Anorgaaniliste ja orgaaniliste ainete molekulide ruumiline struktuur on nende keemiliste ja füüsikaliste omaduste kirjeldamisel väga oluline. Kui käsitleme ainet kui tähtede ja numbrite kogumit paberil, ei ole alati võimalik teha õigeid järeldusi. Paljude nähtuste, eriti orgaanilise keemiaga seotud nähtuste kirjeldamiseks on vaja teada molekuli stereomeetrilist struktuuri.
Mis on stereomeetria
Stereomeetria on keemia haru, mis selgitab aine molekulide omadusi selle struktuuri põhjal. Pealegi mängib siin olulist rolli molekulide ruumiline esitus, kuna see on paljude bioorgaaniliste nähtuste võti.
Stereomeetria on põhireeglite kogum, mille järgi saab peaaegu iga molekuli esitada mahulisel kujul. Tavalisele paberile kirjutatud brutovalemi puuduseks on võimetus paljastada uuritava aine omaduste täielikku loetelu.
Näiteks oleks fumaarhape, mis kuulub kahealuselisse klassi. See on vees halvasti lahustuv,mürgised ja looduses leiduvad. Kui aga muuta COOH-rühmade ruumilist paigutust, võib saada hoopis teistsuguse aine – maleiinhappe. See lahustub vees väga hästi, seda on võimalik saada ainult kunstlikult ja see on oma toksiliste omaduste tõttu inimestele ohtlik.
Vant Hoffi stereokeemiline teooria
19. sajandil ei suutnud M. Butlerovi ideed ühegi molekuli lameda struktuuri kohta seletada paljusid ainete, eriti orgaaniliste ainete omadusi. See andis van't Hoffile tõuke kirjutada teos "Keemia kosmoses", milles ta täiendas M. Butlerovi teooriat sellealase uurimistööga. Ta tutvustas molekulide ruumilise struktuuri kontseptsiooni ja selgitas ka oma avastuse tähtsust keemiateaduse jaoks.
Seega tõestati kolme tüüpi piimhappe olemasolu: liha-piimhape, paremale pöörav ja fermenteeritud piimhape. Kõigi nende ainete paberitükil on struktuurivalem sama, kuid molekulide ruumiline struktuur selgitab seda nähtust.
Van't Hoffi stereokeemilise teooria tulemus oli tõestus selle kohta, et süsinikuaatom ei ole lame, sest selle neli valentssidemet on suunatud kujuteldava tetraeedri tippude poole.
Orgaaniliste molekulide püramiidne ruumistruktuur
Van't Hoffi ja tema uuringute tulemuste põhjal võib iga süsiniku orgaanilise aine skeletis kujutada tetraeedrina. Nii on meilsaame kaaluda 4 võimalikku C-C sidemete moodustumise juhtumit ja selgitada selliste molekulide struktuuri.
Esimene juhtum on siis, kui molekul on üksik süsinikuaatom, mis moodustab 4 sidet vesiniku prootonitega. Metaani molekulide ruumiline struktuur kordab peaaegu täielikult tetraeedri piirjooni, kuid sideme nurk on vesinikuaatomite vastastikmõju tõttu veidi muutunud.
Ühe keemilise C-C sideme teket võib kujutada kahe püramiidina, mis on omavahel ühendatud ühise tipuga. Molekuli sellisest konstruktsioonist on näha, et need tetraeedrid võivad pöörlema ümber oma telje ja vab alt asendit muuta. Kui vaadelda seda süsteemi etaanimolekuli näitel, on skeletis olevad süsinikud tõepoolest võimelised pöörlema. Kahest iseloomulikust positsioonist eelistatakse aga energeetiliselt soodsat, kui vesinikud Newmani projektsioonis ei kattu.
Etüleeni molekuli ruumiline struktuur on näide C-C sidemete moodustumise kolmandast variandist, kui kahel tetraeedril on üks ühine tahk, s.t. lõikuvad kaks kõrvuti asetsevat tippu. Selgeks saab, et molekuli sellise stereomeetrilise asendi tõttu on süsinikuaatomite liikumine oma telje suhtes raskendatud, kuna nõuab ühe lingi katkestamist. Teisest küljest muutub võimalikuks ainete cis- ja trans-isomeeride moodustumine, kuna iga süsiniku kaks vaba radikaali võivad olla kas peegelpildis või ristuvad.
