Neorganisko un organisko vielu molekulu telpiskajai struktūrai ir liela nozīme, raksturojot to ķīmiskās un fizikālās īpašības. Ja mēs uzskatām vielu par burtu un ciparu kopumu uz papīra, ne vienmēr ir iespējams izdarīt pareizos secinājumus. Lai aprakstītu daudzas parādības, īpaši tās, kas saistītas ar organisko ķīmiju, ir jāzina molekulas stereometriskā struktūra.
Kas ir stereometrija
Stereometrija ir ķīmijas nozare, kas izskaidro vielas molekulu īpašības, pamatojoties uz tās struktūru. Turklāt molekulu telpiskajam attēlojumam šeit ir svarīga loma, jo tā ir daudzu bioorganisko parādību atslēga.
Stereometrija ir pamatnoteikumu kopums, saskaņā ar kuru gandrīz jebkuru molekulu var attēlot tilpuma formā. Uz parastas papīra lapas uzrakstītās bruto formulas trūkums ir tā nespēja atklāt visu pētāmās vielas īpašību sarakstu.
Piemērs varētu būt fumārskābe, kas pieder pie divbāzu klases. Tas slikti šķīst ūdenī,indīgs un sastopams dabā. Taču, mainot COOH grupu telpisko izvietojumu, var iegūt pavisam citu vielu – maleīnskābi. Tas labi šķīst ūdenī, to var iegūt tikai mākslīgi, un tas ir bīstams cilvēkiem savu toksisko īpašību dēļ.
Vanta Hofa stereoķīmiskā teorija
19. gadsimtā M. Butlerova priekšstati par jebkuras molekulas plakano struktūru nevarēja izskaidrot daudzas vielu, īpaši organisko, īpašības. Tas bija pamudinājums van'tam Hofam uzrakstīt darbu "Ķīmija kosmosā", kurā viņš papildināja M. Butlerova teoriju ar saviem pētījumiem šajā jomā. Viņš iepazīstināja ar molekulu telpiskās struktūras jēdzienu, kā arī paskaidroja sava atklājuma nozīmi ķīmijas zinātnē.
Tādējādi tika pierādīta trīs veidu pienskābes esamība: gaļas pienskābe, pa labi rotējošā un raudzētā pienskābe. Uz papīra lapas katrai no šīm vielām strukturālā formula būs vienāda, taču molekulu telpiskā struktūra izskaidro šo parādību.
Vena Hofa stereoķīmiskās teorijas rezultāts bija pierādījums tam, ka oglekļa atoms nav plakans, jo tā četras valences saites ir vērstas pret iedomāta tetraedra virsotnēm.
Organisko molekulu piramīdas telpiskā struktūra
Pamatojoties uz van't Hoff un viņa pētījumu atklājumiem, katru organisko vielu skeleta oglekli var attēlot kā tetraedru. Tā mēsmēs varam apsvērt 4 iespējamos C-C saišu veidošanās gadījumus un izskaidrot šādu molekulu struktūru.
Pirmais gadījums ir tad, kad molekula ir viens oglekļa atoms, kas veido 4 saites ar ūdeņraža protoniem. Metāna molekulu telpiskā struktūra gandrīz pilnībā atkārto tetraedra aprises, tomēr saites leņķis ir nedaudz izmainīts ūdeņraža atomu mijiedarbības dēļ.
Vienas ķīmiskās C-C saites veidošanos var attēlot kā divas piramīdas, kuras savstarpēji savieno kopēja virsotne. No šādas molekulas konstrukcijas var redzēt, ka šie tetraedri var griezties ap savu asi un brīvi mainīt pozīciju. Ja mēs aplūkojam šo sistēmu, izmantojot etāna molekulas piemēru, oglekli skeletā patiešām spēj griezties. Tomēr no divām raksturīgajām pozīcijām priekšroka tiek dota enerģētiski labvēlīgajai, kad ūdeņraži Ņūmena projekcijā nepārklājas.
