Priestorová štruktúra molekúl anorganických a organických látok má veľký význam pri opise ich chemických a fyzikálnych vlastností. Ak látku považujeme za súbor písmen a číslic na papieri, nie vždy je možné dospieť k správnym záverom. Na opísanie mnohých javov, najmä tých, ktoré súvisia s organickou chémiou, je potrebné poznať stereometrickú štruktúru molekuly.
Čo je stereometria
Stereometria je odvetvie chémie, ktoré vysvetľuje vlastnosti molekúl látky na základe jej štruktúry. Okrem toho tu hrá dôležitú úlohu priestorové zastúpenie molekúl je kľúčom k mnohým bioorganickým javom.
Stereometria je súbor základných pravidiel, podľa ktorých môže byť takmer každá molekula reprezentovaná v objemovej forme. Nevýhodou hrubého vzorca napísaného na bežnom papieri je jeho neschopnosť odhaliť úplný zoznam vlastností skúmanej látky.
Príkladom môže byť kyselina fumarová, ktorá patrí do dvojsýtnej triedy. Je slabo rozpustný vo vode,jedovatý a možno ho nájsť v prírode. Ak však zmeníte priestorové usporiadanie skupín COOH, môžete získať úplne inú látku - kyselinu maleínovú. Je vysoko rozpustný vo vode, dá sa získať iba umelo a je nebezpečný pre ľudí kvôli svojim toxickým vlastnostiam.
Vant Hoffova stereochemická teória
V 19. storočí myšlienky M. Butlerova o plochej štruktúre akejkoľvek molekuly nedokázali vysvetliť mnohé vlastnosti látok, najmä organických. To bolo podnetom pre van't Hoffa k napísaniu práce „Chémia vo vesmíre“, v ktorej svojimi výskumami v tejto oblasti doplnil teóriu M. Butlerova. Predstavil koncept priestorovej štruktúry molekúl a tiež vysvetlil dôležitosť svojho objavu pre chemickú vedu.
Preukázala sa teda existencia troch druhov kyseliny mliečnej: mäsovo-mliečna, pravotočivá a fermentovaná. Na kúsku papiera pre každú z týchto látok bude štruktúrny vzorec rovnaký, ale priestorová štruktúra molekúl vysvetľuje tento jav.
Výsledok Van't Hoffovej stereochemickej teórie bol dôkazom skutočnosti, že atóm uhlíka nie je plochý, pretože jeho štyri valenčné väzby smerujú k vrcholom imaginárneho štvorstenu.
Pyramídová priestorová štruktúra organických molekúl
Na základe zistení van'ta Hoffa a jeho výskumu možno každý uhlík v kostre organickej hmoty znázorniť ako štvorsten. Takto mymôžeme zvážiť 4 možné prípady vzniku C-C väzieb a vysvetliť štruktúru takýchto molekúl.
Prvý prípad je, keď molekulou je jeden atóm uhlíka, ktorý tvorí 4 väzby s protónmi vodíka. Priestorová štruktúra molekúl metánu takmer úplne opakuje obrysy štvorstenu, uhol väzby je však mierne zmenený v dôsledku interakcie atómov vodíka.
Tvorbu jednej chemickej väzby C-C možno znázorniť ako dve pyramídy, ktoré sú vzájomne prepojené spoločným vrcholom. Z takejto konštrukcie molekuly je vidieť, že tieto štvorsteny sa môžu otáčať okolo svojej osi a voľne meniť polohu. Ak vezmeme do úvahy tento systém na príklade molekuly etánu, uhlíky v kostre sú skutočne schopné rotovať. Z dvoch charakteristických polôh je však uprednostňovaná energeticky priaznivá poloha, keď sa vodíky v Newmanovej projekcii neprekrývajú.
Priestorová štruktúra molekuly etylénu je príkladom tretieho variantu tvorby C-C väzieb, kedy dva tetraédry majú jednu spoločnú tvár, t.j. pretínajú v dvoch susedných vrcholoch. Je zrejmé, že kvôli takejto stereometrickej polohe molekuly je pohyb atómov uhlíka vzhľadom na jej os obtiažny, pretože vyžaduje prerušenie jedného z odkazov. Na druhej strane je možná tvorba cis- a trans-izomérov látok, pretože dva voľné radikály z každého uhlíka sa môžu zrkadliť alebo krížiť.
