Пространственное строение молекул неорганических и органических веществ
Пространственное строение молекул неорганических и органических веществ имеет большое значение при описании их химических и физических свойств. Если рассматривать вещество как набор буковок и цифр на бумаге, не всегда можно прийти к правильным выводам. Чтобы описать многие явления, особенно связанные с органической химией, необходимо знать стереометрическое строение молекулы.
Что такое стереометрия
Стереометрия – это раздел химии, который объясняет свойства молекул вещества исходя из его строения. Причем пространственное представление молекул играет здесь большую роль, т.к. оно является ключом к разгадке многих биоорганических явлений.
Стереометрия представляет собой комплекс основных правил, по которым почти любую молекулу можно представить в объемной форме. Недостатком брутто-формулы, написанной на обычном листке бумаги, является неспособность ее раскрыть полный перечень свойств исследуемого вещества.
Примером может случить фумаровая кислота, которая относится к классу двухосновных. Она плохо растворима в воде, не ядовита и может встречаться в природе. Однако, если изменить пространственное расположение СООН-групп, можно получить совершенно другое вещество – малеиновую кислоту. Она хорошо растворима в воде, может быть получена только искусственно, представляет собой опасность для человека из-за токсичных свойств.
Стереохимическая теория Вант-Гоффа
В 19 веке представления М.Бутлерова о плоском строении любой молекулы не могли объяснить многих свойств веществ, особенно органики. Это послужило толчком к написанию Вант-Гоффом работы «Химия в пространстве», в которой он дополнил теорию М.Бутлерова своими исследованиями в этой области. Он ввел понятие пространственного строения молекул, а также пояснил важность своего открытия для химической науки.
Так было доказано существование трех видов молочной кислоты: мясо-молочной, правовращающей и молочной кислоты брожения. На листе бумаги для каждого из этих веществ структурная формула будет одна и та же, однако пространственное строение молекул объясняет это явление.
Следствием стереохимической теории Вант-Гоффа стало доказательство того факта, что углеродный атом не является плоским, т.к. его четыре валентные связи обращены к вершинам воображаемого тетраэдра.
Пирамидальное пространственное строение органических молекул
Исходя их выводов Вант-Гоффа и его исследований, каждый углерод в скелете органического вещества можно представить в виде тетраэдра. Так мы можем рассмотреть 4 возможных случая образования С-С связей и объяснить строение таких молекул.
Первый случай - когда молекула представляет собой один атом углерода, который образует 4 связи с протонами водорода. Пространственное строение молекул метана практически полностью повторяет очертания тетраэдра, однако валентный угол немного изменен вследствие взаимодействия атомов водорода.
Образование одной химической С-С связи можно представить в виде двух пирамид, которые соединены между собой общей вершиной. Из такого построения молекулы видно, что эти тетраэдры могут вращаться вокруг своей оси и свободно менять положение. Если рассматривать эту систему на примере молекулы этана, углероды в скелете действительно способны вращаться. Однако из двух характерных положений предпочтение отдается энергетически выгодному, когда водороды в проекции Ньюмана не перекрываются.
Пространственное строение молекулы этилена служит примером третьего варианта образования С-С связей, когда два тетраэдра имеют одну общую грань, т.е. пересекаются по двум смежным вершинам. Становится понятно, что из-за такого стереометрического положения молекулы движение атомов углерода относительно своей оси затруднено, т.к. требует разрыва одной из связей. Зато становится возможным образование цис- и трансизомеров веществ, т.к. два свободных радикала от каждого углерода могут располагаться либо зеркально, либо крест-накрест.
Цис- и трансположение молекулы объясняет существование фумаровой и малеиновой кислот. Между атомами углерода в этих молекулах образовано две связи, и на каждый из них приходится по одному атому водорода и СООН-группе.
Последний случай, характеризующий пространственное строение молекул, может быть представлен двумя пирамидами, которые имеют одну общую грань и соединены между собой тремя вершинами. Примером является молекула ацетилена.
Во-первых, такие молекулы не имеют цис- или транс-изомеров. Во-вторых, атомы углерода не способны вращаться вокруг своей оси. И в-третьих, все атомы и их радикалы располагаются на одной оси, а валентный угол составляет 180 градусов.
Безусловно, описанные случаи могут применяться к веществам, скелет которых содержит более двух атомов водорода. Принцип стереометрического построения таких молекул сохраняется.
Пространственное строение молекул неорганических веществ
Образование ковалентных связей в неорганических соединениях сходно по механизму с таковым у органических веществ. Для образования связи необходимо наличие неподеленных электронных пар у двух атомов, которые образуют общее электронное облако.
Перекрывание орбиталей при образовании ковалентной связи происходит по одной линии ядер атомов. Если атом образует две и более связи, то расстояние между ними характеризуется величиной валентного угла.
Если рассматривать молекулу воды, которая образована одним атомом кислорода и двумя атомами водорода, валентный угол в идеале должен был бы составить 90 градусов. Однако экспериментальные исследования доказали, что эта величина составляет 104,5 градусов. Пространственное строение молекул отличается от теоретически предсказанного из-за наличия сил взаимодействия между атомами водорода. Они отталкиваются друг от друга, тем самым увеличивая валентный угол между ними.
Sp-гибридизация
Гибридизация – это теория образования одинаковых гибридных орбиталей молекулы. Происходит это явление из-за наличия у центрального атома неподеленных электронных пар на разных энергетических уровнях.
Для примера рассмотрим образование ковалентных связей молекулы BeCl2. У Бериллия неподеленные электронные пары находятся на s и p уровнях, что в теории должно послужить причиной образования неровной угловой молекулы. Однако на практике они линейные, а валентный угол составляет 180 градусов.
Sp-гибридизация используется при формировании двух ковалентных связей. Однако существуют и другие виды образования гибридных орбиталей.
Sp2-гибридизация
Этот тип гибридизации отвечает за пространственное строение молекул с тремя ковалентными связями. Примером является молекула BCl3. Центральный атом бария имеет три неподеленные электронные пары: две на p-уровне и одну на s-уровне.
Три ковалентные связи образуют молекулу, которая располагается в одной плоскости, а ее валентный угол составляет 120 градусов.
Sp3-гибридизация
Еще один вариант формирования гибридных орбиталей, когда центральный атом имеет 4 неподеленные электронные пары: 3 на p-уровне и 1 на s-уровне. Пример такого вещества – метан. Пространственное строение молекул метана представляет собой тетраэрд, валентный угол в котором составляет 109,5 градусов. Изменение величины угла характеризуется взаимодействием атомов водорода между собой.