Etilēna molekulas telpiskā struktūra ir piemērs trešajam C-C saišu veidošanās variantam, kad diviem tetraedriem ir viena kopīga seja, t.i. krustojas divās blakus virsotnēs. Kļūst skaidrs, ka šādas molekulas stereometriskā stāvokļa dēļ oglekļa atomu kustība attiecībā pret tās asi ir apgrūtināta, jo ir jāpārtrauc viena no saitēm. No otras puses, kļūst iespējama vielu cis- un trans-izomēru veidošanās, jo divi brīvie radikāļi no katra oglekļa var būt vai nu atspoguļoti, vai krusteniski šķērsoti.
Cis- un molekulas transponēšana izskaidro fumāra un maleīna esamībuskābes. Starp oglekļa atomiem šajās molekulās veidojas divas saites, un katrā no tām ir viens ūdeņraža atoms un COOH grupa.
Pēdējais gadījums, kas raksturo molekulu telpisko struktūru, var tikt attēlots ar divām piramīdām, kurām ir viena kopēja seja un kuras savstarpēji savieno trīs virsotnes. Piemērs ir acetilēna molekula.
Pirmkārt, šādām molekulām nav cis vai trans izomēru. Otrkārt, oglekļa atomi nespēj griezties ap savu asi. Un, treškārt, visi atomi un to radikāļi atrodas uz vienas ass, un saites leņķis ir 180 grādi.
Protams, aprakstītos gadījumus var attiecināt uz vielām, kuru skelets satur vairāk nekā divus ūdeņraža atomus. Tiek saglabāts šādu molekulu stereometriskās uzbūves princips.
Neorganisko vielu molekulu telpiskā struktūra
Kovalento saišu veidošanās neorganiskajos savienojumos pēc mehānisma ir līdzīga organisko vielu veidošanās mehānismam. Lai izveidotu saiti, ir nepieciešami nedalīti elektronu pāri divos atomos, kas veido kopīgu elektronu mākoni.
Orbitāļu pārklāšanās kovalentās saites veidošanās laikā notiek pa vienu atomu kodolu līniju. Ja atoms veido divas vai vairākas saites, tad attālumu starp tām raksturo saites leņķa vērtība.
Ja ņemam vērā ūdens molekulu, kuru veido viens skābekļa atoms un divi ūdeņraža atomi, tad ideālā gadījumā saites leņķim vajadzētu būt 90 grādiem. Tomēreksperimentālie pētījumi parādīja, ka šī vērtība ir 104,5 grādi. Molekulu telpiskā struktūra atšķiras no teorētiski prognozētās ūdeņraža atomu mijiedarbības spēku klātbūtnes dēļ. Tie atgrūž viens otru, tādējādi palielinot savienojuma leņķi starp tiem.
Sp-hibridizācija
Hibridizācija ir teorija par identisku molekulas hibrīdu orbitāļu veidošanos. Šī parādība rodas, jo centrālajā atomā ir nedalīti elektronu pāri dažādos enerģijas līmeņos.
Piemēram, apsveriet kovalento saišu veidošanos BeCl2 molekulā. Berilijam ir nedalīti elektronu pāri s un p līmenī, kam teorētiski vajadzētu izraisīt nevienmērīgas stūra molekulas veidošanos. Tomēr praksē tie ir lineāri un savienojuma leņķis ir 180 grādi.
Sp-hibridizāciju izmanto divu kovalento saišu veidošanā. Tomēr ir arī citi hibrīdu orbitāļu veidošanās veidi.
Sp2 hibridizācija
Šis hibridizācijas veids ir atbildīgs par molekulu telpisko struktūru ar trīs kovalentām saitēm. Piemērs ir BCl3 molekula. Centrālajam bārija atomam ir trīs nedalīti elektronu pāri: divi p-līmenī un viens s-līmenī.
Trīs kovalentās saites veido molekulu, kas atrodas vienā plaknē, un tās saites leņķis ir 120 grādi.
Sp3 hibridizācija
Vēl viena iespēja hibrīdu orbitāļu veidošanai, kad centrālajam atomam ir 4 nedalīti elektronu pāri: 3 p-līmenī un 1 s-līmenī. Šādas vielas piemērs ir metāns. Metāna molekulu telpiskā struktūra ir tetraerda, kuras valences leņķis ir 109,5 grādi. Leņķa izmaiņas raksturo ūdeņraža atomu mijiedarbība savā starpā.