Cis- a transpozícia molekuly vysvetľuje existenciu fumarovej a maleínovejkyseliny. Medzi atómami uhlíka v týchto molekulách sú vytvorené dve väzby a každá z nich má jeden atóm vodíka a skupinu COOH.
Posledný prípad, ktorý charakterizuje priestorovú štruktúru molekúl, môžu predstavovať dve pyramídy, ktoré majú jednu spoločnú stranu a sú vzájomne prepojené tromi vrcholmi. Príkladom je molekula acetylénu.
Po prvé, takéto molekuly nemajú cis alebo trans izoméry. Po druhé, atómy uhlíka sa nemôžu otáčať okolo svojej osi. A po tretie, všetky atómy a ich radikály sú umiestnené na rovnakej osi a väzbový uhol je 180 stupňov.
Popísané prípady sa samozrejme dajú aplikovať na látky, ktorých kostra obsahuje viac ako dva atómy vodíka. Princíp stereometrickej konštrukcie takýchto molekúl je zachovaný.
Priestorová štruktúra molekúl anorganických látok
Tvorba kovalentných väzieb v anorganických zlúčeninách je podobným mechanizmom ako u organických látok. Na vytvorenie väzby je potrebné mať v dvoch atómoch nezdieľané elektrónové páry, ktoré tvoria spoločný elektrónový oblak.
K prekrývaniu orbitálov počas tvorby kovalentnej väzby dochádza pozdĺž jednej línie atómových jadier. Ak atóm vytvorí dve alebo viac väzieb, vzdialenosť medzi nimi je charakterizovaná hodnotou uhla väzby.
Ak vezmeme do úvahy molekulu vody, ktorá je tvorená jedným atómom kyslíka a dvoma atómami vodíka, uhol väzby by mal byť ideálne 90 stupňov. Avšakexperimentálne štúdie ukázali, že táto hodnota je 104,5 stupňa. Priestorová štruktúra molekúl sa líši od teoreticky predpovedanej v dôsledku prítomnosti interakčných síl medzi atómami vodíka. Navzájom sa odpudzujú, čím zväčšujú uhol väzby medzi nimi.
Sp-hybridizácia
Hybridizácia je teória tvorby identických hybridných orbitálov molekuly. K tomuto javu dochádza v dôsledku prítomnosti nezdieľaných elektrónových párov na rôznych energetických úrovniach v centrálnom atóme.
Zvážte napríklad tvorbu kovalentných väzieb v molekule BeCl2. Berýlium má nezdieľané elektrónové páry na úrovni s a p, čo by teoreticky malo spôsobiť vytvorenie nerovnomernej rohovej molekuly. V praxi sú však lineárne a väzbový uhol je 180 stupňov.
Sp-hybridizácia sa používa pri tvorbe dvoch kovalentných väzieb. Existujú však aj iné typy tvorby hybridných orbitálov.
Sp2 hybridizácia
Tento typ hybridizácie je zodpovedný za priestorovú štruktúru molekúl s tromi kovalentnými väzbami. Príkladom je molekula BCl3. Centrálny atóm bária má tri nezdieľané elektrónové páry: dva na úrovni p a jeden na úrovni s.
Tri kovalentné väzby tvoria molekulu, ktorá sa nachádza v rovnakej rovine a jej väzbový uhol je 120 stupňov.
Sp3 hybridizácia
Ďalšia možnosť vytvorenia hybridných orbitálov, keď má centrálny atóm 4 nezdieľané elektrónové páry: 3 na úrovni p a 1 na úrovni s. Príkladom takejto látky je metán. Priestorová štruktúra molekúl metánu je tetraerd, valenčný uhol je 109,5 stupňa. Zmena uhla je charakterizovaná vzájomnou interakciou atómov vodíka.
