Die ruimtelike struktuur van die molekules van anorganiese en organiese stowwe is van groot belang in die beskrywing van hul chemiese en fisiese eienskappe. As ons 'n stof as 'n stel letters en syfers op papier beskou, is dit nie altyd moontlik om tot die regte gevolgtrekkings te kom nie. Om baie verskynsels te beskryf, veral dié wat met organiese chemie verband hou, is dit nodig om die stereometriese struktuur van die molekule te ken.
Wat is stereometrie
Stereometrie is 'n tak van chemie wat die eienskappe van die molekules van 'n stof verduidelik op grond van sy struktuur. Boonop speel die ruimtelike voorstelling van molekules hier 'n belangrike rol, aangesien dit is die sleutel tot baie bio-organiese verskynsels.
Stereometrie is 'n stel basiese reëls waardeur byna enige molekule in volumetriese vorm voorgestel kan word. Die nadeel van die bruto formule wat op 'n gewone stuk papier geskryf is, is die onvermoë daarvan om die volledige lys eienskappe van die stof wat bestudeer word, te openbaar.
'n Voorbeeld sal fumaarsuur wees, wat aan die dibasiese klas behoort. Dit is swak oplosbaar in water,giftig en kan in die natuur gevind word. As jy egter die ruimtelike rangskikking van COOH-groepe verander, kan jy 'n heeltemal ander stof kry - maleïensuur. Dit is hoogs oplosbaar in water, kan slegs kunsmatig verkry word, en is gevaarlik vir mense weens die giftige eienskappe daarvan.
Vant Hoff se stereochemiese teorie
In die 19de eeu kon M. Butlerov se idees oor die plat struktuur van enige molekule nie baie eienskappe van stowwe, veral organiese, verklaar nie. Dit was die stukrag vir van't Hoff om die werk "Chemistry in Space" te skryf, waarin hy die teorie van M. Butlerov aangevul het met sy navorsing op hierdie gebied. Hy het die konsep van die ruimtelike struktuur van molekules bekendgestel, en ook die belangrikheid van sy ontdekking vir chemiese wetenskap verduidelik.
Daarom is die bestaan van drie tipes melksuur bewys: vleis-melksuur, regsdraaiende en gefermenteerde melksuur. Op 'n stuk papier vir elk van hierdie stowwe sal die struktuurformule dieselfde wees, maar die ruimtelike struktuur van die molekules verklaar hierdie verskynsel.
Die resultaat van Van't Hoff se stereochemiese teorie was die bewys van die feit dat die koolstofatoom nie plat is nie, want sy vier valensiebindings wys na die hoekpunte van 'n denkbeeldige tetraëder.
Piramidale ruimtelike struktuur van organiese molekules
Gegrond op die bevindinge van van't Hoff en sy navorsing, kan elke koolstof in die skelet van organiese materiaal as 'n tetraëder voorgestel word. Dis hoe onsons kan 4 moontlike gevalle van die vorming van C-C-bindings oorweeg en die struktuur van sulke molekules verduidelik.
Die eerste geval is wanneer die molekule 'n enkele koolstofatoom is wat 4 bindings met waterstofprotone vorm. Die ruimtelike struktuur van metaanmolekules herhaal amper heeltemal die buitelyne van 'n tetraëder, maar die bindingshoek is effens verander as gevolg van die interaksie van waterstofatome.
Die vorming van een chemiese C-C-binding kan voorgestel word as twee piramides, wat met mekaar verbind is deur 'n gemeenskaplike hoekpunt. Uit so 'n konstruksie van die molekule kan gesien word dat hierdie tetraëders om hul as kan draai en vrylik van posisie kan verander. As ons hierdie stelsel oorweeg deur die voorbeeld van 'n etaanmolekule te gebruik, is die koolstofstowwe in die skelet inderdaad in staat om te roteer. Van die twee kenmerkende posisies word egter voorkeur gegee aan die energeties gunstige een, wanneer die waterstofstowwe in die Newman-projeksie nie oorvleuel nie.
