De ruimtelijke structuur van de moleculen van anorganische en organische stoffen is van groot belang bij het beschrijven van hun chemische en fysische eigenschappen. Als we een stof beschouwen als een verzameling letters en cijfers op papier, is het niet altijd mogelijk om tot de juiste conclusies te komen. Om veel fenomenen te beschrijven, vooral die met betrekking tot organische chemie, is het noodzakelijk om de stereometrische structuur van het molecuul te kennen.
Wat is stereometrie
Stereometrie is een tak van de chemie die de eigenschappen van de moleculen van een stof verklaart op basis van zijn structuur. Bovendien speelt de ruimtelijke representatie van moleculen hier een belangrijke rol, aangezien het is de sleutel tot veel bio-organische verschijnselen.
Stereometrie is een reeks basisregels waarmee bijna elk molecuul in volumetrische vorm kan worden weergegeven. Het nadeel van de brutoformule die op een gewoon stuk papier is geschreven, is dat deze niet de volledige lijst van eigenschappen van de onderzochte stof kan onthullen.
Een voorbeeld is fumaarzuur, dat tot de dibasische klasse behoort. Het is slecht oplosbaar in water,giftig en komt voor in de natuur. Als u echter de ruimtelijke rangschikking van COOH-groepen verandert, kunt u een heel andere stof krijgen - maleïnezuur. Het is zeer goed oplosbaar in water, kan alleen kunstmatig worden verkregen en is gevaarlijk voor de mens vanwege zijn giftige eigenschappen.
Vant Hoffs stereochemische theorie
In de 19e eeuw konden de ideeën van M. Butlerov over de platte structuur van een molecuul niet veel eigenschappen van stoffen verklaren, vooral niet van organische stoffen. Dit was voor Van't Hoff de aanleiding om het werk "Chemistry in Space" te schrijven, waarin hij de theorie van M. Butlerov aanvulde met zijn onderzoek op dit gebied. Hij introduceerde het concept van de ruimtelijke structuur van moleculen en legde ook het belang uit van zijn ontdekking voor de chemische wetenschap.
Zo werd het bestaan van drie soorten melkzuur bewezen: vlees-melkzuur, rechtsdraaiend en gefermenteerd melkzuur. Op een stuk papier voor elk van deze stoffen zal de structuurformule hetzelfde zijn, maar de ruimtelijke structuur van de moleculen verklaart dit fenomeen.
Het resultaat van Van't Hoffs stereochemische theorie was het bewijs van het feit dat het koolstofatoom niet plat is, omdat zijn vier valentiebindingen staan tegenover de hoekpunten van een denkbeeldige tetraëder.
Piramidale ruimtelijke structuur van organische moleculen
Op basis van de bevindingen van Van't Hoff en zijn onderzoek kan elke koolstof in het skelet van organische stof worden weergegeven als een tetraëder. Zo zijn wijwe kunnen 4 mogelijke gevallen van de vorming van CC-bindingen beschouwen en de structuur van dergelijke moleculen verklaren.
Het eerste geval is wanneer het molecuul een enkel koolstofatoom is dat 4 bindingen vormt met waterstofprotonen. De ruimtelijke structuur van methaanmoleculen herha alt bijna volledig de contouren van een tetraëder, maar de bindingshoek is enigszins veranderd door de interactie van waterstofatomen.
De vorming van één chemische C-C-binding kan worden weergegeven als twee piramides, die onderling zijn verbonden door een gemeenschappelijk hoekpunt. Uit een dergelijke constructie van het molecuul blijkt dat deze tetraëders om hun as kunnen draaien en vrijelijk van positie kunnen veranderen. Als we dit systeem beschouwen aan de hand van het voorbeeld van een ethaanmolecuul, kunnen de koolstoffen in het skelet inderdaad roteren. Van de twee karakteristieke posities wordt echter de voorkeur gegeven aan de energetisch gunstige, wanneer de waterstofatomen in de Newman-projectie elkaar niet overlappen.
