ساختار فضایی مولکولهای مواد معدنی و آلی در توصیف خواص شیمیایی و فیزیکی آنها اهمیت زیادی دارد. اگر یک ماده را مجموعه ای از حروف و اعداد روی کاغذ در نظر بگیریم، همیشه نمی توان به نتایج درستی رسید. برای توصیف بسیاری از پدیده ها، به ویژه پدیده های مرتبط با شیمی آلی، شناخت ساختار استریومتریک مولکول ضروری است.
استریومتری چیست
استریومتری شاخه ای از شیمی است که خواص مولکول های یک ماده را بر اساس ساختار آن توضیح می دهد. علاوه بر این، نمایش فضایی مولکول ها در اینجا نقش مهمی ایفا می کند این کلید بسیاری از پدیده های بیورگانیک است.
استریومتری مجموعه ای از قوانین اساسی است که تقریباً هر مولکولی را می توان به شکل حجمی نشان داد. نقطه ضعف فرمول ناخالص نوشته شده روی یک تکه کاغذ معمولی ناتوانی آن در آشکار کردن لیست کامل خواص ماده مورد مطالعه است.
یک مثال می تواند اسید فوماریک باشد که به کلاس دوبازیک تعلق دارد. در آب کم محلول است،سمی است و در طبیعت یافت می شود. با این حال، اگر آرایش فضایی گروه های COOH را تغییر دهید، می توانید یک ماده کاملاً متفاوت - اسید مالئیک - دریافت کنید. این ماده در آب بسیار محلول است، فقط به صورت مصنوعی می توان آن را به دست آورد و به دلیل خواص سمی آن برای انسان خطرناک است.
نظریه استریوشیمیایی وانت هاف
در قرن نوزدهم، ایده های M. Butlerov در مورد ساختار مسطح هر مولکولی نمی توانست بسیاری از خواص مواد، به ویژه مواد آلی را توضیح دهد. این انگیزه ای بود برای وانت هاف برای نوشتن اثر "شیمی در فضا"، که در آن نظریه M. Butlerov را با تحقیقات خود در این زمینه تکمیل کرد. او مفهوم ساختار فضایی مولکول ها را معرفی کرد و همچنین اهمیت کشف خود را برای علم شیمی توضیح داد.
بنابراین وجود سه نوع اسید لاکتیک ثابت شد: اسید لاکتیک گوشتی، راست چرخشی و لاکتیک تخمیری. در یک تکه کاغذ برای هر یک از این مواد، فرمول ساختاری یکسان خواهد بود، اما ساختار فضایی مولکول ها این پدیده را توضیح می دهد.
نتیجه نظریه استریوشیمیایی Van't Hoff اثبات این واقعیت بود که اتم کربن مسطح نیست، زیرا چهار پیوند ظرفیتی آن با رئوس یک چهار وجهی خیالی روبرو هستند.
ساختار فضایی هرمی مولکولهای آلی
بر اساس یافته های وانت هاف و تحقیقات او، هر کربن موجود در اسکلت مواد آلی را می توان به عنوان یک چهار وجهی نشان داد. اینطوری ماما می توانیم 4 مورد احتمالی از تشکیل پیوندهای C-C را در نظر بگیریم و ساختار چنین مولکول هایی را توضیح دهیم.
اولین مورد زمانی است که مولکول یک اتم کربن منفرد است که با پروتون های هیدروژن 4 پیوند تشکیل می دهد. ساختار فضایی مولکول های متان تقریباً به طور کامل خطوط یک چهار وجهی را تکرار می کند، با این حال، زاویه پیوند به دلیل برهمکنش اتم های هیدروژن کمی تغییر می کند.
تشکیل یک پیوند شیمیایی C-C را می توان به صورت دو هرم نشان داد که توسط یک راس مشترک به هم مرتبط هستند. از چنین ساختاری از مولکول، می توان دریافت که این چهار وجهی ها می توانند حول محور خود بچرخند و آزادانه موقعیت خود را تغییر دهند. اگر این سیستم را با استفاده از مثالی از یک مولکول اتان در نظر بگیریم، کربن های موجود در اسکلت در واقع قادر به چرخش هستند. با این حال، از بین دو موقعیت مشخصه، زمانی که هیدروژن‌های موجود در برآمدگی نیومن همپوشانی ندارند، اولویت به موقعیت مطلوب از نظر انرژی داده می‌شود.
