Пространствената структура на молекулите на неорганичните и органичните вещества е от голямо значение при описването на техните химични и физични свойства. Ако разглеждаме веществото като набор от букви и цифри на хартия, не винаги е възможно да стигнем до правилните заключения. За да се опишат много явления, особено тези, свързани с органичната химия, е необходимо да се знае стереометричната структура на молекулата.
Какво е стереометрия
Стереометрията е клон от химията, който обяснява свойствата на молекулите на веществото въз основа на неговата структура. Освен това, пространственото представяне на молекулите играе важна роля тук, тъй като той е ключът към много биоорганични явления.
Стереометрията е набор от основни правила, чрез които почти всяка молекула може да бъде представена в обемна форма. Недостатъкът на брутната формула, написана на обикновен лист хартия, е нейната невъзможност да разкрие пълния списък на свойствата на изследваното вещество.
Пример би била фумарова киселина, която принадлежи към двуосновния клас. Той е слабо разтворим във вода,отровен и може да се намери в природата. Въпреки това, ако промените пространственото разположение на COOH групите, можете да получите съвсем различно вещество - малеинова киселина. Той е силно разтворим във вода, може да се получи само изкуствено и е опасен за хората поради токсичните си свойства.
Стереохимичната теория на Вант Хоф
През 19 век идеите на М. Бутлеров за плоската структура на която и да е молекула не могат да обяснят много свойства на веществата, особено на органичните. Това е тласъкът на ван'т Хоф да напише труда „Химия в космоса”, в който допълва теорията на М. Бутлеров със своите изследвания в тази област. Той представи концепцията за пространствената структура на молекулите и също така обясни значението на своето откритие за химическата наука.
Така беше доказано съществуването на три вида млечна киселина: месно-млечна, правовъртяща и ферментирала млечна киселина. На лист хартия за всяко от тези вещества структурната формула ще бъде същата, но пространствената структура на молекулите обяснява този феномен.
Резултатът от стереохимичната теория на Вант Хоф беше доказателството за факта, че въглеродният атом не е плосък, т.к. четирите му валентни връзки са обърнати към върховете на въображаем тетраедър.
Пирамидална пространствена структура на органични молекули
Въз основа на откритията на van't Hoff и неговите изследвания, всеки въглерод в скелета на органичната материя може да бъде представен като тетраедър. Ето как ниеможем да разгледаме 4 възможни случая на образуване на C-C връзки и да обясним структурата на такива молекули.
Първият случай е, когато молекулата е единичен въглероден атом, който образува 4 връзки с водородни протони. Пространствената структура на молекулите на метана почти напълно повтаря очертанията на тетраедър, но ъгълът на свързване е леко променен поради взаимодействието на водородни атоми.
Образуването на една химическа C-C връзка може да бъде представено като две пирамиди, които са свързани помежду си с общ връх. От такава конструкция на молекулата може да се види, че тези тетраедри могат да се въртят около оста си и свободно да променят позицията си. Ако разгледаме тази система, използвайки примера на молекула на етан, въглеродите в скелета наистина могат да се въртят. Въпреки това, от двете характерни позиции, предпочитание се дава на енергийно благоприятната, когато водородите в проекцията на Нюман не се припокриват.
Пространствената структура на етиленовата молекула е пример за третия вариант на образуване на C-C връзки, когато два тетраедъра имат едно общо лице, т.е. се пресичат в два съседни върха. Става ясно, че поради такова стереометрично положение на молекулата, движението на въглеродните атоми спрямо нейната ос е затруднено, т.к. изисква прекъсване на една от връзките. От друга страна става възможно образуването на цис- и транс-изомери на веществата, т.к два свободни радикала от всеки въглерод могат да бъдат или огледални, или кръстосани.
Cis- и транспонирането на молекулата обяснява съществуването на фумаров и малеиновкиселини. Между въглеродните атоми в тези молекули се образуват две връзки и всяка от тях има един водороден атом и COOH група.
Последният случай, който характеризира пространствената структура на молекулите, може да бъде представен от две пирамиди, които имат едно общо лице и са свързани помежду си с три върха. Пример е ацетиленовата молекула.
Първо, такива молекули нямат цис или транс изомери. Второ, въглеродните атоми не могат да се въртят около оста си. И трето, всички атоми и техните радикали са разположени на една и съща ос, а ъгълът на свързване е 180 градуса.
Разбира се, описаните случаи могат да бъдат приложени към вещества, чийто скелет съдържа повече от два водородни атома. Принципът на стереометрична конструкция на такива молекули се запазва.
Пространствена структура на молекулите на неорганичните вещества
Образуването на ковалентни връзки в неорганичните съединения е подобно на механизма на този на органичните вещества. За да се образува връзка, е необходимо да има несподелени електронни двойки в два атома, които образуват общ електронен облак.
Припокриването на орбитали по време на образуването на ковалентна връзка се случва по една линия от атомни ядра. Ако един атом образува две или повече връзки, тогава разстоянието между тях се характеризира със стойността на ъгъла на връзката.
Ако разгледаме водна молекула, която се образува от един кислороден атом и два водородни атома, в идеалния случай ъгълът на свързване трябва да бъде 90 градуса. въпреки товаекспериментални проучвания показват, че тази стойност е 104,5 градуса. Пространствената структура на молекулите се различава от теоретично предвидената поради наличието на сили на взаимодействие между водородните атоми. Те се отблъскват взаимно, като по този начин увеличават ъгъла на свързване между тях.
Sp-хибридизация
Хибридизацията е теорията за образуването на идентични хибридни орбитали на молекула. Това явление възниква поради наличието на несподелени електронни двойки на различни енергийни нива в централния атом.
Например, помислете за образуването на ковалентни връзки в молекулата BeCl2. Берилият има несподелени електронни двойки на нивата s и p, което на теория би трябвало да предизвика образуването на неравномерна ъглова молекула. На практика обаче те са линейни и ъгълът на свързване е 180 градуса.
Sp-хибридизацията се използва при образуването на две ковалентни връзки. Има обаче и други видове образуване на хибридни орбитали.
Sp2 хибридизация
Този тип хибридизация е отговорен за пространствената структура на молекулите с три ковалентни връзки. Пример за това е молекулата BCl3. Централният бариев атом има три несподелени електронни двойки: две на p-ниво и една на s-ниво.
Три ковалентни връзки образуват молекула, която е разположена в една и съща равнина и нейният ъгъл на свързване е 120 градуса.
Sp3 хибридизация
Друг вариант за образуване на хибридни орбитали, когато централният атом има 4 несподелени електронни двойки: 3 на p-ниво и 1 на s-ниво. Пример за такова вещество е метанът. Пространствената структура на молекулите на метан е тетраерд, валентният ъгъл в който е 109,5 градуса. Промяната в ъгъла се характеризира с взаимодействието на водородните атоми един с друг.
