Просторова будова молекул неорганічних і органічних речовин
Просторова будова молекул неорганічних і органічних речовин має велике значення при описі їх хімічних і фізичних властивостей. Якщо розглядати речовина як набір букв і цифр на папері, не завжди можна прийти до правильних висновків. Щоб описати багато явищ, особливо пов`язані з органічною хімією, необхідно знати стереометрическое будова молекули.
Що таке стереометрія
Стереометрія - це розділ хімії, який пояснює властивості молекул речовини виходячи з його будови. Причому просторове уявлення молекул відіграє тут більшу роль, тому що воно є ключем до розгадки багатьох біоорганічних явищ.
Стереометрія є комплексом основних правил, за якими майже будь-яку молекулу можна уявити в об`ємній формі. Недоліком брутто-формули, написаної на звичайному аркуші паперу, є нездатність її розкрити повний перелік властивостей досліджуваного речовини.
Прикладом може злучити фумарова кислота, яка відноситься до класу двоосновних. Вона погано розчиняється у воді, не отруйна і може зустрічатися в природі. Однак, якщо змінити просторове розташування СООН-груп, можна отримати абсолютно іншу речовину - малеїновий кислоту. Вона добре розчиняється у воді, може бути отримана тільки штучно, являє собою небезпеку для людини через токсичні властивостей.
Стереохімічна теорія Вант-Гоффа
У 19 столітті уявлення М.Бутлерова про плоскому будові будь-молекули не могли пояснити багатьох властивостей речовин, особливо органіки. Це послужило поштовхом до написання Вант-Гофф роботи «Хімія в просторі», в якій він доповнив теорію М.Бутлерова своїми дослідженнями в цій галузі. Він ввів поняття просторової будови молекул, а також пояснив важливість свого відкриття для хімічної науки.
Так було доведено існування трьох видів молочної кислоти: м`ясо-молочної, правовращающей і молочної кислоти бродіння. На аркуші паперу для кожного з цих речовин структурна формула буде одна й та сама, однак просторова будова молекул пояснює це явище.
Наслідком стереохимической теорії Вант-Гоффа стало доказ того факту, що вуглецевий атом не є плоским, тому що його чотири валентні зв`язки звернені до вершин уявного тетраедра.
Пірамідальне просторова будова органічних молекул
Виходячи їх висновків Вант-Гоффа і його досліджень, кожен вуглець в скелеті органічної речовини можна представити у вигляді тетраедра. Так ми можемо розглянути 4 можливих випадку утворення С-С зв`язків і пояснити будову таких молекул.
Відео: Просторова будова органічних сполук
Перший випадок - коли молекула являє собою один атом вуглецю, який утворює 4 зв`язки з протонами водню. Просторова будова молекул метану практично повністю повторює обриси тетраедра, проте валентний кут трохи змінений внаслідок взаємодії атомів водню.
Освіта однієї хімічної С-С зв`язку можна представити у вигляді двох пірамід, які з`єднані між собою загальною вершиною. З такого побудови молекули видно, що ці тетраєдри можуть обертатися навколо своєї осі і вільно міняти положення. Якщо розглядати цю систему на прикладі молекули етану, вуглеці в скелеті дійсно здатні обертатися. Однак з двох характерних положень перевага віддається енергетично вигідним, коли водень в проекції Ньюмана не перекриваються.
Просторова будова молекули етилену є прикладом третього варіанту освіти З-С зв`язків, коли два тетраедра мають одну загальну межу, тобто перетинаються по двох суміжних вершин. Стає зрозуміло, що через такого стереометричного положення молекули рух атомів вуглецю щодо своєї осі утруднено, тому що вимагає розриву однієї з зв`язків. Зате стає можливим утворення цис- і трансізомерів речовин, тому що два вільних радикала від кожного вуглецю можуть розташовуватися або дзеркально, або хрест-навхрест.
Цис- і трансположеніе молекули пояснює існування фумаровой і малеиновой кислот. Між атомами вуглецю в цих молекулах утворено дві зв`язку, і на кожен з них припадає по одному атому водню і СООН-групи.
Останній випадок, що характеризує просторову будову молекул, може бути представлений двома пірамідами, які мають одну загальну межу і з`єднані між собою трьома вершинами. Прикладом є молекула ацетилену.
По-перше, такі молекули не мають цис- або транс-ізомерів. По-друге, атоми вуглецю не здатні обертатися навколо своєї осі. І по-третє, всі атоми і їх радикали розташовуються на одній осі, а валентний кут становить 180 градусів.
Безумовно, описані випадки можуть застосовуватися до речовин, скелет яких містить більше двох атомів водню. Принцип стереометричного побудови таких молекул зберігається.
Просторова будова молекул неорганічних речовин
Освіта ковалентних зв`язків в неорганічних з`єднаннях схоже за механізмом з таким у органічних речовин. Для утворення зв`язку необхідна наявність неподіленого електронних пар у двох атомів, які утворюють загальне електронне хмара.
Відео: Геометрія молекул. Поняття про теорію гібридизації
Перекриття орбіталей при утворенні ковалентного зв`язку відбувається по одній лінії ядер атомів. Якщо атом утворює дві і більше зв`язку, то відстань між ними характеризується величиною валентного кута.
Якщо розглядати молекулу води, яка утворена одним атомом кисню і двома атомами водню, валентний кут в ідеалі мав би скласти 90 градусів. Однак експериментальні дослідження довели, що ця величина складає 104,5 градусів. Просторова будова молекул відрізняється від теоретично передбаченого через наявність сил взаємодії між атомами водню. Вони відштовхуються одна від одної, тим самим збільшуючи валентний кут між ними.
Sp-гібридизація
Гібридизація - це теорія освіти однакових гібридних орбіталей молекули. Відбувається це явище через наявність у центрального атома неподіленого електронних пар на різних енергетичних рівнях.
Для прикладу розглянемо освіту ковалентних зв`язків молекули BeCl2. У Берилію неподіленого електронні пари знаходяться на s і p рівнях, що в теорії повинно послужити причиною утворення нерівній кутовий молекули. Однак на практиці вони лінійні, а валентний кут становить 180 градусів.
Sp-гібридизація використовується при формуванні двох ковалентних зв`язків. Однак існують і інші види освіти гібридних орбіталей.
Sp2-гібридизація
Цей тип гібридизації відповідає за просторову будову молекул з трьома ковалентними зв`язками. Прикладом є молекула BCl3. Центральний атом барію має три неподіленого електронні пари: дві на p-рівні і одну на s-рівні.
Відео: Оптична ізомерія
Три ковалентні зв`язки утворюють молекулу, яка розташовується в одній площині, а її валентний кут становить 120 градусів.
Sp3-гібридизація
Ще один варіант формування гібридних орбіталей, коли центральний атом має 4 неподіленого електронні пари: 3 на p-рівні і 1 на s-рівні. Приклад такого речовини - метан. Просторова будова молекул метану є тетраерд, валентний кут в якому становить 109,5 градусів. Зміна величини кута характеризується взаємодією атомів водню між собою.
