La struttura spaziale delle molecole di sostanze organiche e inorganiche è di grande importanza nel descrivere le loro proprietà chimiche e fisiche. Se consideriamo una sostanza come un insieme di lettere e numeri su carta, non è sempre possibile trarre le giuste conclusioni. Per descrivere molti fenomeni, soprattutto quelli legati alla chimica organica, è necessario conoscere la struttura stereometrica della molecola.
Cos'è la stereometria
La stereometria è una branca della chimica che spiega le proprietà delle molecole di una sostanza in base alla sua struttura. Inoltre, la rappresentazione spaziale delle molecole gioca un ruolo importante qui, poiché è la chiave di molti fenomeni bioorganici.
La stereometria è un insieme di regole di base con cui quasi tutte le molecole possono essere rappresentate in forma volumetrica. Lo svantaggio della formula grossolana scritta su un normale pezzo di carta è la sua incapacità di rivelare l'elenco completo delle proprietà della sostanza in studio.
Un esempio potrebbe essere l'acido fumarico, che appartiene alla classe bibasica. È poco solubile in acqua,velenoso e si può trovare in natura. Tuttavia, se si modifica la disposizione spaziale dei gruppi COOH, è possibile ottenere una sostanza completamente diversa: l'acido maleico. È altamente solubile in acqua, può essere ottenuto solo artificialmente ed è pericoloso per l'uomo a causa delle sue proprietà tossiche.
Teoria stereochimica di Van Hoff
Nel 19° secolo, le idee di M. Butlerov sulla struttura piatta di qualsiasi molecola non potevano spiegare molte proprietà delle sostanze, specialmente quelle organiche. Questo fu l'impulso per van't Hoff di scrivere l'opera "Chimica nello spazio", in cui integrava la teoria di M. Butlerov con le sue ricerche in questo settore. Ha introdotto il concetto di struttura spaziale delle molecole e ha anche spiegato l'importanza della sua scoperta per la scienza chimica.
Così è stata provata l'esistenza di tre tipi di acido lattico: acido lattico carneo, acido destrogiro e acido lattico fermentato. Su un foglio di carta per ciascuna di queste sostanze, la formula strutturale sarà la stessa, ma la struttura spaziale delle molecole spiega questo fenomeno.
Il risultato della teoria stereochimica di Van't Hoff è stata la prova del fatto che l'atomo di carbonio non è piatto, perché i suoi quattro legami di valenza sono rivolti verso i vertici di un tetraedro immaginario.
Struttura spaziale piramidale delle molecole organiche
Sulla base dei risultati di van't Hoff e della sua ricerca, ogni carbonio nello scheletro della materia organica può essere rappresentato come un tetraedro. Ecco come noipossiamo considerare 4 possibili casi di formazione di legami CC e spiegare la struttura di tali molecole.
Il primo caso è quando la molecola è un singolo atomo di carbonio che forma 4 legami con i protoni di idrogeno. La struttura spaziale delle molecole di metano ripete quasi completamente i contorni di un tetraedro, tuttavia l'angolo di legame è leggermente modificato a causa dell'interazione degli atomi di idrogeno.
La formazione di un legame chimico CC può essere rappresentata come due piramidi, che sono interconnesse da un vertice comune. Da tale costruzione della molecola, si può vedere che questi tetraedri possono ruotare attorno al loro asse e cambiare liberamente posizione. Se consideriamo questo sistema usando l'esempio di una molecola di etano, i carboni nello scheletro sono infatti in grado di ruotare. Tuttavia, delle due posizioni caratteristiche, viene data preferenza a quella energeticamente favorevole, quando gli idrogeni nella proiezione di Newman non si sovrappongono.
La struttura spaziale della molecola dell'etilene è un esempio della terza variante della formazione dei legami CC, quando due tetraedri hanno una faccia comune, cioè si intersecano in due vertici adiacenti. Diventa chiaro che a causa di una tale posizione stereometrica della molecola, il movimento degli atomi di carbonio rispetto al suo asse è difficile, perché richiede la rottura di uno dei collegamenti. D' altra parte, la formazione di isomeri cis e trans di sostanze diventa possibile, poiché due radicali liberi di ciascun carbonio possono essere specchiati o incrociati.
Cis- e la trasposizione della molecola spiega l'esistenza del fumarico e del maleicoacidi. Due legami si formano tra gli atomi di carbonio in queste molecole, e ciascuno di essi ha un atomo di idrogeno e un gruppo COOH.
L'ultimo caso, che caratterizza la struttura spaziale delle molecole, può essere rappresentato da due piramidi che hanno una faccia comune e sono interconnesse da tre vertici. Un esempio è la molecola di acetilene.
In primo luogo, tali molecole non hanno isomeri cis o trans. In secondo luogo, gli atomi di carbonio non sono in grado di ruotare attorno al proprio asse. E in terzo luogo, tutti gli atomi ei loro radicali si trovano sullo stesso asse e l'angolo di legame è di 180 gradi.
Naturalmente, i casi descritti possono essere applicati a sostanze il cui scheletro contiene più di due atomi di idrogeno. Viene mantenuto il principio della costruzione stereometrica di tali molecole.
Struttura spaziale di molecole di sostanze inorganiche
La formazione di legami covalenti nei composti inorganici ha un meccanismo simile a quello delle sostanze organiche. Per formare un legame, è necessario avere coppie di elettroni non condivise in due atomi, che formano una nuvola di elettroni comune.
La sovrapposizione degli orbitali durante la formazione di un legame covalente avviene lungo una linea di nuclei atomici. Se un atomo forma due o più legami, la distanza tra loro è caratterizzata dal valore dell'angolo di legame.
Se consideriamo una molecola d'acqua, che è formata da un atomo di ossigeno e due atomi di idrogeno, l'angolo di legame dovrebbe idealmente essere di 90 gradi. Tuttaviastudi sperimentali hanno dimostrato che questo valore è 104,5 gradi. La struttura spaziale delle molecole differisce da quella teoricamente prevista per la presenza di forze di interazione tra atomi di idrogeno. Si respingono, aumentando così l'angolo di legame tra di loro.
Ibridazione Sp
L'ibridazione è la teoria della formazione di orbitali ibridi identici di una molecola. Questo fenomeno si verifica a causa della presenza di coppie di elettroni non condivisi a diversi livelli di energia nell'atomo centrale.
Ad esempio, considera la formazione di legami covalenti nella molecola BeCl2. Il berillio ha coppie di elettroni non condivisi ai livelli s e p, che in teoria dovrebbero causare la formazione di una molecola d'angolo irregolare. Tuttavia, in pratica sono lineari e l'angolo di legame è di 180 gradi.
Sp-ibridazione viene utilizzata nella formazione di due legami covalenti. Tuttavia, ci sono altri tipi di formazione di orbitali ibridi.
Ibridazione Sp2
Questo tipo di ibridazione è responsabile della struttura spaziale delle molecole con tre legami covalenti. Un esempio è la molecola BCl3. L'atomo di bario centrale ha tre coppie di elettroni non condivise: due a livello p e una a livello s.
Tre legami covalenti formano una molecola che si trova sullo stesso piano e il suo angolo di legame è di 120 gradi.
Ibridazione Sp3
Un' altra opzione per la formazione di orbitali ibridi, quando l'atomo centrale ha 4 coppie di elettroni non condivisi: 3 al livello p e 1 al livello s. Un esempio di tale sostanza è il metano. La struttura spaziale delle molecole di metano è un tetraerd, l'angolo di valenza in cui è 109,5 gradi. Il cambiamento nell'angolo è caratterizzato dall'interazione degli atomi di idrogeno tra loro.