Die ruimtelike struktuur van die etileenmolekule is 'n voorbeeld van die derde variant van die vorming van C-C-bindings, wanneer twee tetraëders een gemeenskaplike gesig het, d.w.s. sny by twee aangrensende hoekpunte. Dit word duidelik dat as gevolg van so 'n stereometriese posisie van die molekule, die beweging van koolstofatome relatief tot sy as moeilik is, omdat vereis dat een van die skakels gebreek word. Aan die ander kant word die vorming van cis- en trans-isomere van stowwe moontlik, aangesien twee vrye radikale van elke koolstof kan óf weerspieël óf deurkruis word.
Cis- en transposisie van die molekule verklaar die bestaan van fumaric en maleicsure. Twee bindings word tussen die koolstofatome in hierdie molekules gevorm, en elkeen van hulle het een waterstofatoom en 'n COOH-groep.
Die laaste geval, wat die ruimtelike struktuur van molekules kenmerk, kan voorgestel word deur twee piramides wat een gemeenskaplike gesig het en deur drie hoekpunte met mekaar verbind is. 'n Voorbeeld is die asetileenmolekule.
Eerstens het sulke molekules nie cis- of trans-isomere nie. Tweedens is koolstofatome nie in staat om om hul as te draai nie. En derdens, alle atome en hul radikale is op dieselfde as geleë, en die bindingshoek is 180 grade.
Natuurlik kan die gevalle wat beskryf word toegepas word op stowwe waarvan die skelet meer as twee waterstofatome bevat. Die beginsel van stereometriese konstruksie van sulke molekules word behou.
Ruimtelike struktuur van molekules van anorganiese stowwe
Die vorming van kovalente bindings in anorganiese verbindings is soortgelyk in meganisme aan dié van organiese stowwe. Om 'n binding te vorm, is dit nodig om ongedeelde elektronpare in twee atome te hê, wat 'n gemeenskaplike elektronwolk vorm.
Die oorvleueling van orbitale tydens die vorming van 'n kovalente binding vind langs een lyn van atoomkerne plaas. As 'n atoom twee of meer bindings vorm, dan word die afstand tussen hulle gekenmerk deur die waarde van die bindingshoek.
As ons 'n watermolekule, wat deur een suurstofatoom en twee waterstofatome gevorm word, in ag neem, moet die bindingshoek ideaal gesproke 90 grade wees. Egtereksperimentele studies het getoon dat hierdie waarde 104,5 grade is. Die ruimtelike struktuur van molekules verskil van die teoreties voorspelde een as gevolg van die teenwoordigheid van interaksiekragte tussen waterstofatome. Hulle stoot mekaar af en vergroot daardeur die bindingshoek tussen hulle.
Sp-hibridisering
Verbastering is die teorie van die vorming van identiese hibriede orbitale van 'n molekule. Hierdie verskynsel kom voor as gevolg van die teenwoordigheid van ongedeelde elektronpare by verskillende energievlakke in die sentrale atoom.
Beskou byvoorbeeld die vorming van kovalente bindings in die BeCl2-molekule. Berillium het ongedeelde elektronpare op die s- en p-vlakke, wat in teorie die vorming van 'n ongelyke hoekmolekule behoort te veroorsaak. In die praktyk is hulle egter lineêr en die bindingshoek is 180 grade.
Sp-hibridisering word gebruik in die vorming van twee kovalente bindings. Daar is egter ander tipes vorming van hibriede orbitale.
Sp2-hibridisasie
Hierdie tipe hibridisasie is verantwoordelik vir die ruimtelike struktuur van molekules met drie kovalente bindings. 'n Voorbeeld is die BCl3-molekule. Die sentrale bariumatoom het drie ongedeelde elektronpare: twee op die p-vlak en een op die s-vlak.
Drie kovalente bindings vorm 'n molekule wat in dieselfde vlak geleë is, en sy bindingshoek is 120 grade.
Sp3-hibridisasie
Nog 'n opsie vir die vorming van hibriede orbitale, wanneer die sentrale atoom 4 ongedeelde elektronpare het: 3 op die p-vlak en 1 op die s-vlak. 'n Voorbeeld van so 'n stof is metaan. Die ruimtelike struktuur van metaanmolekules is 'n tetraerd, waarvan die valenshoek 109,5 grade is. Die verandering in die hoek word gekenmerk deur die interaksie van waterstofatome met mekaar.
