Die räumliche Struktur der Moleküle anorganischer und organischer Substanzen ist für die Beschreibung ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften von großer Bedeutung. Betrachtet man einen Stoff als eine Ansammlung von Buchstaben und Zahlen auf dem Papier, kann man nicht immer die richtigen Schlüsse ziehen. Um viele Phänomene zu beschreiben, insbesondere solche der organischen Chemie, ist es notwendig, die stereometrische Struktur des Moleküls zu kennen.
Was ist Stereometrie
Stereometrie ist ein Teilgebiet der Chemie, das die Eigenschaften der Moleküle einer Substanz anhand ihrer Struktur erklärt. Außerdem spielt hier die räumliche Darstellung von Molekülen eine wichtige Rolle, da es ist der Schlüssel zu vielen bioorganischen Phänomenen.
Stereometrie ist eine Reihe von Grundregeln, mit denen fast jedes Molekül in volumetrischer Form dargestellt werden kann. Der Nachteil der auf einem normalen Blatt Papier geschriebenen Bruttoformel besteht darin, dass sie nicht in der Lage ist, die vollständige Liste der Eigenschaften der zu untersuchenden Substanz aufzudecken.
Ein Beispiel wäre Fumarsäure, die zur zweibasigen Klasse gehört. Es ist schlecht wasserlöslich,giftig und kommt in der Natur vor. Wenn Sie jedoch die räumliche Anordnung von COOH-Gruppen ändern, können Sie eine völlig andere Substanz erh alten - Maleinsäure. Es ist gut wasserlöslich, kann nur künstlich gewonnen werden und ist aufgrund seiner toxischen Eigenschaften für den Menschen gefährlich.
Vant Hoffs stereochemische Theorie
Im 19. Jahrhundert konnten die Vorstellungen von M. Butlerov über die flache Struktur eines Moleküls viele Eigenschaften von Substanzen, insbesondere von organischen Stoffen, nicht erklären. Dies war für van't Hoff der Anstoß, das Werk "Chemistry in Space" zu schreiben, in dem er die Theorie von M. Butlerov mit seinen Forschungen auf diesem Gebiet ergänzte. Er stellte das Konzept der räumlichen Struktur von Molekülen vor und erklärte auch die Bedeutung seiner Entdeckung für die chemische Wissenschaft.
So wurde die Existenz von drei Arten von Milchsäure nachgewiesen: Fleisch-Milchsäure, rechtsdrehende und fermentierte Milchsäure. Auf einem Blatt Papier wird für jede dieser Substanzen die Strukturformel dieselbe sein, aber die räumliche Struktur der Moleküle erklärt dieses Phänomen.
Das Ergebnis der stereochemischen Theorie von Van't Hoff war der Beweis dafür, dass das Kohlenstoffatom nicht flach ist, weil seine vier Valenzbindungen stehen den Ecken eines imaginären Tetraeders gegenüber.
Pyramidenförmige räumliche Struktur organischer Moleküle
Basierend auf den Erkenntnissen von van't Hoff und seiner Forschung kann jeder Kohlenstoff im Skelett organischer Materie als Tetraeder dargestellt werden. So sind wirwir können 4 mögliche Fälle der Bildung von C-C-Bindungen betrachten und die Struktur solcher Moleküle erklären.
Der erste Fall ist, wenn das Molekül ein einzelnes Kohlenstoffatom ist, das 4 Bindungen mit Wasserstoffprotonen bildet. Die räumliche Struktur von Methanmolekülen wiederholt fast vollständig die Umrisse eines Tetraeders, jedoch wird der Bindungswinkel aufgrund der Wechselwirkung von Wasserstoffatomen leicht verändert.
Die Bildung einer chemischen C-C-Bindung kann als zwei Pyramiden dargestellt werden, die durch eine gemeinsame Spitze miteinander verbunden sind. Aus einem solchen Aufbau des Moleküls ist ersichtlich, dass sich diese Tetraeder um ihre Achse drehen und ihre Position frei ändern können. Betrachten wir dieses System am Beispiel eines Ethanmoleküls, können sich die Kohlenstoffe im Skelett tatsächlich drehen. Von den beiden charakteristischen Positionen wird jedoch die energetisch günstige bevorzugt, wenn sich die Wasserstoffatome in der Newman-Projektion nicht überlappen.
