Անօրգանական և օրգանական նյութերի մոլեկուլների տարածական կառուցվածքը մեծ նշանակություն ունի դրանց քիմիական և ֆիզիկական հատկությունները նկարագրելու համար: Եթե նյութը դիտարկենք որպես թղթի վրա տառերի և թվերի ամբողջություն, ապա միշտ չէ, որ հնարավոր է ճիշտ եզրակացությունների գալ։ Շատ երևույթներ նկարագրելու համար, հատկապես օրգանական քիմիայի հետ կապված, անհրաժեշտ է իմանալ մոլեկուլի ստերեոմետրիկ կառուցվածքը։
Ինչ է ստերեոմետրիան
Ստերեոմետրիան քիմիայի մի ճյուղ է, որը բացատրում է նյութի մոլեկուլների հատկությունները՝ հիմնվելով նրա կառուցվածքի վրա։ Ավելին, այստեղ կարևոր դեր է խաղում մոլեկուլների տարածական պատկերը, քանի որ դա բազմաթիվ կենսաօրգանական երևույթների բանալին է:
Ստերեոմետրիան հիմնական կանոնների մի շարք է, որոնցով գրեթե ցանկացած մոլեկուլ կարող է ներկայացված լինել ծավալային տեսքով: Սովորական թղթի վրա գրված համախառն բանաձեւի թերությունը ուսումնասիրվող նյութի հատկությունների ամբողջական ցանկը բացահայտելու անկարողությունն է։
Օրինակ կարող է լինել ֆումարաթթուն, որը պատկանում է երկհիմնական դասին: Այն վատ է լուծվում ջրում,թունավոր է և կարելի է գտնել բնության մեջ: Այնուամենայնիվ, եթե փոխեք COOH խմբերի տարածական դասավորությունը, կարող եք ստանալ բոլորովին այլ նյութ՝ մալեյնաթթու: Այն շատ լուծելի է ջրում, կարելի է ձեռք բերել միայն արհեստական ճանապարհով, և իր թունավոր հատկությունների պատճառով վտանգավոր է մարդկանց համար։
Վանտ Հոֆի ստերեոքիմիական տեսություն
19-րդ դարում Մ. Բուտլերովի պատկերացումները որևէ մոլեկուլի հարթ կառուցվածքի մասին չէին կարող բացատրել նյութերի, հատկապես օրգանական նյութերի շատ հատկություններ: Սա խթան հանդիսացավ, որ Վան Հոֆը գրի «Քիմիան տիեզերքում» աշխատությունը, որտեղ նա լրացրեց Մ. Բուտլերովի տեսությունը այս ոլորտում իր հետազոտություններով։ Նա ներկայացրեց մոլեկուլների տարածական կառուցվածքի հայեցակարգը, ինչպես նաև բացատրեց իր հայտնագործության կարևորությունը քիմիական գիտության համար:
Այսպիսով, ապացուցվեց երեք տեսակի կաթնաթթվի առկայությունը՝ մսային-կաթնաթթվի, դեքստրոտորային և ֆերմենտացված կաթնաթթվի։ Այս նյութերից յուրաքանչյուրի թղթի վրա կառուցվածքային բանաձևը կլինի նույնը, սակայն մոլեկուլների տարածական կառուցվածքը բացատրում է այս երևույթը։
Վանտ Հոֆի ստերեոքիմիական տեսության արդյունքը ապացույցն էր այն բանի, որ ածխածնի ատոմը հարթ չէ, քանի որ. նրա չորս վալենտային կապերն ուղղված են երևակայական քառաեդրոնի գագաթներին։
Օրգանական մոլեկուլների բրգաձեւ տարածական կառուցվածքը
Վան Հոֆի և նրա հետազոտության արդյունքների հիման վրա օրգանական նյութերի կմախքի յուրաքանչյուր ածխածին կարող է ներկայացվել որպես քառաեդրոն: Մենք այդպես ենքմենք կարող ենք դիտարկել C-C կապերի առաջացման 4 հնարավոր դեպք և բացատրել նման մոլեկուլների կառուցվածքը։
Առաջին դեպքն այն է, երբ մոլեկուլը ածխածնի մեկ ատոմ է, որը կազմում է 4 կապ ջրածնի պրոտոնների հետ: Մեթանի մոլեկուլների տարածական կառուցվածքը գրեթե ամբողջությամբ կրկնում է քառաեդրոնի ուրվագծերը, սակայն կապի անկյունը փոքր-ինչ փոխվում է ջրածնի ատոմների փոխազդեցության պատճառով։
Մեկ քիմիական C-C կապի առաջացումը կարող է ներկայացվել որպես երկու բուրգեր, որոնք փոխկապակցված են ընդհանուր գագաթով: Մոլեկուլի նման կառուցվածքից երևում է, որ այս քառաեդրները կարող են պտտվել իրենց առանցքի շուրջ և ազատորեն փոխել դիրքը։ Եթե դիտարկենք այս համակարգը՝ օգտագործելով էթանի մոլեկուլի օրինակը, ապա կմախքի ածխածիններն իսկապես կարող են պտտվել: Այնուամենայնիվ, երկու բնորոշ դիրքերից նախապատվությունը տրվում է էներգետիկորեն նպաստավոր դիրքին, երբ Նյումանի պրոյեկցիայում ջրածինները չեն համընկնում:
Էթիլենի մոլեկուլի տարածական կառուցվածքը C-C կապերի առաջացման երրորդ տարբերակի օրինակ է, երբ երկու քառատետրեր ունեն մեկ ընդհանուր դեմք, այսինքն. հատվում են երկու հարակից գագաթներով: Պարզ է դառնում, որ մոլեկուլի նման ստերեոմետրիկ դիրքի պատճառով ածխածնի ատոմների շարժումն իր առանցքի նկատմամբ դժվար է, քանի որ. պահանջում է կոտրել հղումներից մեկը: Մյուս կողմից, նյութերի ցիս- և տրանս-իզոմերների առաջացումը հնարավոր է դառնում, քանի որ Յուրաքանչյուր ածխածնի երկու ազատ ռադիկալները կարող են կամ հայելային կամ խաչվել:
Cis- և մոլեկուլի տրանսպոզիցիան բացատրում է ֆումարային և մալեյնիկի գոյությունըթթուներ. Այս մոլեկուլներում ածխածնի ատոմների միջև ձևավորվում է երկու կապ, և նրանցից յուրաքանչյուրն ունի մեկ ջրածնի ատոմ և COOH խումբ:
Վերջին դեպքը, որը բնութագրում է մոլեկուլների տարածական կառուցվածքը, կարելի է ներկայացնել երկու բուրգերով, որոնք ունեն մեկ ընդհանուր դեմք և փոխկապակցված են երեք գագաթներով։ Օրինակ է ացետիլենի մոլեկուլը։
Նախ, նման մոլեկուլները չունեն ցիս կամ տրանս իզոմերներ: Երկրորդ՝ ածխածնի ատոմները չեն կարողանում պտտվել իրենց առանցքի շուրջ։ Եվ երրորդ, բոլոր ատոմները և նրանց ռադիկալները գտնվում են նույն առանցքի վրա, իսկ կապի անկյունը 180 աստիճան է։
Իհարկե, նկարագրված դեպքերը կարելի է կիրառել այն նյութերի նկատմամբ, որոնց կմախքը պարունակում է ավելի քան երկու ջրածնի ատոմ։ Նման մոլեկուլների ստերեոմետրիկ կառուցման սկզբունքը պահպանվում է։
Անօրգանական նյութերի մոլեկուլների տարածական կառուցվածքը
Անօրգանական միացություններում կովալենտային կապերի առաջացումը նման է օրգանական նյութերի մեխանիզմին: Կապ ստեղծելու համար անհրաժեշտ է երկու ատոմներում ունենալ չկիսված էլեկտրոնային զույգեր, որոնք կազմում են ընդհանուր էլեկտրոնային ամպ։
Օրբիտալների համընկնումը կովալենտային կապի ձևավորման ժամանակ տեղի է ունենում ատոմային միջուկների մեկ գծի երկայնքով: Եթե ատոմը ձևավորում է երկու կամ ավելի կապ, ապա նրանց միջև հեռավորությունը բնութագրվում է կապի անկյան արժեքով։
Եթե դիտարկենք ջրի մոլեկուլը, որը ձևավորվում է մեկ թթվածնի ատոմից և երկու ջրածնի ատոմներից, ապա կապի անկյունը իդեալականորեն պետք է լինի 90 աստիճան: Այնուամենայնիվփորձարարական ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ այս արժեքը 104,5 աստիճան է: Մոլեկուլների տարածական կառուցվածքը տարբերվում է տեսականորեն կանխատեսվածից՝ ջրածնի ատոմների փոխազդեցության ուժերի առկայության պատճառով։ Նրանք վանում են միմյանց՝ դրանով իսկ մեծացնելով նրանց միջև կապի անկյունը։
Sp-հիբրիդացում
Հիբրիդացումը մոլեկուլի միանման հիբրիդային օրբիտալների առաջացման տեսությունն է։ Այս երևույթը տեղի է ունենում կենտրոնական ատոմում էներգիայի տարբեր մակարդակներում չկիսված էլեկտրոնային զույգերի առկայության պատճառով:
Օրինակ, դիտարկենք BeCl2 մոլեկուլում կովալենտային կապերի առաջացումը: Բերիլիումը s և p մակարդակներում ունի չկիսված էլեկտրոնային զույգեր, որոնք տեսականորեն պետք է առաջացնեն անհավասար անկյունային մոլեկուլ: Այնուամենայնիվ, գործնականում դրանք գծային են, և կապի անկյունը 180 աստիճան է։
Sp-հիբրիդացումն օգտագործվում է երկու կովալենտային կապերի ձևավորման ժամանակ։ Այնուամենայնիվ, կան հիբրիդային օրբիտալների ձևավորման այլ տեսակներ:
Sp2 հիբրիդացում
Հիբրիդացման այս տեսակը պատասխանատու է երեք կովալենտային կապերով մոլեկուլների տարածական կառուցվածքի համար: Օրինակ է BCl3 մոլեկուլը: Կենտրոնական բարիումի ատոմն ունի երեք չբաշխված էլեկտրոնային զույգ՝ երկուսը p-մակարդակում և մեկը՝ s մակարդակում:
Երեք կովալենտային կապերը կազմում են մոլեկուլ, որը գտնվում է նույն հարթության վրա, և դրա կապի անկյունը 120 աստիճան է։
Sp3 հիբրիդացում
Հիբրիդային օրբիտալների ձևավորման ևս մեկ տարբերակ, երբ կենտրոնական ատոմն ունի 4 չբաշխված էլեկտրոնային զույգ՝ 3-ը p-մակարդակում և 1-ը՝ s-մակարդակում: Նման նյութի օրինակ է մեթանը։ Մեթանի մոլեկուլների տարածական կառուցվածքը քառաերդ է, որի վալենտային անկյունը 109,5 աստիճան է։ Անկյունի փոփոխությունը բնութագրվում է ջրածնի ատոմների փոխազդեցությամբ։
