למבנה המרחבי של המולקולות של חומרים אנאורגניים ואורגניים יש חשיבות רבה בתיאור תכונותיהם הכימיות והפיזיקליות. אם ניקח בחשבון חומר כמערכת של אותיות ומספרים על הנייר, לא תמיד ניתן להגיע למסקנות הנכונות. כדי לתאר תופעות רבות, במיוחד אלו הקשורות לכימיה אורגנית, יש צורך לדעת את המבנה הסטריאומטרי של המולקולה.
מהי סטריאומטריה
סטריאומטריה היא ענף בכימיה שמסביר את תכונות המולקולות של חומר על סמך המבנה שלו. יתרה מכך, הייצוג המרחבי של מולקולות משחק כאן תפקיד חשוב, שכן זה המפתח להרבה תופעות ביו-אורגניות.
סטריאומטריה היא קבוצה של כללים בסיסיים שבאמצעותם ניתן לייצג כמעט כל מולקולה בצורה נפחית. החיסרון של הנוסחה הגסה הכתובה על פיסת נייר רגילה הוא חוסר יכולתה לחשוף את רשימת התכונות המלאה של החומר הנחקר.
דוגמה תהיה חומצה פומארית, השייכת למעמד הדי-בסיסי. הוא מסיס בצורה גרועה במים,רעיל וניתן למצוא אותו בטבע. עם זאת, אם תשנה את הסידור המרחבי של קבוצות COOH, אתה יכול לקבל חומר אחר לגמרי - חומצה מאלאית. הוא מסיס מאוד במים, ניתן להשיגו באופן מלאכותי בלבד, והוא מסוכן לבני אדם בשל תכונותיו הרעילות.
התיאוריה הסטריאוכימית של ואנט הוף
במאה ה-19, רעיונותיו של מ. באטלרוב על המבנה השטוח של כל מולקולה לא יכלו להסביר תכונות רבות של חומרים, במיוחד של חומרים אורגניים. זה היה הדחף עבור ואן הוף לכתוב את העבודה "כימיה בחלל", שבה הוא השלים את התיאוריה של מ. באטלרוב עם מחקריו בתחום זה. הוא הציג את הרעיון של המבנה המרחבי של מולקולות, וגם הסביר את חשיבות הגילוי שלו עבור מדע הכימיה.
לכן, הוכח קיומם של שלושה סוגים של חומצה לקטית: חומצת חלב בשר-לקטית, סיבובית מזדקרת וחומצת חלב מותססת. על פיסת נייר עבור כל אחד מהחומרים הללו, נוסחת המבנה תהיה זהה, אך המבנה המרחבי של המולקולות מסביר את התופעה.
התוצאה של התיאוריה הסטריאוכימית של ואן הוף הייתה ההוכחה לעובדה שאטום הפחמן אינו שטוח, משום ארבעת קשרי הערכיות שלו פונים לקודקודים של טטרהדרון דמיוני.
מבנה מרחבי פירמידלי של מולקולות אורגניות
בהתבסס על הממצאים של ואן הוף והמחקר שלו, כל פחמן בשלד של חומר אורגני יכול להיות מיוצג בתור טטרהדרון. ככה אנחנונוכל לשקול 4 מקרים אפשריים של יצירת קשרים C-C ולהסביר את המבנה של מולקולות כאלה.
המקרה הראשון הוא כאשר המולקולה היא אטום פחמן בודד היוצר 4 קשרים עם פרוטוני מימן. המבנה המרחבי של מולקולות מתאן חוזר כמעט לחלוטין על קווי המתאר של טטרהדרון, אולם זווית הקשר השתנתה מעט עקב האינטראקציה של אטומי מימן.
ניתן לייצג את היווצרותו של קשר C-C כימי אחד כשתי פירמידות, המחוברות ביניהן על ידי קודקוד משותף. מבנייה כזו של המולקולה, ניתן לראות שהטטרהדרות הללו יכולות להסתובב סביב הציר שלהן ולשנות מיקום בחופשיות. אם ניקח בחשבון את המערכת הזו באמצעות דוגמה של מולקולת אתאן, הפחמנים בשלד אכן מסוגלים להסתובב. עם זאת, מבין שני העמדות האופייניות, ניתנת העדפה לזו המועדפת מבחינה אנרגטית, כאשר המימנים בהקרנת ניומן אינם חופפים.
