Prostorna struktura molekula anorganskih i organskih tvari od velike je važnosti u opisivanju njihovih kemijskih i fizikalnih svojstava. Ako tvar promatramo kao skup slova i brojeva na papiru, nije uvijek moguće doći do pravih zaključaka. Za opis mnogih fenomena, posebno onih vezanih uz organsku kemiju, potrebno je poznavati stereometrijsku strukturu molekule.
Što je stereometrija
Stereometrija je grana kemije koja objašnjava svojstva molekula tvari na temelju njezine strukture. Štoviše, prostorni prikaz molekula ovdje igra važnu ulogu, budući da to je ključ mnogih bioorganskih fenomena.
Stereometrija je skup osnovnih pravila prema kojima se gotovo svaka molekula može predstaviti u volumetrijskom obliku. Nedostatak bruto formule napisane na običnom komadu papira je njezina nemogućnost da otkrije potpuni popis svojstava ispitivane tvari.
Primjer bi bila fumarna kiselina, koja pripada dvobazičnoj klasi. Slabo je topiv u vodi,otrovan i može se naći u prirodi. Međutim, ako promijenite prostorni raspored COOH skupina, možete dobiti sasvim drugu tvar - maleinsku kiselinu. Vrlo je topiv u vodi, može se dobiti samo umjetno i opasan je za ljude zbog svojih toksičnih svojstava.
Vant Hoffova stereokemijska teorija
U 19. stoljeću ideje M. Butlerova o ravnoj strukturi bilo koje molekule nisu mogle objasniti mnoga svojstva tvari, posebno organskih. To je bio poticaj Van't Hoffu da napiše djelo "Kemija u svemiru" u kojem je svojim istraživanjima na ovom području dopunio teoriju M. Butlerova. Uveo je koncept prostorne strukture molekula, a također je objasnio važnost svog otkrića za kemijsku znanost.
Tako je dokazano postojanje tri vrste mliječne kiseline: mesno-mliječne, desnorotacijske i fermentirane mliječne kiseline. Na komadu papira za svaku od ovih tvari, strukturna formula bit će ista, ali prostorna struktura molekula objašnjava ovaj fenomen.
Rezultat Van't Hoffove stereokemijske teorije bio je dokaz činjenice da atom ugljika nije ravan, jer njegove četiri valentne veze okrenute su prema vrhovima imaginarnog tetraedra.
Piramidalna prostorna struktura organskih molekula
Na temelju nalaza Van't Hoffa i njegovog istraživanja, svaki ugljik u kosturu organske tvari može se predstaviti kao tetraedar. Tako mimožemo razmotriti 4 moguća slučaja stvaranja C-C veza i objasniti strukturu takvih molekula.
Prvi slučaj je kada je molekula jedan atom ugljika koji tvori 4 veze s vodikovim protonima. Prostorna struktura molekula metana gotovo u potpunosti ponavlja obrise tetraedra, međutim, kut veze je malo promijenjen zbog interakcije atoma vodika.
Tvorba jedne kemijske C-C veze može se predstaviti kao dvije piramide, koje su međusobno povezane zajedničkim vrhom. Iz takve konstrukcije molekule može se vidjeti da se ti tetraedri mogu okretati oko svoje osi i slobodno mijenjati položaj. Ako ovaj sustav razmotrimo na primjeru molekule etana, ugljici u kosturu doista se mogu rotirati. Međutim, od dva karakteristična položaja, prednost se daje energetski povoljnoj, kada se vodici u Newmanovoj projekciji ne preklapaju.
Prostorna struktura molekule etilena primjer je treće varijante stvaranja C-C veza, kada dva tetraedra imaju jedno zajedničko lice, t.j. sijeku na dva susjedna vrha. Postaje jasno da je zbog takvog stereometrijskog položaja molekule kretanje ugljikovih atoma u odnosu na njegovu os otežano, jer zahtijeva prekid jedne od veza. S druge strane, stvaranje cis- i trans-izomera tvari postaje moguće, budući da dva slobodna radikala iz svakog ugljika mogu biti ili zrcaljeni ili ukršteni.
Cis- i transpozicija molekule objašnjava postojanje fumarne i maleinske kiselinekiseline. Između ugljikovih atoma u tim molekulama nastaju dvije veze, a svaka od njih ima jedan atom vodika i COOH skupinu.
Posljednji slučaj, koji karakterizira prostornu strukturu molekula, može se predstaviti s dvije piramide koje imaju jedno zajedničko lice i međusobno su povezane s tri vrha. Primjer je molekula acetilena.
Prvo, takve molekule nemaju cis ili trans izomere. Drugo, atomi ugljika ne mogu se rotirati oko svoje osi. I treće, svi atomi i njihovi radikali nalaze se na istoj osi, a kut veze je 180 stupnjeva.
Naravno, opisani slučajevi se mogu primijeniti na tvari čiji kostur sadrži više od dva atoma vodika. Načelo stereometričke konstrukcije takvih molekula je zadržano.
Prostorna struktura molekula anorganskih tvari
Stvaranje kovalentnih veza u anorganskim spojevima slično je mehanizmu kao i kod organskih tvari. Za formiranje veze potrebno je imati nepodijeljene elektronske parove u dva atoma, koji tvore zajednički oblak elektrona.
Preklapanje orbitala tijekom stvaranja kovalentne veze događa se duž jedne linije atomskih jezgri. Ako atom tvori dvije ili više veza, tada udaljenost između njih karakterizira vrijednost kuta veze.
Ako uzmemo u obzir molekulu vode, koju tvore jedan atom kisika i dva atoma vodika, kut veze bi idealno trebao biti 90 stupnjeva. Međutimeksperimentalne studije su pokazale da je ta vrijednost 104,5 stupnjeva. Prostorna struktura molekula razlikuje se od teorijski predviđene zbog prisutnosti sila interakcije između atoma vodika. One se međusobno odbijaju, čime se povećava vezni kut između njih.
Sp-hibridizacija
Hibridizacija je teorija formiranja identičnih hibridnih orbitala molekule. Ovaj fenomen nastaje zbog prisutnosti nepodijeljenih elektronskih parova na različitim razinama energije u središnjem atomu.
Na primjer, razmotrite stvaranje kovalentnih veza u molekuli BeCl2. Berilij ima nepodijeljene elektronske parove na s i p razinama, što bi u teoriji trebalo uzrokovati stvaranje neravne kutne molekule. Međutim, u praksi su linearni i vezni kut je 180 stupnjeva.
Sp-hibridizacija se koristi za stvaranje dvije kovalentne veze. Međutim, postoje i druge vrste formiranja hibridnih orbitala.
Sp2 hibridizacija
Ova vrsta hibridizacije odgovorna je za prostornu strukturu molekula s tri kovalentne veze. Primjer je molekula BCl3. Središnji atom barija ima tri nepodijeljena elektronska para: dva na p-razini i jedan na s-razini.
Tri kovalentne veze tvore molekulu koja se nalazi u istoj ravnini, a njezin vezni kut je 120 stupnjeva.
Sp3 hibridizacija
Još jedna opcija za formiranje hibridnih orbitala, kada središnji atom ima 4 nepodijeljena elektronska para: 3 na p-razini i 1 na s-razini. Primjer takve tvari je metan. Prostorna struktura molekula metana je tetraerd, valentni kut u kojem je 109,5 stupnjeva. Promjenu kuta karakterizira interakcija atoma vodika jedan s drugim.
