Що таке стереометрія
Стереометрія – це розділ хімії, який пояснює властивості молекул речовини на основі його будови. Причому просторове уявлення молекул грає тут велику роль, оскільки вона є ключем до розгадки багатьох біоорганічних явищ.Стереометрія являє собою комплекс основних правил, за якими майже будь-яку молекулу можна представити в об'ємній формі. Недоліком брутто-формули, написаної на звичайному аркуші паперу, є нездатність її розкрити повний перелік властивостей досліджуваного речовини. Прикладом може служити фумарова кислота, яка відноситься до класу двоосновний. Вона погано розчинна у воді, не отруйна і може зустрічатися в природі. Однак, якщо змінити просторове розташування СООН-груп, можна отримати абсолютно інша речовина – малеиновую кислоту. Вона добре розчиняється у воді, може бути отримана тільки штучно, представляє собою небезпеку для людини токсичних властивостей.
Стереохимическая теорія Вант-Гоффа
У 19 столітті подання М. Бутлерова про плоскому будові будь молекули не могли пояснити багатьох властивостей речовин, особливо органіки. Це послужило поштовхом до написання Вант-Гоффом роботи «Хімія в просторі», в якій він доповнив теорію М. Бутлерова своїми дослідженнями в цій області. Він ввів поняття просторової будови молекул, а також пояснив важливість свого відкриття для хімічної науки.Так було доведено існування трьох видів молочної кислоти: м'ясо-молочної, правовращающей і молочної кислоти бродіння. На аркуші паперу для кожного з цих речовин структурна формула буде одна і та однак просторова будова молекул пояснює це явище. Наслідком стереохимической теорії Вант-Гоффа стало доказ того факту, що вуглецевий атом не є плоским, т. до. його чотири валентні зв'язки звернені до вершин уявного тетраедра.
Пірамідальне просторова будова органічних молекул
Виходячи з висновків Вант-Гоффа і його досліджень, кожен вуглець в скелеті органічного речовини можна представити у вигляді тетраедра. Так ми можемо розглянути 4 можливих випадку утворення С-С зв'язків і пояснити будову таких молекул. Перший випадок - коли молекула являє собою один атом вуглецю, який утворює 4 згідно з протонами водню. Просторова будова молекул метану практично повністю повторює обриси тетраедра, однак валентний кут трохи змінений внаслідок взаємодії атомів водню. Освіта однієї хімічної С-С зв'язку можна представити у вигляді двох пірамід, які з'єднані між собою загальною вершиною. З такої побудови молекули видно, що ці тетраедри можуть обертатися навколо своєї осі і вільно змінювати положення. Якщо розглядати цю систему на прикладі молекули етану, вуглеводи в скелеті дійсно здатні обертатися. Проте з двох характерних положень перевага віддається енергетично вигідним, коли водні в проекції Ньюмана не перекриваються.
Просторова будова молекули етилену служить прикладом третього варіанту утворення С-С зв'язків, коли два тетраедра мають одну загальну межу, тобто перетинаються з двох суміжних вершин. Стає зрозуміло, що за такого стереометрического положення молекули рух атомів вуглецю відносно своєї осі ускладнено, оскільки вимагає розриву однієї з зв'язків. Зате стає можливим утворення цис - і транс-ізомерів речовин, т. к. два вільних радикала від кожного вуглецю можуть розташовуватися або дзеркально, або хрест-навхрест. Цис - і трансположение молекули пояснює існування фумарової та малеїнової кислоти. Між атомами вуглецю в цих молекулах утворено дві зв'язки, і на кожного з них припадає по одному атому водню і СООН-групи. Останній випадок, що характеризує просторову будову молекул, може бути представлений двома пірамідами, які мають одну загальну межу і з'єднані між собою трьома вершинами. Прикладом є молекула ацетилену. По-перше, такі молекули не мають цис - або транс-ізомерів. По-друге, атоми вуглецю не здатні обертатися навколо своєї осі. І по-третє, всі атоми і їх радикали розміщуються на одній осі, а валентний кут складає 180 градусів. Безумовно, описані випадки можуть застосовуватися до речовин, скелет яких містить більше двох атомів водню. Принцип стереометрического побудови таких молекул зберігається.
Просторова будова молекул неорганічних речовин
Утворення ковалентних зв'язків в неорганічних сполуках схоже за механізмом з таким в органічних речовин. Для утворення зв'язку необхідна наявність неподеленних електронних пар у двох атомів, які утворюють загальне електронне хмара.Перекривання орбіталей при утворенні ковалентного зв'язку відбувається по одній лінії ядер атомів. Якщо атом утворює дві і більш зв'язку, то відстань між ними характеризується величиною валентного кута. Якщо розглядати молекулу води, яка утворена одним атомом кисню і двома атомами водню, валентний кут в ідеалі мав би становити 90 градусів. Однак експериментальні дослідження довели, що ця величина становить 1045 градусів. Просторова будова молекул відрізняється від теоретично передбаченого із-за наявності сил взаємодії між атомами водню. Вони відштовхуються один від одного, тим самим збільшуючи валентний кут між ними.
Sp-гібридизація
Гібридизація – це теорія освіти однакових гібридних орбіталей молекули. Відбувається це явище з-за наявності у центрального атома неподеленних електронних пар на різних енергетичних рівнях. Для прикладу розглянемо утворення ковалентних зв'язків молекули BeCl2. У Берилію неподеленние електронні пари знаходяться на s і p рівнях, що в теорії має послужити причиною утворення нерівній кутовий молекули. Однак на практиці вони лінійні, а валентний кут складає 180 градусів. Sp-гібридизація використовується при формуванні двох ковалентних зв'язків. Однак існують і інші види освіти гібридних орбіталей.
Sp2-гібридизація
Цей тип гібридизації відповідає за просторова будова молекул з трьома ковалентними зв'язками. Прикладом є молекула BCl3. Центральний атом барію має три неподеленние електронні пари: дві на p-рівні і одну на s-рівні. Три ковалентні зв'язки утворюють молекулу, яка розташовується в одній площині, а її валентний кут складає 120 градусів.