La structure spatiale des molécules de substances inorganiques et organiques est d'une grande importance pour décrire leurs propriétés chimiques et physiques. Si l'on considère une substance comme un ensemble de lettres et de chiffres sur papier, il n'est pas toujours possible d'arriver aux bonnes conclusions. Pour décrire de nombreux phénomènes, notamment ceux liés à la chimie organique, il est nécessaire de connaître la structure stéréométrique de la molécule.
Qu'est-ce que la stéréométrie
La stéréométrie est une branche de la chimie qui explique les propriétés des molécules d'une substance en fonction de sa structure. De plus, la représentation spatiale des molécules joue ici un rôle important, puisque c'est la clé de nombreux phénomènes bioorganiques.
La stéréométrie est un ensemble de règles de base par lesquelles presque toutes les molécules peuvent être représentées sous forme volumétrique. L'inconvénient de la formule brute écrite sur une feuille de papier ordinaire est son incapacité à révéler la liste complète des propriétés de la substance à l'étude.
Un exemple serait l'acide fumarique, qui appartient à la classe dibasique. Il est peu soluble dans l'eau,toxique et peut être trouvé dans la nature. Cependant, si vous modifiez la disposition spatiale des groupes COOH, vous pouvez obtenir une substance complètement différente - l'acide maléique. Il est très soluble dans l'eau, ne peut être obtenu qu'artificiellement et est dangereux pour l'homme en raison de ses propriétés toxiques.
Théorie stéréochimique de Vant Hoff
Au 19e siècle, les idées de M. Butlerov sur la structure plate de toute molécule ne pouvaient pas expliquer de nombreuses propriétés des substances, en particulier des substances organiques. Ce fut l'impulsion pour van't Hoff d'écrire l'ouvrage "Chimie dans l'espace", dans lequel il compléta la théorie de M. Butlerov par ses recherches dans ce domaine. Il a introduit le concept de la structure spatiale des molécules et a également expliqué l'importance de sa découverte pour la science chimique.
Ainsi, l'existence de trois types d'acide lactique a été prouvée: lactique de viande, dextrogyre et lactique fermenté. Sur une feuille de papier pour chacune de ces substances, la formule structurale sera la même, mais la structure spatiale des molécules explique ce phénomène.
Le résultat de la théorie stéréochimique de Van't Hoff a été la preuve du fait que l'atome de carbone n'est pas plat, car ses quatre liaisons de valence font face aux sommets d'un tétraèdre imaginaire.
Structure spatiale pyramidale des molécules organiques
Sur la base des découvertes de van't Hoff et de ses recherches, chaque carbone du squelette de la matière organique peut être représenté par un tétraèdre. C'est ainsi que nousnous pouvons considérer 4 cas possibles de formation de liaisons C-C et expliquer la structure de telles molécules.
Le premier cas est lorsque la molécule est un seul atome de carbone qui forme 4 liaisons avec des protons d'hydrogène. La structure spatiale des molécules de méthane répète presque complètement les contours d'un tétraèdre, cependant, l'angle de liaison est légèrement modifié en raison de l'interaction des atomes d'hydrogène.
La formation d'une liaison chimique C-C peut être représentée comme deux pyramides, qui sont interconnectées par un sommet commun. A partir d'une telle construction de la molécule, on peut voir que ces tétraèdres peuvent tourner autour de leur axe et changer librement de position. Si l'on considère ce système en prenant l'exemple d'une molécule d'éthane, les carbones du squelette sont en effet capables de tourner. Cependant, des deux positions caractéristiques, la préférence est donnée à celle énergétiquement favorable, lorsque les hydrogènes dans la projection de Newman ne se chevauchent pas.
La structure spatiale de la molécule d'éthylène est un exemple de la troisième variante de la formation de liaisons C-C, lorsque deux tétraèdres ont une face commune, c'est-à-dire se coupent en deux sommets adjacents. Il devient clair qu'en raison d'une telle position stéréométrique de la molécule, le mouvement des atomes de carbone par rapport à son axe est difficile, car nécessite de rompre l'un des liens. D'autre part, la formation d'isomères cis et trans de substances devient possible, puisque deux radicaux libres de chaque carbone peuvent être en miroir ou entrecroisés.
Cis- et la transposition de la molécule expliquent l'existence du fumarique et du maléiqueacides. Deux liaisons se forment entre les atomes de carbone de ces molécules, et chacune d'elles possède un atome d'hydrogène et un groupe COOH.
Le dernier cas, qui caractérise la structure spatiale des molécules, peut être représenté par deux pyramides qui ont une face commune et sont reliées entre elles par trois sommets. Un exemple est la molécule d'acétylène.
Premièrement, ces molécules n'ont pas d'isomères cis ou trans. Deuxièmement, les atomes de carbone ne peuvent pas tourner autour de leur axe. Et troisièmement, tous les atomes et leurs radicaux sont situés sur le même axe, et l'angle de liaison est de 180 degrés.
Bien sûr, les cas décrits peuvent s'appliquer à des substances dont le squelette contient plus de deux atomes d'hydrogène. Le principe de construction stéréométrique de telles molécules est conservé.
Structure spatiale des molécules de substances inorganiques
La formation de liaisons covalentes dans les composés inorganiques a un mécanisme similaire à celui des substances organiques. Pour former une liaison, il est nécessaire d'avoir des paires d'électrons non partagées dans deux atomes, qui forment un nuage d'électrons commun.
Le chevauchement des orbitales lors de la formation d'une liaison covalente se produit le long d'une ligne de noyaux atomiques. Si un atome forme deux liaisons ou plus, la distance entre elles est caractérisée par la valeur de l'angle de liaison.
Si nous considérons une molécule d'eau, qui est formée d'un atome d'oxygène et de deux atomes d'hydrogène, l'angle de liaison devrait idéalement être de 90 degrés. Cependantdes études expérimentales ont montré que cette valeur est de 104,5 degrés. La structure spatiale des molécules diffère de celle théoriquement prédite en raison de la présence de forces d'interaction entre les atomes d'hydrogène. Ils se repoussent, augmentant ainsi l'angle de liaison entre eux.
Sp-hybridation
L'hybridation est la théorie de la formation d'orbitales hybrides identiques d'une molécule. Ce phénomène se produit en raison de la présence de paires d'électrons non partagés à différents niveaux d'énergie dans l'atome central.
Par exemple, considérons la formation de liaisons covalentes dans la molécule BeCl2. Le béryllium a des paires d'électrons non partagés aux niveaux s et p, ce qui, en théorie, devrait entraîner la formation d'une molécule de coin inégale. Cependant, en pratique, ils sont linéaires et l'angle de liaison est de 180 degrés.
L'hybridation Sp est utilisée dans la formation de deux liaisons covalentes. Cependant, il existe d'autres types de formation d'orbitales hybrides.
hybridation Sp2
Ce type d'hybridation est responsable de la structure spatiale des molécules à trois liaisons covalentes. Un exemple est la molécule BCl3. L'atome de baryum central a trois paires d'électrons non partagées: deux au niveau p et une au niveau s.
Trois liaisons covalentes forment une molécule située dans le même plan, et son angle de liaison est de 120 degrés.
hybridation Sp3
Une autre option pour la formation d'orbitales hybrides, lorsque l'atome central a 4 paires d'électrons non partagées: 3 au niveau p et 1 au niveau s. Un exemple d'une telle substance est le méthane. La structure spatiale des molécules de méthane est un tétraerde, l'angle de valence dans lequel est de 109,5 degrés. Le changement d'angle est caractérisé par l'interaction des atomes d'hydrogène les uns avec les autres.