המבנה המרחבי של מולקולת האתילן הוא דוגמה לגרסה השלישית של היווצרות קשרי C-C, כאשר לשתי טטרהדרות יש פנים אחד משותף, כלומר. מצטלבים בשני קודקודים סמוכים. מתברר שבגלל מיקום סטריאומטרי כזה של המולקולה, תנועת אטומי הפחמן ביחס לציר שלה קשה, מכיוון דורש שבירת אחד מהקישורים. מצד שני, היווצרות ציס-וטרנס-איזומרים של חומרים מתאפשרת, שכן שני רדיקלים חופשיים מכל פחמן יכולים להיות משוקפים או מוצלבים.
Cis- והטרנספוזיציה של המולקולה מסבירים את קיומם של פומארי ומלאיןחומצות. נוצרים שני קשרים בין אטומי הפחמן במולקולות אלו, ולכל אחד מהם אטום מימן אחד וקבוצת COOH.
המקרה האחרון, המאפיין את המבנה המרחבי של מולקולות, יכול להיות מיוצג על ידי שתי פירמידות שיש להן פנים משותף אחד והן מחוברות ביניהן בשלושה קודקודים. דוגמה לכך היא מולקולת האצטילן.
ראשית, למולקולות כאלה אין איזומרי cis או טרנס. שנית, אטומי פחמן אינם מסוגלים להסתובב סביב הציר שלהם. ושלישית, כל האטומים והרדיקלים שלהם ממוקמים על אותו ציר, וזווית הקשר היא 180 מעלות.
כמובן שניתן ליישם את המקרים המתוארים על חומרים שהשלד שלהם מכיל יותר משני אטומי מימן. עקרון הבנייה הסטריאומטרית של מולקולות כאלה נשמר.
מבנה מרחבי של מולקולות של חומרים אנאורגניים
יצירת קשרים קוולנטיים בתרכובות אנאורגניות דומה במנגנון לזה של חומרים אורגניים. כדי ליצור קשר, יש צורך בזוגות אלקטרונים לא משותפים בשני אטומים, היוצרים ענן אלקטרונים משותף.
החפיפה של אורביטלים במהלך יצירת קשר קוולנטי מתרחשת לאורך קו אחד של גרעיני אטום. אם אטום יוצר שני קשרים או יותר, אזי המרחק ביניהם מאופיין בערך זווית הקשר.
אם ניקח בחשבון מולקולת מים, שנוצרת מאטום חמצן אחד ושני אטומי מימן, זווית הקשר צריכה להיות באופן אידיאלי 90 מעלות. למרות זאתמחקרים ניסיוניים הראו שערך זה הוא 104.5 מעלות. המבנה המרחבי של מולקולות שונה מהמבנה החזוי תיאורטית בשל נוכחותם של כוחות אינטראקציה בין אטומי מימן. הם דוחים זה את זה, ובכך מגדילים את זווית הקשר ביניהם.
Sp-hybridization
הכלאה היא התיאוריה של יצירת אורביטלים היברידיים זהים של מולקולה. תופעה זו מתרחשת עקב נוכחותם של זוגות אלקטרונים לא משותפים ברמות אנרגיה שונות באטום המרכזי.
לדוגמה, שקול את היווצרותם של קשרים קוולנטיים במולקולת BeCl2. לבריליום יש זוגות אלקטרונים לא משותפים ברמות s ו-p, אשר בתיאוריה אמורים לגרום להיווצרות מולקולת פינה לא אחידה. עם זאת, בפועל הם ליניאריים וזווית הקשר היא 180 מעלות.
Sp-hybridization משמש ליצירת שני קשרים קוולנטיים. עם זאת, ישנם סוגים אחרים של היווצרות של אורביטלים היברידיים.
Sp2 הכלאה
סוג זה של הכלאה אחראי למבנה המרחבי של מולקולות עם שלושה קשרים קוולנטיים. דוגמה לכך היא מולקולת BCl3. לאטום הבריום המרכזי יש שלושה זוגות אלקטרונים לא משותפים: שניים ברמת p ואחד ברמת s.
שלושה קשרים קוולנטיים יוצרים מולקולה שנמצאת באותו מישור, וזווית הקשר שלה היא 120 מעלות.
Sp3 הכלאה
אפשרות נוספת ליצירת אורביטלים היברידיים, כאשר לאטום המרכזי יש 4 זוגות אלקטרונים לא משותפים: 3 ברמת p ו-1 ברמת s. דוגמה לחומר כזה הוא מתאן. המבנה המרחבי של מולקולות מתאן הוא טטרארד, זווית הערכיות שבה היא 109.5 מעלות. השינוי בזווית מאופיין באינטראקציה של אטומי מימן זה עם זה.
