التركيب المكاني لجزيئات المواد العضوية وغير العضوية له أهمية كبيرة في وصف خصائصها الكيميائية والفيزيائية. إذا اعتبرنا مادة ما كمجموعة من الأحرف والأرقام على الورق ، فليس من الممكن دائمًا التوصل إلى الاستنتاجات الصحيحة. لوصف العديد من الظواهر ، خاصة تلك المتعلقة بالكيمياء العضوية ، من الضروري معرفة التركيب الفراغي للجزيء.
ما هو القياس الفراغي
القياس المجسم هو فرع من فروع الكيمياء يشرح خصائص جزيئات المادة بناءً على بنيتها. علاوة على ذلك ، يلعب التمثيل المكاني للجزيئات دورًا مهمًا هنا ، منذ ذلك الحين إنه مفتاح العديد من الظواهر الحيوية.
القياس المجسم عبارة عن مجموعة من القواعد الأساسية التي يمكن من خلالها تمثيل أي جزيء تقريبًا في شكل حجمي. عيب الصيغة الإجمالية المكتوبة على قطعة ورق عادية هو عدم قدرتها على الكشف عن القائمة الكاملة لخصائص المادة قيد الدراسة.
مثال على ذلك هو حمض الفوماريك ، الذي ينتمي إلى الطبقة ثنائية القاعدة. إنه ضعيف الذوبان في الماء ،سامة ويمكن العثور عليها في الطبيعة. ومع ذلك ، إذا قمت بتغيير الترتيب المكاني لمجموعات COOH ، يمكنك الحصول على مادة مختلفة تمامًا - حمض الماليك. إنه شديد الذوبان في الماء ، ولا يمكن الحصول عليه إلا صناعياً ، وهو خطير على الإنسان بسبب خصائصه السامة.
نظرية الكيمياء المجسمة لفانت هوف
في القرن التاسع عشر ، لم تستطع أفكار M. Butlerov حول البنية المسطحة لأي جزيء تفسير العديد من خصائص المواد ، وخاصة المواد العضوية. كان هذا هو الدافع لفانت هوف لكتابة العمل "كيمياء في الفضاء" ، والذي استكمل فيه نظرية إم بتليروف بأبحاثه في هذا المجال. قدم مفهوم التركيب المكاني للجزيئات ، وشرح أيضًا أهمية اكتشافه في العلوم الكيميائية.
وهكذا تم إثبات وجود ثلاثة أنواع من حامض اللاكتيك: حامض اللبنيك اللحمي ، وحمض اللاكتيك المخمر. على قطعة من الورق لكل من هذه المواد ، ستكون الصيغة البنائية هي نفسها ، لكن التركيب المكاني للجزيئات يفسر هذه الظاهرة.
كانت نتيجة نظرية الكيمياء الفراغية لفانت هوف هي الدليل على حقيقة أن ذرة الكربون ليست مسطحة ، لأن تواجه روابط التكافؤ الأربعة رؤوس رباعي السطوح الوهمي.
التركيب المكاني الهرمي للجزيئات العضوية
بناءً على نتائج Van't Hoff وأبحاثه ، يمكن تمثيل كل كربون في الهيكل العظمي للمادة العضوية على شكل رباعي السطوح. هكذا نحنيمكننا النظر في 4 حالات محتملة لتكوين روابط C-C وشرح بنية هذه الجزيئات.
الحالة الأولى عندما يكون الجزيء عبارة عن ذرة كربون مفردة تشكل 4 روابط مع بروتونات الهيدروجين. يكرر التركيب المكاني لجزيئات الميثان بشكل شبه كامل الخطوط العريضة لرباعي الوجوه ، ومع ذلك ، تتغير زاوية الرابطة قليلاً بسبب تفاعل ذرات الهيدروجين.
يمكن تمثيل تكوين رابطة كيميائية واحدة C-C كهرمين مترابطين برأس مشترك. من مثل هذا البناء للجزيء ، يمكن ملاحظة أن هذه رباعي الأسطح يمكن أن تدور حول محورها وتغير موضعها بحرية. إذا أخذنا في الاعتبار هذا النظام باستخدام مثال جزيء الإيثان ، فإن الكربون في الهيكل العظمي قادر بالفعل على الدوران. ومع ذلك ، من بين الموضعين المميزين ، يتم إعطاء الأفضلية للموضع المفضل بقوة ، عندما لا تتداخل الهيدروجين في إسقاط نيومان.