Cis- ja molekuli transpositsioon selgitavad fumaari ja maleiini olemasoluhapped. Nendes molekulides moodustub süsinikuaatomite vahel kaks sidet, millest igaühel on üks vesinikuaatom ja COOH-rühm.
Viimast juhtumit, mis iseloomustab molekulide ruumilist struktuuri, saab kujutada kahe püramiidiga, millel on üks ühine tahk ja mis on omavahel ühendatud kolme tipuga. Näiteks on atsetüleeni molekul.
Esiteks, sellistel molekulidel ei ole cis- ega trans-isomeere. Teiseks ei ole süsinikuaatomid võimelised pöörlema ümber oma telje. Ja kolmandaks, kõik aatomid ja nende radikaalid asuvad samal teljel ning sideme nurk on 180 kraadi.
Loomulikult saab kirjeldatud juhtumeid rakendada ainete puhul, mille luustik sisaldab rohkem kui kahte vesinikuaatomit. Selliste molekulide stereomeetrilise konstrueerimise põhimõte säilib.
Anorgaaniliste ainete molekulide ruumiline struktuur
Kovalentsete sidemete moodustumine anorgaanilistes ühendites on mehhanismilt sarnane orgaaniliste ainete omaga. Sideme moodustamiseks peavad kahes aatomis olema jagamata elektronpaarid, mis moodustavad ühise elektronipilve.
Orbitaalide kattumine kovalentse sideme moodustumisel toimub piki ühte aatomituumade rida. Kui aatom moodustab kaks või enam sidet, siis iseloomustab nendevahelist kaugust sideme nurga väärtus.
Kui arvestada veemolekuli, mille moodustavad üks hapnikuaatom ja kaks vesinikuaatomit, peaks sideme nurk ideaaljuhul olema 90 kraadi. Kuideksperimentaalsed uuringud on näidanud, et see väärtus on 104,5 kraadi. Molekulide ruumiline struktuur erineb teoreetiliselt prognoositust vesinikuaatomite vastastikuse mõju tõttu. Need tõrjuvad üksteist, suurendades seeläbi nendevahelist sidenurka.
Sp-hübridiseerimine
Hübridisatsioon on molekuli identsete hübriidorbitaalide moodustumise teooria. See nähtus tuleneb jagamata elektronpaaride olemasolust erinevatel energiatasemetel keskaatomis.
Võtke näiteks kovalentsete sidemete moodustumist BeCl2 molekulis. Berülliumil on s- ja p-tasemel jagamata elektronpaarid, mis teoreetiliselt peaksid põhjustama ebaühtlase nurgamolekuli moodustumist. Praktikas on need aga lineaarsed ja sideme nurk on 180 kraadi.
Sp-hübridisatsiooni kasutatakse kahe kovalentse sideme moodustamisel. Siiski on ka teist tüüpi hübriidorbitaalide moodustumist.
Sp2 hübridisatsioon
Seda tüüpi hübridisatsioon vastutab kolme kovalentse sidemega molekulide ruumilise struktuuri eest. Näiteks on BCl3 molekul. Kesksel baariumiaatomil on kolm jagamata elektronipaari: kaks p-tasemel ja üks s-tasandil.
Kolm kovalentset sidet moodustavad molekuli, mis asub samas tasapinnas ja selle sideme nurk on 120 kraadi.
Sp3 hübridisatsioon
Teine võimalus hübriidorbitaalide moodustamiseks, kui keskaatomil on 4 jagamata elektronpaari: 3 p-tasemel ja 1 s-tasandil. Sellise aine näiteks on metaan. Metaani molekulide ruumiline struktuur on tetraerd, mille valentsnurk on 109,5 kraadi. Nurga muutust iseloomustab vesinikuaatomite vastastikmõju.
