არაორგანული და ორგანული ნივთიერებების მოლეკულების სივრცულ სტრუქტურას დიდი მნიშვნელობა აქვს მათი ქიმიური და ფიზიკური თვისებების აღწერისას. თუ ნივთიერებას განვიხილავთ, როგორც ასოებისა და რიცხვების ერთობლიობას ქაღალდზე, ყოველთვის არ არის შესაძლებელი სწორი დასკვნების გამოტანა. მრავალი ფენომენის, განსაკუთრებით ორგანულ ქიმიასთან დაკავშირებული ფენომენის აღსაწერად, საჭიროა იცოდეთ მოლეკულის სტერეომეტრიული სტრუქტურა.
რა არის სტერეომეტრია
სტერეომეტრია არის ქიმიის ფილიალი, რომელიც ხსნის ნივთიერების მოლეკულების თვისებებს მისი აგებულებიდან გამომდინარე. უფრო მეტიც, მოლეკულების სივრცითი წარმოდგენა აქ მნიშვნელოვან როლს თამაშობს, ვინაიდან ეს არის მრავალი ბიოორგანული ფენომენის გასაღები.
სტერეომეტრია არის ძირითადი წესების ნაკრები, რომლითაც თითქმის ნებისმიერი მოლეკულა შეიძლება იყოს წარმოდგენილი მოცულობითი სახით. ჩვეულებრივ ფურცელზე დაწერილი უხეში ფორმულის მინუსი არის მისი შეუძლებლობა გამოავლინოს შესასწავლი ნივთიერების თვისებების სრული სია.
მაგალითი იქნება ფუმარინის მჟავა, რომელიც მიეკუთვნება ორბაზისურ კლასს. ის ცუდად იხსნება წყალში,შხამიანია და გვხვდება ბუნებაში. თუმცა, თუ თქვენ შეცვლით COOH ჯგუფების სივრცით განლაგებას, შეგიძლიათ მიიღოთ სრულიად განსხვავებული ნივთიერება - მალეინის მჟავა. ის წყალში ძალიან ხსნადია, მისი მიღება შესაძლებელია მხოლოდ ხელოვნურად და საშიშია ადამიანისთვის მისი ტოქსიკური თვისებების გამო.
ვანტ ჰოფის სტერეოქიმიური თეორია
მე-19 საუკუნეში, მ. ბუტლეროვის იდეებმა რომელიმე მოლეკულის ბრტყელი სტრუქტურის შესახებ ვერ ახსნა ნივთიერებების, განსაკუთრებით ორგანული ნივთიერებების მრავალი თვისება. ეს იყო იმპულსი ვანტ ჰოფისთვის, დაეწერა ნაშრომი „ქიმია კოსმოსში“, სადაც მან შეავსო მ.ბუტლეროვის თეორია ამ სფეროში თავისი კვლევებით. მან გააცნო მოლეკულების სივრცითი სტრუქტურის კონცეფცია და ასევე განმარტა მისი აღმოჩენის მნიშვნელობა ქიმიური მეცნიერებისთვის.
ამგვარად, დადასტურდა სამი სახის რძემჟავას არსებობა: ხორცის რძემჟავა, დექსტროროტაციული და ფერმენტირებული რძემჟავა. თითოეული ამ ნივთიერების ფურცელზე სტრუქტურული ფორმულა იგივე იქნება, მაგრამ მოლეკულების სივრცითი სტრუქტურა ხსნის ამ მოვლენას.
ვან'ტ ჰოფის სტერეოქიმიური თეორიის შედეგი იყო იმის დასტური, რომ ნახშირბადის ატომი ბრტყელი არ არის, რადგან მისი ოთხი ვალენტური ბმა გამოსახულია წარმოსახვითი ტეტრაედონის წვეროებთან.