Die räumliche Struktur des Ethylenmoleküls ist ein Beispiel für die dritte Variante der Bildung von C-C-Bindungen, wenn zwei Tetraeder eine gemeinsame Fläche haben, d.h. schneiden sich an zwei benachbarten Scheitelpunkten. Es wird deutlich, dass aufgrund einer solchen stereometrischen Position des Moleküls die Bewegung von Kohlenstoffatomen relativ zu seiner Achse schwierig ist, weil erfordert, dass einer der Links unterbrochen wird. Andererseits wird die Bildung von cis- und trans-Isomeren von Substanzen möglich, da zwei freie Radikale von jedem Kohlenstoff können entweder gespiegelt oder gekreuzt sein.
Cis- und Transposition des Moleküls erklärt die Existenz von Fumarsäure und MaleinsäureSäuren. Zwischen den Kohlenstoffatomen in diesen Molekülen werden zwei Bindungen gebildet, und jede von ihnen hat ein Wasserstoffatom und eine COOH-Gruppe.
Der letzte Fall, der die räumliche Struktur von Molekülen charakterisiert, kann durch zwei Pyramiden dargestellt werden, die eine gemeinsame Fläche haben und durch drei Ecken miteinander verbunden sind. Ein Beispiel ist das Acetylen-Molekül.
Erstens haben solche Moleküle keine cis- oder trans-Isomere. Zweitens können sich Kohlenstoffatome nicht um ihre eigene Achse drehen. Und drittens befinden sich alle Atome und ihre Radikale auf derselben Achse und der Bindungswinkel beträgt 180 Grad.
Natürlich lassen sich die beschriebenen Fälle auf Substanzen übertragen, deren Gerüst mehr als zwei Wasserstoffatome enthält. Das Prinzip des stereometrischen Aufbaus solcher Moleküle bleibt erh alten.
Räumliche Struktur von Molekülen anorganischer Substanzen
Die Bildung kovalenter Bindungen in anorganischen Verbindungen ist im Mechanismus ähnlich wie bei organischen Substanzen. Um eine Bindung zu bilden, sind ungeteilte Elektronenpaare in zwei Atomen notwendig, die eine gemeinsame Elektronenwolke bilden.
Die Überlappung von Orbitalen bei der Bildung einer kovalenten Bindung erfolgt entlang einer Reihe von Atomkernen. Wenn ein Atom zwei oder mehr Bindungen eingeht, dann wird der Abstand zwischen ihnen durch den Wert des Bindungswinkels charakterisiert.
Betrachten wir ein Wassermolekül, das aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen besteht, sollte der Bindungswinkel idealerweise 90 Grad betragen. Jedochexperimentelle Studien haben gezeigt, dass dieser Wert 104,5 Grad beträgt. Die räumliche Struktur von Molekülen unterscheidet sich von der theoretisch vorhergesagten aufgrund des Vorhandenseins von Wechselwirkungskräften zwischen Wasserstoffatomen. Sie stoßen sich gegenseitig ab und vergrößern dadurch den Bindungswinkel zwischen ihnen.
Sp-Hybridisierung
Hybridisierung ist die Theorie der Bildung identischer Hybridorbitale eines Moleküls. Dieses Phänomen tritt aufgrund des Vorhandenseins nicht gemeinsamer Elektronenpaare auf unterschiedlichen Energieniveaus im Zentralatom auf.
Betrachten Sie zum Beispiel die Bildung kovalenter Bindungen im BeCl2-Molekül. Beryllium hat ungeteilte Elektronenpaare auf den s- und p-Niveaus, was theoretisch die Bildung eines ungleichmäßigen Eckmoleküls verursachen sollte. In der Praxis sind sie jedoch linear und der Bindungswinkel beträgt 180 Grad.
Sp-Hybridisierung wird zur Bildung zweier kovalenter Bindungen verwendet. Es gibt jedoch auch andere Arten der Bildung von Hybridorbitalen.
Sp2-Hybridisierung
Diese Art der Hybridisierung ist für die räumliche Struktur von Molekülen mit drei kovalenten Bindungen verantwortlich. Ein Beispiel ist das BCl3-Molekül. Das zentrale Bariumatom hat drei freie Elektronenpaare: zwei auf dem p-Niveau und eines auf dem s-Niveau.
Drei kovalente Bindungen bilden ein Molekül, das sich in derselben Ebene befindet und dessen Bindungswinkel 120 Grad beträgt.
Sp3-Hybridisierung
Eine weitere Möglichkeit zur Bildung von Hybridorbitalen, wenn das Zentralatom 4 freie Elektronenpaare hat: 3 auf der p-Ebene und 1 auf der s-Ebene. Ein Beispiel für eine solche Substanz ist Methan. Die räumliche Struktur von Methanmolekülen ist eine Tetraerde, deren Valenzwinkel 109,5 Grad beträgt. Die Winkeländerung ist durch die Wechselwirkung von Wasserstoffatomen untereinander gekennzeichnet.