De ruimtelijke structuur van het ethyleenmolecuul is een voorbeeld van de derde variant van de vorming van CC-bindingen, wanneer twee tetraëders één gemeenschappelijk gezicht hebben, d.w.z. snijden op twee aangrenzende hoekpunten. Het wordt duidelijk dat vanwege een dergelijke stereometrische positie van het molecuul de beweging van koolstofatomen ten opzichte van zijn as moeilijk is, omdat vereist het verbreken van een van de links. Anderzijds wordt de vorming van cis- en trans-isomeren van stoffen mogelijk, aangezien twee vrije radicalen van elke koolstof kunnen worden gespiegeld of gekruist.
Cis- en transpositie van het molecuul verklaart het bestaan van fumaarzuur en maleïnezuurzuren. Er worden twee bindingen gevormd tussen de koolstofatomen in deze moleculen, en elk van hen heeft één waterstofatoom en een COOH-groep.
Het laatste geval, dat de ruimtelijke structuur van moleculen kenmerkt, kan worden weergegeven door twee piramides die één gemeenschappelijk gezicht hebben en onderling verbonden zijn door drie hoekpunten. Een voorbeeld is het acetyleenmolecuul.
Ten eerste hebben zulke moleculen geen cis- of trans-isomeren. Ten tweede kunnen koolstofatomen niet om hun as draaien. En ten derde bevinden alle atomen en hun radicalen zich op dezelfde as, en de bindingshoek is 180 graden.
De beschreven gevallen kunnen natuurlijk worden toegepast op stoffen waarvan het skelet meer dan twee waterstofatomen bevat. Het principe van stereometrische constructie van dergelijke moleculen blijft behouden.
Ruimtelijke structuur van moleculen van anorganische stoffen
De vorming van covalente bindingen in anorganische verbindingen is qua mechanisme vergelijkbaar met die van organische stoffen. Om een binding te vormen, is het nodig om ongedeelde elektronenparen te hebben in twee atomen, die een gemeenschappelijke elektronenwolk vormen.
De overlapping van orbitalen tijdens de vorming van een covalente binding vindt plaats langs één lijn van atoomkernen. Als een atoom twee of meer bindingen vormt, wordt de afstand daartussen gekenmerkt door de waarde van de bindingshoek.
Als we een watermolecuul beschouwen, dat wordt gevormd door één zuurstofatoom en twee waterstofatomen, zou de bindingshoek idealiter 90 graden moeten zijn. Echterexperimentele studies hebben aangetoond dat deze waarde 104,5 graden is. De ruimtelijke structuur van moleculen wijkt af van de theoretisch voorspelde door de aanwezigheid van interactiekrachten tussen waterstofatomen. Ze stoten elkaar af, waardoor de bindingshoek tussen hen toeneemt.
Sp-hybridisatie
Hybridisatie is de theorie van de vorming van identieke hybride orbitalen van een molecuul. Dit fenomeen treedt op vanwege de aanwezigheid van ongedeelde elektronenparen op verschillende energieniveaus in het centrale atoom.
Beschouw bijvoorbeeld de vorming van covalente bindingen in het BeCl2-molecuul. Beryllium heeft ongedeelde elektronenparen op het s- en p-niveau, wat in theorie de vorming van een ongelijk hoekmolecuul zou moeten veroorzaken. In de praktijk zijn ze echter lineair en is de bindingshoek 180 graden.
Sp-hybridisatie wordt gebruikt bij de vorming van twee covalente bindingen. Er zijn echter andere vormen van vorming van hybride orbitalen.
Sp2 hybridisatie
Dit type hybridisatie is verantwoordelijk voor de ruimtelijke structuur van moleculen met drie covalente bindingen. Een voorbeeld is het BCl3-molecuul. Het centrale bariumatoom heeft drie ongedeelde elektronenparen: twee op p-niveau en één op s-niveau.
Drie covalente bindingen vormen een molecuul dat zich in hetzelfde vlak bevindt, en de bindingshoek is 120 graden.
Sp3-hybridisatie
Een andere optie voor de vorming van hybride orbitalen, wanneer het centrale atoom 4 ongedeelde elektronenparen heeft: 3 op p-niveau en 1 op s-niveau. Een voorbeeld van zo'n stof is methaan. De ruimtelijke structuur van methaanmoleculen is een tetraerd, waarbij de valentiehoek 109,5 graden is. De verandering in de hoek wordt gekenmerkt door de interactie van waterstofatomen met elkaar.