التركيب المكاني لجزيء الإيثيلين هو مثال على البديل الثالث لتكوين روابط C-C ، عندما يكون لرابعين وجه واحد مشترك ، أي تتقاطع عند رأسين متجاورين. يصبح من الواضح أنه بسبب هذا الوضع الفراغي للجزيء ، فإن حركة ذرات الكربون بالنسبة لمحوره أمر صعب ، لأنه يتطلب كسر أحد الروابط. من ناحية أخرى ، يصبح تكوين الأيزومرات المترابطة وعبر الأيزومرات ممكنًا ، منذ ذلك الحين اثنين من الجذور الحرة من كل كربون يمكن أن تكون إما معكوسة أو متقاطعة.
Cis- ويوضح تبديل الجزيء وجود الفوماريك والماليكالأحماض. يتكون رابطان بين ذرات الكربون في هذه الجزيئات ، ولكل منهما ذرة هيدروجين واحدة ومجموعة COOH.
الحالة الأخيرة ، التي تميز التركيب المكاني للجزيئات ، يمكن تمثيلها بهرمين لهما وجه واحد مشترك ومترابطان بثلاثة رؤوس. مثال على ذلك جزيء الأسيتيلين.
أولاً ، لا تحتوي هذه الجزيئات على رابطة الدول المستقلة أو أيزومرات عابرة. ثانيًا ، ذرات الكربون غير قادرة على الدوران حول محورها. وثالثاً ، تقع جميع الذرات وجذورها على نفس المحور ، وزاوية الرابطة 180 درجة.
بالطبع ، يمكن تطبيق الحالات الموصوفة على المواد التي يحتوي هيكلها العظمي على أكثر من ذرتين من الهيدروجين. يتم الاحتفاظ بمبدأ البناء الفراغي لمثل هذه الجزيئات.
التركيب المكاني لجزيئات المواد غير العضوية
تكوين الروابط التساهمية في المركبات غير العضوية يشبه في آلية المواد العضوية. لتكوين رابطة ، من الضروري وجود أزواج إلكترونية غير مشتركة في ذرتين ، والتي تشكل سحابة إلكترونية مشتركة.
يحدث تداخل المدارات أثناء تكوين الرابطة التساهمية على طول خط واحد من النوى الذرية. إذا شكلت الذرة رابطين أو أكثر ، فإن المسافة بينهما تتميز بقيمة زاوية الرابطة.
إذا أخذنا في الاعتبار جزيء الماء ، الذي يتكون من ذرة أكسجين واحدة وذرتين من الهيدروجين ، فيجب أن تكون زاوية الرابطة 90 درجة بشكل مثالي. لكنوقد أظهرت الدراسات التجريبية أن هذه القيمة هي 104.5 درجة. يختلف التركيب المكاني للجزيئات عن الهيكل المتوقع نظريًا بسبب وجود قوى التفاعل بين ذرات الهيدروجين. يتنافرون ، وبالتالي زيادة زاوية الرابطة بينهم.
تهجين س
التهجين هو نظرية تكوين مدارات هجينة متطابقة للجزيء. تحدث هذه الظاهرة بسبب وجود أزواج إلكترونية غير مشتركة عند مستويات طاقة مختلفة في الذرة المركزية.
على سبيل المثال ، ضع في اعتبارك تكوين روابط تساهمية في جزيء BeCl2. يحتوي البريليوم على أزواج إلكترونية غير مشتركة على المستويين s و p ، والتي يجب أن تتسبب نظريًا في تكوين جزيء زاوية غير مستوٍ. ومع ذلك ، فهي خطية من الناحية العملية وزاوية الرابطة 180 درجة.
يستخدم Sp- التهجين في تكوين اثنين من الروابط التساهمية. ومع ذلك ، هناك أنواع أخرى من تشكيل المدارات الهجينة.
تهجين Sp2
هذا النوع من التهجين مسؤول عن التركيب المكاني للجزيئات بثلاث روابط تساهمية. مثال على ذلك جزيء BCl3. تحتوي ذرة الباريوم المركزية على ثلاثة أزواج إلكترونية غير مشتركة: اثنان على المستوى p وواحد على المستوى s.
ثلاث روابط تساهمية تشكل جزيء يقع في نفس المستوى ، وزاوية ارتباطها 120 درجة.
تهجين Sp3
خيار آخر لتشكيل المدارات الهجينة ، عندما تحتوي الذرة المركزية على 4 أزواج إلكترونية غير مشتركة: 3 على المستوى p و 1 على المستوى s. مثال على هذه المادة هو الميثان. التركيب المكاني لجزيئات الميثان هو رباعي ، زاوية التكافؤ فيها 109.5 درجة. التغيير في الزاوية يتميز بتفاعل ذرات الهيدروجين مع بعضها البعض.
