A szervetlen és szerves anyagok molekuláinak térbeli szerkezete nagy jelentőséggel bír kémiai és fizikai tulajdonságaik leírásában. Ha egy anyagot papíron lévő betűk és számok halmazának tekintünk, nem mindig lehet megfelelő következtetéseket levonni. Számos jelenség leírásához, különösen a szerves kémiával kapcsolatosak leírásához, ismerni kell a molekula sztereometrikus szerkezetét.
Mi az a sztereometria
A sztereometria a kémia egyik ága, amely egy anyag molekuláinak tulajdonságait a szerkezete alapján magyarázza meg. Sőt, itt fontos szerepet játszik a molekulák térbeli ábrázolása is, hiszen ez sok bioorganikus jelenség kulcsa.
A sztereometria olyan alapvető szabályok összessége, amelyek alapján szinte minden molekula ábrázolható térfogati formában. A normál papírra írt bruttó képlet hátránya, hogy nem képes felfedni a vizsgált anyag tulajdonságainak teljes listáját.
Példa erre a fumársav, amely a kétbázisú osztályba tartozik. Vízben rosszul oldódik,mérgező és megtalálható a természetben. Ha azonban megváltoztatja a COOH csoportok térbeli elrendezését, teljesen más anyagot kaphat - maleinsavat. Vízben jól oldódik, csak mesterségesen nyerhető, mérgező tulajdonságai miatt emberre is veszélyes.
Vant Hoff sztereokémiai elmélete
A 19. században M. Butlerov elképzelései bármely molekula lapos szerkezetéről nem tudták megmagyarázni az anyagok, különösen a szerves anyagok számos tulajdonságát. Ez ösztönözte van't Hoffot a „Kémia az űrben” című művének megírására, amelyben M. Butlerov elméletét egészítette ki ezen a területen végzett kutatásaival. Bevezette a molekulák térszerkezetének fogalmát, és kifejtette felfedezésének fontosságát a kémiai tudomány számára.
Így bebizonyosodott, hogy háromféle tejsav létezik: hús-tejsav, jobbra forgató és fermentált tejsav. Egy papírlapon mindegyik anyag szerkezeti képlete ugyanaz lesz, de a molekulák térbeli szerkezete megmagyarázza ezt a jelenséget.
Van't Hoff sztereokémiai elméletének eredménye annak a bizonyítéka volt, hogy a szénatom nem lapos, mert négy vegyértékkötése egy képzeletbeli tetraéder csúcsai felé néz.
Szerves molekulák piramis térszerkezete
Van't Hoff és kutatásai eredményei alapján a szerves anyag vázában minden szénatom tetraéderként ábrázolható. Így vagyunk mia C-C kötések kialakulásának 4 lehetséges esetét vizsgálhatjuk, és megmagyarázhatjuk az ilyen molekulák szerkezetét.
Az első eset az, amikor a molekula egyetlen szénatom, amely 4 kötést képez a hidrogén protonjaival. A metánmolekulák térszerkezete szinte teljesen megismétli a tetraéder körvonalait, azonban a kötési szög a hidrogénatomok kölcsönhatása miatt kissé megváltozik.
Egy kémiai C-C kötés kialakulása két piramisként ábrázolható, amelyeket egy közös csúcs köt össze. A molekula ilyen felépítéséből látható, hogy ezek a tetraéderek a tengelyük körül foroghatnak, és szabadon változtathatják pozíciójukat. Ha ezt a rendszert egy etánmolekula példájával vesszük figyelembe, akkor a csontváz szénatomjai valóban képesek forogni. A két jellemző helyzet közül azonban az energetikailag kedvezőt részesítjük előnyben, amikor a hidrogének a Newman-projekcióban nem fedik egymást.
