Prostorska struktura molekul anorganskih in organskih snovi je velikega pomena pri opisovanju njihovih kemijskih in fizikalnih lastnosti. Če obravnavamo snov kot niz črk in številk na papirju, ni vedno mogoče priti do pravih zaključkov. Za opis številnih pojavov, zlasti tistih, ki so povezani z organsko kemijo, je treba poznati stereometrično strukturo molekule.
Kaj je stereometrija
Stereometrija je veja kemije, ki razlaga lastnosti molekul snovi na podlagi njene strukture. Poleg tega ima prostorska predstavitev molekul pri tem pomembno vlogo, saj je ključ do številnih bioorganskih pojavov.
Stereometrija je niz osnovnih pravil, po katerih je mogoče skoraj vsako molekulo predstaviti v volumetrični obliki. Pomanjkljivost bruto formule, zapisane na običajnem listu papirja, je njena nezmožnost razkriti celotnega seznama lastnosti preučevane snovi.
Primer bi bila fumarna kislina, ki spada v dvobazični razred. V vodi je slabo topen,strupeno in ga lahko najdemo v naravi. Če pa spremenite prostorsko razporeditev skupin COOH, lahko dobite povsem drugačno snov – maleinsko kislino. Je zelo topen v vodi, lahko ga pridobimo le umetno in je nevaren za ljudi zaradi svojih strupenih lastnosti.
Vant Hoffova stereokemična teorija
V 19. stoletju ideje M. Butlerova o ploščati strukturi katere koli molekule niso mogle razložiti številnih lastnosti snovi, zlasti organskih. To je bila spodbuda, da je van't Hoff napisal delo "Kemija v vesolju", v katerem je s svojimi raziskavami na tem področju dopolnil teorijo M. Butlerova. Predstavil je koncept prostorske strukture molekul in pojasnil tudi pomen svojega odkritja za kemijsko znanost.
Tako je bil dokazan obstoj treh vrst mlečne kisline: mesno-mlečne, desnorotacijske in fermentirane mlečne kisline. Na listu papirja za vsako od teh snovi bo strukturna formula enaka, vendar prostorska struktura molekul pojasnjuje ta pojav.
Rezultat Van't Hoffove stereokemične teorije je bil dokaz dejstva, da ogljikov atom ni ploščat, ker njegove štiri valenčne vezi so obrnjene proti ogliščih namišljenega tetraedra.
Piramidalna prostorska struktura organskih molekul
Na podlagi ugotovitev van't Hoffa in njegovih raziskav lahko vsak ogljik v okostju organske snovi predstavimo kot tetraeder. Tako smo milahko razmislimo o 4 možnih primerih nastanka C-C vezi in razložimo strukturo takšnih molekul.
Prvi primer je, ko je molekula en sam atom ogljika, ki tvori 4 vezi z vodikovimi protoni. Prostorska struktura molekul metana skoraj v celoti ponavlja obrise tetraedra, vendar je vezni kot nekoliko spremenjen zaradi interakcije atomov vodika.
Nastajanje ene kemične vezi C-C lahko predstavimo kot dve piramidi, ki sta med seboj povezani s skupnim vrhom. Iz takšne konstrukcije molekule je razvidno, da se ti tetraedri lahko vrtijo okoli svoje osi in prosto spreminjajo položaj. Če ta sistem obravnavamo na primeru molekule etana, se ogljiki v okostju res lahko vrtijo. Vendar ima od obeh značilnih položajev prednost energetsko ugoden položaj, ko se vodiki v Newmanovi projekciji ne prekrivajo.
Prostorska struktura molekule etilena je primer tretje variante tvorbe C-C vezi, ko imata dva tetraedra eno skupno ploskev, t.j. sekajo na dveh sosednjih ogliščih. Postane jasno, da je zaradi takšne stereometrične lege molekule gibanje ogljikovih atomov glede na njeno os težko, ker zahteva prekinitev ene od povezav. Po drugi strani pa postane možna tvorba cis- in trans-izomerov snovi, saj dva prosta radikala iz vsakega ogljika sta lahko zrcaljena ali križana.
Cis- in transpozicija molekule pojasnjuje obstoj fumarne in maleinske kislinekisline. Med atomi ogljika v teh molekulah nastaneta dve vezi in vsaka od njih ima en atom vodika in skupino COOH.
Zadnji primer, ki označuje prostorsko strukturo molekul, lahko predstavimo z dvema piramidama, ki imata eno skupno ploskev in sta med seboj povezani s tremi oglišči. Primer je molekula acetilena.
Prvič, takšne molekule nimajo cis ali trans izomerov. Drugič, ogljikovi atomi se ne morejo vrteti okoli svoje osi. In tretjič, vsi atomi in njihovi radikali se nahajajo na isti osi, vezni kot pa je 180 stopinj.
Seveda lahko opisane primere uporabimo za snovi, katerih skelet vsebuje več kot dva atoma vodika. Načelo stereometrične konstrukcije takšnih molekul je ohranjeno.
Prostorska struktura molekul anorganskih snovi
Nastajanje kovalentnih vezi v anorganskih spojinah je podobno mehanizmu kot pri organskih snoveh. Za tvorbo vezi je potrebno imeti nedeljene elektronske pare v dveh atomih, ki tvorita skupni elektronski oblak.
Prekrivanje orbital med tvorbo kovalentne vezi se pojavi vzdolž ene črte atomskih jeder. Če atom tvori dve ali več vezi, potem je razdalja med njima označena z vrednostjo veznega kota.
Če upoštevamo molekulo vode, ki jo tvorita en atom kisika in dva atoma vodika, bi moral biti vezni kot 90 stopinj. Vendareksperimentalne študije so pokazale, da je ta vrednost 104,5 stopinj. Prostorska struktura molekul se od teoretično predvidene razlikuje zaradi prisotnosti interakcijskih sil med vodikovimi atomi. Med seboj se odbijajo in s tem povečajo vezni kot med njima.
Sp-hibridizacija
Hibridizacija je teorija nastanka identičnih hibridnih orbital molekule. Ta pojav se pojavi zaradi prisotnosti nedeljenih elektronskih parov na različnih energijskih ravneh v osrednjem atomu.
Upoštevajte na primer nastanek kovalentnih vezi v molekuli BeCl2. Berilij ima nedeljene elektronske pare na nivoju s in p, kar bi teoretično moralo povzročiti nastanek neenakomerne kotne molekule. Vendar so v praksi linearni in vezni kot je 180 stopinj.
Sp-hibridizacija se uporablja pri tvorbi dveh kovalentnih vezi. Vendar pa obstajajo tudi druge vrste tvorbe hibridnih orbital.
Sp2 hibridizacija
Ta vrsta hibridizacije je odgovorna za prostorsko strukturo molekul s tremi kovalentnimi vezmi. Primer je molekula BCl3. Osrednji barijev atom ima tri nedeljene elektronske pare: dva na nivoju p in enega na ravni s.
Tri kovalentne vezi tvorijo molekulo, ki se nahaja v isti ravnini, njen vezni kot pa je 120 stopinj.
Sp3 hibridizacija
Druga možnost za tvorbo hibridnih orbital, ko ima osrednji atom 4 nedeljene elektronske pare: 3 na p-ravni in 1 na s-ravni. Primer takšne snovi je metan. Prostorska struktura molekul metana je tetraerd, v katerem je valenčni kot 109,5 stopinj. Za spremembo kota je značilna interakcija vodikovih atomov med seboj.
