't Hoffa i njegovog istraživanja, svaki ugljenik u skeletu organske materije može se predstaviti kao tetraedar. Tako mimožemo razmotriti 4 moguća slučaja formiranja C-C veza i objasniti strukturu takvih molekula.
Prvi slučaj je kada je molekula jedan atom ugljika koji formira 4 veze sa protonima vodonika. Prostorna struktura molekula metana gotovo u potpunosti ponavlja obrise tetraedra, međutim, ugao veze je malo promijenjen zbog interakcije atoma vodika.
Formiranje jedne hemijske C-C veze može se predstaviti kao dvije piramide, koje su međusobno povezane zajedničkim vrhom. Iz takve konstrukcije molekula može se vidjeti da ovi tetraedri mogu rotirati oko svoje ose i slobodno mijenjati položaj. Ako ovaj sistem razmotrimo na primjeru molekula etana, ugljici u skeletu su zaista sposobni da se rotiraju. Međutim, od dva karakteristična položaja, prednost se daje energetski povoljnoj, kada se vodonici u Newmanovoj projekciji ne preklapaju.
Prostorna struktura molekula etilena je primjer treće varijante formiranja C-C veza, kada dva tetraedra imaju jedno zajedničko lice, tj. seku na dva susedna vrha. Postaje jasno da je zbog takvog stereometrijskog položaja molekule kretanje atoma ugljika u odnosu na njegovu osu otežano, jer zahtijeva prekid jedne od veza. S druge strane, stvaranje cis- i trans-izomera supstanci postaje moguće, jer dva slobodna radikala iz svakog ugljika mogu biti ili zrcaljeni ili ukršteni.
Cis- i transpozicija molekula objašnjava postojanje fumarne i maleinskekiseline. Između atoma ugljika u ovim molekulima formiraju se dvije veze, a svaka od njih ima jedan atom vodika i COOH grupu.
Poslednji slučaj, koji karakteriše prostornu strukturu molekula, može se predstaviti sa dve piramide koje imaju jedno zajedničko lice i međusobno su povezane sa tri vrha. Primjer je molekula acetilena.
Prvo, takvi molekuli nemaju cis ili trans izomere. Drugo, atomi ugljika nisu u stanju da se rotiraju oko svoje ose. I treće, svi atomi i njihovi radikali nalaze se na istoj osi, a ugao veze je 180 stepeni.
Naravno, opisani slučajevi se mogu primijeniti na supstance čiji skelet sadrži više od dva atoma vodika. Princip stereometričke konstrukcije takvih molekula je zadržan.
Prostorna struktura molekula neorganskih supstanci
Formiranje kovalentnih veza u neorganskim jedinjenjima slično je mehanizmu kao kod organskih supstanci. Da bi se formirala veza, potrebno je imati nepodijeljene elektronske parove u dva atoma, koji formiraju zajednički elektronski oblak.
Preklapanje orbitala tokom formiranja kovalentne veze dešava se duž jedne linije atomskih jezgara. Ako atom formira dvije ili više veza, tada udaljenost između njih karakterizira vrijednost ugla veze.
Ako uzmemo u obzir molekul vode, koji je formiran od jednog atoma kiseonika i dva atoma vodonika, ugao veze bi idealno trebao biti 90 stepeni. kako godeksperimentalne studije su pokazale da je ova vrijednost 104,5 stepeni. Prostorna struktura molekula razlikuje se od teorijski predviđene zbog prisustva interakcijskih sila između atoma vodika. One se odbijaju, čime se povećava ugao veze između njih.
Sp-hibridizacija
Hibridizacija je teorija formiranja identičnih hibridnih orbitala molekula. Ovaj fenomen nastaje zbog prisustva nepodijeljenih elektronskih parova na različitim nivoima energije u centralnom atomu.
Na primjer, razmotrite formiranje kovalentnih veza u molekulu BeCl2. Berilijum ima nepodijeljene elektronske parove na s i p nivoima, što bi u teoriji trebalo da izazove formiranje neravnog ugla molekula. Međutim, u praksi su oni linearni i vezni ugao je 180 stepeni.
Sp-hibridizacija se koristi u formiranju dvije kovalentne veze. Međutim, postoje i druge vrste formiranja hibridnih orbitala.
Sp2 hibridizacija
Ova vrsta hibridizacije je odgovorna za prostornu strukturu molekula sa tri kovalentne veze. Primjer je molekula BCl3. Centralni atom barija ima tri nepodijeljena elektronska para: dva na p-nivou i jedan na s-nivou.
Tri kovalentne veze formiraju molekul koji se nalazi u istoj ravni, a njegov ugao veze je 120 stepeni.
Sp3 hibridizacija
Još jedna opcija za formiranje hibridnih orbitala, kada centralni atom ima 4 nepodijeljena elektronska para: 3 na p-nivou i 1 na s-nivou. Primjer takve supstance je metan. Prostorna struktura molekula metana je tetraerd, valentni ugao u kojem je 109,5 stepeni. Promjenu ugla karakterizira interakcija atoma vodonika jedan s drugim.