ساختار فضایی مولکول اتیلن نمونه ای از سومین گونه از تشکیل پیوندهای C-C است، زمانی که دو چهار وجهی یک وجه مشترک دارند، یعنی. در دو راس مجاور هم قطع می شوند. روشن می شود که به دلیل چنین موقعیت استریومتری مولکول، حرکت اتم های کربن نسبت به محور آن دشوار است، زیرا نیاز به شکستن یکی از پیوندها دارد. از سوی دیگر، تشکیل سیس و ایزومرهای ترانس مواد ممکن می شود، زیرا دو رادیکال آزاد از هر کربن را می توان منعکس کرد یا متقاطع کرد.
Cis- و جابجایی مولکول وجود فوماریک و مالئیک را توضیح می دهد.اسیدها دو پیوند بین اتم های کربن در این مولکول ها تشکیل می شود و هر یک از آنها دارای یک اتم هیدروژن و یک گروه COOH هستند.
آخرین مورد که ساختار فضایی مولکول ها را مشخص می کند، می تواند با دو هرم که یک وجه مشترک دارند و با سه رأس به هم مرتبط هستند نشان داد. یک مثال مولکول استیلن است.
اولاً، چنین مولکول هایی ایزومرهای سیس یا ترانس ندارند. دوم اینکه اتم های کربن قادر به چرخش حول محور خود نیستند. و سوم اینکه همه اتمها و رادیکالهای آنها در یک محور قرار دارند و زاویه پیوند 180 درجه است.
البته موارد توصیف شده را می توان در مورد موادی به کار برد که اسکلت آنها بیش از دو اتم هیدروژن دارد. اصل ساختار استریومتریک این گونه مولکول ها حفظ می شود.
ساختار فضایی مولکولهای مواد معدنی
تشکیل پیوندهای کووالانسی در ترکیبات معدنی از نظر مکانیسم مشابه با مواد آلی است. برای تشکیل یک پیوند، لازم است که جفت‌های الکترونی مشترک در دو اتم وجود داشته باشند که یک ابر الکترونی مشترک را تشکیل می‌دهند.
همپوشانی اوربیتال ها در طول تشکیل یک پیوند کووالانسی در امتداد یک خط از هسته های اتم رخ می دهد. اگر یک اتم دو یا چند پیوند تشکیل دهد، فاصله بین آنها با مقدار زاویه پیوند مشخص می شود.
اگر یک مولکول آب را در نظر بگیریم که توسط یک اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن تشکیل شده است، زاویه پیوند در حالت ایده آل باید 90 درجه باشد. با این حالمطالعات تجربی نشان داده است که این مقدار 104.5 درجه است. ساختار فضایی مولکول ها به دلیل وجود نیروهای برهمکنش بین اتم های هیدروژن با ساختار تئوری پیش بینی شده متفاوت است. آنها یکدیگر را دفع می کنند و در نتیجه زاویه پیوند بین آنها را افزایش می دهند.
Sp-hybridization
هیبریداسیون تئوری تشکیل اوربیتال های هیبریدی یکسان یک مولکول است. این پدیده به دلیل وجود جفت الکترون های مشترک در سطوح مختلف انرژی در اتم مرکزی رخ می دهد.
برای مثال، تشکیل پیوندهای کووالانسی در مولکول BeCl2 را در نظر بگیرید. بریلیم دارای جفت های الکترونی مشترک در سطوح s و p است که در تئوری باید باعث تشکیل یک مولکول گوشه ناهموار شود. با این حال، در عمل آنها خطی هستند و زاویه پیوند 180 درجه است.
هیبریداسیون Sp در تشکیل دو پیوند کووالانسی استفاده می شود. با این حال، انواع دیگری از تشکیل اوربیتال های هیبریدی وجود دارد.
هیبریداسیون Sp2
این نوع هیبریداسیون مسئول ساختار فضایی مولکول های دارای سه پیوند کووالانسی است. به عنوان مثال، مولکول BCl3 است. اتم باریم مرکزی دارای سه جفت الکترون مشترک است: دو جفت در سطح p و یکی در سطح s.
سه پیوند کووالانسی مولکولی را تشکیل می دهند که در یک صفحه قرار دارد و زاویه پیوند آن 120 درجه است.
هیبریداسیون Sp3
گزینه دیگری برای تشکیل اوربیتال های ترکیبی، زمانی که اتم مرکزی دارای 4 جفت الکترون مشترک است: 3 در سطح p و 1 در سطح s. نمونه ای از چنین ماده ای متان است. ساختار فضایی مولکول های متان یک چهارتایی است که زاویه ظرفیت آن 109.5 درجه است. تغییر در زاویه با برهمکنش اتم های هیدروژن با یکدیگر مشخص می شود.
