Prostorová struktura molekul anorganických a organických látek má velký význam při popisu jejich chemických a fyzikálních vlastností. Pokud látku považujeme za soubor písmen a číslic na papíře, není vždy možné dojít ke správným závěrům. K popisu mnoha jevů, zejména těch, které se týkají organické chemie, je nutné znát stereometrickou strukturu molekuly.
Co je stereometrie
Stereometrie je odvětví chemie, které vysvětluje vlastnosti molekul látky na základě její struktury. Kromě toho zde hraje důležitou roli prostorová reprezentace molekul je klíčem k mnoha bioorganickým jevům.
Stereometrie je soubor základních pravidel, podle kterých lze téměř jakoukoli molekulu znázornit v objemové formě. Nevýhodou hrubého vzorce napsaného na běžném kusu papíru je jeho neschopnost odhalit úplný seznam vlastností zkoumané látky.
Příkladem může být kyselina fumarová, která patří do dvojsytné třídy. Je špatně rozpustný ve vodě,jedovaté a lze je nalézt v přírodě. Pokud však změníte prostorové uspořádání skupin COOH, můžete získat úplně jinou látku – kyselinu maleinovou. Je vysoce rozpustný ve vodě, lze jej získat pouze uměle a je nebezpečný pro člověka kvůli svým toxickým vlastnostem.
Vant Hoffova stereochemická teorie
V 19. století nedokázaly představy M. Butlerova o ploché struktuře žádné molekuly vysvětlit mnoho vlastností látek, zejména organických. To bylo podnětem pro van't Hoffa k napsání díla „Chemistry in Space“, ve kterém svými výzkumy v této oblasti doplnil teorii M. Butlerova. Představil koncept prostorové struktury molekul a také vysvětlil důležitost svého objevu pro chemickou vědu.
Byla tedy prokázána existence tří typů kyseliny mléčné: masové mléčné, pravotočivé a fermentované kyseliny mléčné. Na kusu papíru pro každou z těchto látek bude strukturní vzorec stejný, ale tento jev vysvětluje prostorová struktura molekul.
Výsledek Van't Hoffovy stereochemické teorie byl důkazem skutečnosti, že atom uhlíku není plochý, protože jeho čtyři valenční vazby směřují k vrcholům pomyslného čtyřstěnu.
Pyramidová prostorová struktura organických molekul
Na základě zjištění van't Hoffa a jeho výzkumu lze každý uhlík v kostře organické hmoty reprezentovat jako čtyřstěn. Tak jsme mymůžeme zvážit 4 možné případy vzniku vazeb C-C a vysvětlit strukturu takových molekul.
První případ je, když molekula je jeden atom uhlíku, který tvoří 4 vazby s protony vodíku. Prostorová struktura molekul metanu téměř úplně opakuje obrysy čtyřstěnu, avšak vazebný úhel je mírně změněn v důsledku interakce atomů vodíku.
Tvorbu jedné chemické vazby C-C lze znázornit jako dvě pyramidy, které jsou propojeny společným vrcholem. Z takové konstrukce molekuly je vidět, že tyto čtyřstěny se mohou otáčet kolem své osy a volně měnit polohu. Pokud vezmeme v úvahu tento systém na příkladu molekuly ethanu, uhlíky v kostře jsou skutečně schopny rotace. Ze dvou charakteristických poloh je však dána přednost té energeticky příznivé, kdy se vodíky v Newmanově projekci nepřekrývají.
Prostorová struktura molekuly etylenu je příkladem třetí varianty vzniku C-C vazeb, kdy dva tetraedry mají jednu společnou plochu, tzn. se protínají ve dvou sousedních vrcholech. Je zřejmé, že kvůli takové stereometrické poloze molekuly je pohyb atomů uhlíku vzhledem k její ose obtížný, protože vyžaduje přerušení jednoho z odkazů. Na druhé straně je možná tvorba cis- a trans-izomerů látek, protože dva volné radikály z každého uhlíku mohou být buď zrcadlené, nebo zkřížené.
Cis- a transpozice molekuly vysvětluje existenci fumarové a maleinovékyseliny. Mezi atomy uhlíku v těchto molekulách jsou vytvořeny dvě vazby a každá z nich má jeden atom vodíku a skupinu COOH.
Poslední případ, který charakterizuje prostorovou strukturu molekul, lze znázornit dvěma pyramidami, které mají jednu společnou plochu a jsou vzájemně propojeny třemi vrcholy. Příkladem je molekula acetylenu.
Za prvé, takové molekuly nemají cis nebo trans izomery. Za druhé, atomy uhlíku se nemohou otáčet kolem své osy. A za třetí, všechny atomy a jejich radikály jsou umístěny na stejné ose a úhel vazby je 180 stupňů.
Popsané případy lze samozřejmě aplikovat na látky, jejichž kostra obsahuje více než dva atomy vodíku. Princip stereometrické konstrukce takových molekul je zachován.
Prostorová struktura molekul anorganických látek
Tvorba kovalentních vazeb v anorganických sloučeninách je podobným mechanismem jako u organických látek. K vytvoření vazby je nutné mít ve dvou atomech nesdílené elektronové páry, které tvoří společný elektronový mrak.
K překrývání orbitalů během tvorby kovalentní vazby dochází podél jedné linie atomových jader. Pokud atom tvoří dvě nebo více vazeb, pak vzdálenost mezi nimi je charakterizována hodnotou úhlu vazby.
Pokud uvažujeme molekulu vody, která je tvořena jedním atomem kyslíku a dvěma atomy vodíku, měl by být vazebný úhel ideálně 90 stupňů. nicméněexperimentální studie ukázaly, že tato hodnota je 104,5 stupně. Prostorová struktura molekul se liší od teoreticky předpovězené v důsledku přítomnosti interakčních sil mezi atomy vodíku. Navzájem se odpuzují, čímž zvětšují úhel vazby mezi nimi.
Sp-hybridizace
Hybridizace je teorie tvorby identických hybridních orbitalů molekuly. K tomuto jevu dochází v důsledku přítomnosti nesdílených elektronových párů na různých energetických hladinách v centrálním atomu.
Zvažte například tvorbu kovalentních vazeb v molekule BeCl2. Berylium má nesdílené elektronové páry na hladinách s a p, které by teoreticky měly způsobit vznik nerovnoměrné rohové molekuly. V praxi jsou však lineární a úhel vazby je 180 stupňů.
Sp-hybridizace se používá při tvorbě dvou kovalentních vazeb. Existují však i jiné typy tvorby hybridních orbitalů.
Sp2 hybridizace
Tento typ hybridizace je zodpovědný za prostorovou strukturu molekul se třemi kovalentními vazbami. Příkladem je molekula BCl3. Centrální atom barya má tři nesdílené elektronové páry: dva na úrovni p a jeden na úrovni s.
Tři kovalentní vazby tvoří molekulu, která se nachází ve stejné rovině a její vazebný úhel je 120 stupňů.
Sp3 hybridizace
Další možnost pro vytvoření hybridních orbitalů, kdy má centrální atom 4 nesdílené elektronové páry: 3 na úrovni p a 1 na úrovni s. Příkladem takové látky je metan. Prostorová struktura molekul metanu je tetraerd, valenční úhel je 109,5 stupňů. Změna úhlu je charakterizována vzájemnou interakcí atomů vodíku.