ორგანული მოლეკულების პირამიდული სივრცითი სტრუქტურა
ვანტ ჰოფისა და მისი კვლევის საფუძველზე, ორგანული ნივთიერებების ჩონჩხში არსებული თითოეული ნახშირბადი შეიძლება წარმოდგენილი იყოს ტეტრაედრის სახით. ასე ჩვენშეგვიძლია განვიხილოთ C-C ბმების წარმოქმნის 4 შესაძლო შემთხვევა და ავხსნათ ასეთი მოლეკულების აგებულება.
პირველი შემთხვევაა, როდესაც მოლეკულა არის ერთი ნახშირბადის ატომი, რომელიც აყალიბებს 4 კავშირს წყალბადის პროტონებთან. მეთანის მოლეკულების სივრცითი სტრუქტურა თითქმის მთლიანად იმეორებს ტეტრაედრის კონტურებს, თუმცა, ბმის კუთხე ოდნავ იცვლება წყალბადის ატომების ურთიერთქმედების გამო.
ერთი ქიმიური C-C ბმის წარმოქმნა შეიძლება წარმოდგენილი იყოს ორი პირამიდის სახით, რომლებიც ერთმანეთთან არის დაკავშირებული საერთო წვერით. მოლეკულის ასეთი აგებულებიდან ჩანს, რომ ამ ტეტრაედრებს შეუძლიათ ბრუნავენ თავიანთი ღერძის გარშემო და თავისუფლად შეცვალონ პოზიცია. თუ ამ სისტემას განვიხილავთ ეთანის მოლეკულის მაგალითზე, ჩონჩხში ნახშირბადებს ნამდვილად შეუძლიათ ბრუნვა. თუმცა, ორი დამახასიათებელი პოზიციიდან უპირატესობა ენიჭება ენერგიულად ხელსაყრელს, როდესაც ნიუმენის პროექციაში წყალბადები ერთმანეთს არ ემთხვევა.
ეთილენის მოლეკულის სივრცითი სტრუქტურა არის C-C ბმების წარმოქმნის მესამე ვარიანტის მაგალითი, როდესაც ორ ტეტრაედას ერთი საერთო სახე აქვს, ე.ი. იკვეთება ორ მიმდებარე წვეროზე. ცხადი ხდება, რომ მოლეკულის ასეთი სტერეომეტრიული პოზიციის გამო ნახშირბადის ატომების მოძრაობა მის ღერძთან შედარებით რთულია, რადგან მოითხოვს ერთ-ერთი ბმულის გაწყვეტას. მეორეს მხრივ, ნივთიერებების ცის- და ტრანს-იზომერების წარმოქმნა შესაძლებელია, ვინაიდან თითოეული ნახშირბადის ორი თავისუფალი რადიკალი შეიძლება იყოს ან ასახული ან გადაკვეთილი.
Cis- და მოლეკულის ტრანსპოზიცია ხსნის ფუმარისა და მალეის არსებობასმჟავები. ამ მოლეკულებში ნახშირბადის ატომებს შორის წარმოიქმნება ორი ბმული და თითოეულ მათგანს აქვს ერთი წყალბადის ატომი და COOH ჯგუფი.
ბოლო შემთხვევა, რომელიც ახასიათებს მოლეკულების სივრცულ სტრუქტურას, შეიძლება წარმოდგენილი იყოს ორი პირამიდით, რომლებსაც აქვთ ერთი საერთო სახე და ერთმანეთთან დაკავშირებულია სამი წვერით. ამის მაგალითია აცეტილენის მოლეკულა.
პირველ რიგში, ასეთ მოლეკულებს არ აქვთ ცის ან ტრანს იზომერები. მეორეც, ნახშირბადის ატომებს არ შეუძლიათ თავიანთი ღერძის გარშემო ბრუნვა. და მესამე, ყველა ატომი და მათი რადიკალები განლაგებულია იმავე ღერძზე, ხოლო კავშირის კუთხე არის 180 გრადუსი.
რა თქმა უნდა, აღწერილი შემთხვევები შეიძლება გამოყენებულ იქნას ნივთიერებებზე, რომელთა ჩონჩხი შეიცავს წყალბადის ორზე მეტ ატომს. ასეთი მოლეკულების სტერეომეტრიული აგების პრინციპი შენარჩუნებულია.