Az etilénmolekula térszerkezete a C-C kötések kialakulásának harmadik változatának példája, amikor két tetraédernek egy közös lapja van, pl. metszi egymást két szomszédos csúcsban. Világossá válik, hogy a molekula ilyen sztereometrikus helyzete miatt a szénatomok mozgása a tengelyéhez képest nehézkes, mert meg kell szakítani az egyik linket. Másrészt lehetővé válik az anyagok cisz- és transz-izomereinek képződése, mivel minden szénből két szabad gyök tükrözhető vagy keresztezhető.
A cisz- és a molekula transzpozíciója megmagyarázza a fumár és a malein létezésétsavak. Ezekben a molekulákban két kötés jön létre a szénatomok között, és mindegyikben van egy hidrogénatom és egy COOH-csoport.
Az utolsó eset, amely a molekulák térszerkezetét jellemzi, két olyan piramissal ábrázolható, amelyeknek egy közös lapja van, és amelyeket három csúcs köt össze. Példa erre az acetilén molekula.
Először is, az ilyen molekulák nem rendelkeznek cisz- vagy transz-izomerekkel. Másodszor, a szénatomok nem képesek a tengelyük körül forogni. Harmadszor pedig, minden atom és gyökük ugyanazon a tengelyen helyezkedik el, és a kötési szög 180 fok.
Természetesen a leírt esetek alkalmazhatók olyan anyagokra is, amelyek váza kettőnél több hidrogénatomot tartalmaz. Az ilyen molekulák sztereometrikus felépítésének elve megmarad.
Szervetlen anyagok molekuláinak térszerkezete
A szervetlen vegyületek kovalens kötéseinek mechanizmusa hasonló a szerves anyagokéhoz. A kötés kialakításához két atomban nem megosztott elektronpárokra van szükség, amelyek közös elektronfelhőt alkotnak.
A pályák átfedése kovalens kötés kialakulása során az atommagok egy vonala mentén történik. Ha egy atom két vagy több kötést alkot, akkor a köztük lévő távolságot a kötésszög értékével jellemezzük.
Ha egy vízmolekulát tekintünk, amelyet egy oxigénatom és két hidrogénatom alkot, a kötési szög ideális esetben 90 fok legyen. azonbankísérleti vizsgálatok kimutatták, hogy ez az érték 104,5 fok. A molekulák térbeli szerkezete eltér az elméletileg előre jelzetttől a hidrogénatomok közötti kölcsönhatási erők jelenléte miatt. Taszítják egymást, ezáltal növelik a köztük lévő kötési szöget.
Sp-hibridizáció
A hibridizáció egy molekula azonos hibrid pályáinak kialakulásának elmélete. Ez a jelenség a központi atomban különböző energiaszintű meg nem osztott elektronpárok miatt következik be.
Vegyük például kovalens kötések kialakulását a BeCl2 molekulában. A berillium s és p szinten megosztott elektronpárokkal rendelkezik, amelyek elméletileg egyenetlen sarokmolekula kialakulását okozzák. A gyakorlatban azonban lineárisak, és a kötési szög 180 fok.
Az Sp-hibridizációt két kovalens kötés kialakítására használják. Vannak azonban más típusú hibrid pályák kialakulásának is.
Sp2 hibridizáció
Ez a típusú hibridizáció felelős a három kovalens kötést tartalmazó molekulák térbeli szerkezetéért. Példa erre a BCl3 molekula. A központi báriumatom három meg nem osztott elektronpárral rendelkezik: kettő a p-szinten és egy az s-szinten.
Három kovalens kötés alkot egy molekulát, amely ugyanabban a síkban helyezkedik el, és kötési szöge 120 fok.
Sp3 hibridizáció
Másik lehetőség hibrid pályák kialakítására, amikor a központi atomnak 4 meg nem osztott elektronpárja van: 3 a p-szinten és 1 az s-szinten. Ilyen anyag például a metán. A metánmolekulák térszerkezete tetraerd, amelyben a vegyértékszög 109,5 fok. A szögváltozást a hidrogénatomok egymás közötti kölcsönhatása jellemzi.