არაორგანული ნივთიერებების მოლეკულების სივრცითი აგებულება
კოვალენტური ბმების წარმოქმნა არაორგანულ ნაერთებში მექანიზმით მსგავსია ორგანული ნივთიერებების. ბმის შესაქმნელად საჭიროა ორ ატომში არსებობდეს გაუზიარებელი ელექტრონული წყვილი, რომლებიც ქმნიან საერთო ელექტრონულ ღრუბელს.
ორბიტალების გადახურვა კოვალენტური ბმის წარმოქმნის დროს ხდება ატომის ბირთვების ერთი ხაზის გასწვრივ. თუ ატომი ქმნის ორ ან მეტ ბმას, მაშინ მათ შორის მანძილი ხასიათდება კავშირის კუთხის მნიშვნელობით.
თუ გავითვალისწინებთ წყლის მოლეკულას, რომელიც წარმოიქმნება ერთი ჟანგბადის ატომისა და ორი წყალბადის ატომისგან, კავშირის კუთხე იდეალურად უნდა იყოს 90 გრადუსი. თუმცაექსპერიმენტულმა კვლევებმა აჩვენა, რომ ეს მნიშვნელობა არის 104,5 გრადუსი. მოლეკულების სივრცითი სტრუქტურა განსხვავდება თეორიულად პროგნოზირებულისგან წყალბადის ატომებს შორის ურთიერთქმედების ძალების არსებობის გამო. ისინი მოგერიებენ ერთმანეთს, რითაც ზრდის მათ შორის კავშირის კუთხეს.
Sp-ჰიბრიდიზაცია
ჰიბრიდიზაცია არის მოლეკულის იდენტური ჰიბრიდული ორბიტალების წარმოქმნის თეორია. ეს ფენომენი წარმოიქმნება ცენტრალურ ატომში სხვადასხვა ენერგეტიკულ დონეზე არსებული გაუზიარებელი ელექტრონული წყვილების არსებობის გამო.
მაგალითად, განვიხილოთ კოვალენტური ბმების წარმოქმნა BeCl2 მოლეკულაში. ბერილიუმს აქვს გაუზიარებელი ელექტრონული წყვილი s და p დონეზე, რამაც თეორიულად უნდა გამოიწვიოს არათანაბარი კუთხის მოლეკულის წარმოქმნა. თუმცა, პრაქტიკაში ისინი წრფივია და კავშირის კუთხე 180 გრადუსია.
Sp-ჰიბრიდიზაცია გამოიყენება ორი კოვალენტური ბმის წარმოქმნისას. თუმცა, არსებობს ჰიბრიდული ორბიტალების ფორმირების სხვა ტიპებიც.
Sp2 ჰიბრიდიზაცია
ამ ტიპის ჰიბრიდიზაცია პასუხისმგებელია სამი კოვალენტური ბმის მქონე მოლეკულების სივრცულ სტრუქტურაზე. ამის მაგალითია BCl3 მოლეკულა. ბარიუმის ცენტრალურ ატომს აქვს სამი გაუზიარებელი ელექტრონული წყვილი: ორი p-დონეზე და ერთი s-დონეზე..
სამი კოვალენტური ბმა ქმნის მოლეკულას, რომელიც მდებარეობს იმავე სიბრტყეში და მისი კავშირის კუთხე არის 120 გრადუსი.
Sp3 ჰიბრიდიზაცია
ჰიბრიდული ორბიტალების ფორმირების კიდევ ერთი ვარიანტი, როდესაც ცენტრალურ ატომს აქვს 4 გაუზიარებელი ელექტრონული წყვილი: 3 p-დონეზე და 1 s-დონეზე. ასეთი ნივთიერების მაგალითია მეთანი. მეთანის მოლეკულების სივრცითი სტრუქტურა არის ტეტრაერდი, რომლის ვალენტობის კუთხე არის 109,5 გრადუსი. კუთხის ცვლილება ხასიათდება წყალბადის ატომების ერთმანეთთან ურთიერთქმედებით.
