La estructura espacial de las moléculas de sustancias inorgánicas y orgánicas es de gran importancia para describir sus propiedades químicas y físicas. Si consideramos una sustancia como un conjunto de letras y números en papel, no siempre es posible llegar a las conclusiones correctas. Para describir muchos fenómenos, especialmente los relacionados con la química orgánica, es necesario conocer la estructura estereométrica de la molécula.
¿Qué es la estereometría?
La estereometría es una rama de la química que explica las propiedades de las moléculas de una sustancia en función de su estructura. Además, la representación espacial de las moléculas juega aquí un papel importante, ya que es la clave de muchos fenómenos bioorgánicos.
La estereometría es un conjunto de reglas básicas mediante las cuales casi cualquier molécula puede representarse en forma volumétrica. La desventaja de la fórmula general escrita en una hoja normal de papel es su incapacidad para revelar la lista completa de propiedades de la sustancia en estudio.
Un ejemplo sería el ácido fumárico, que pertenece a la clase dibásica. Es poco soluble en agua,venenoso y se puede encontrar en la naturaleza. Sin embargo, si cambia la disposición espacial de los grupos COOH, puede obtener una sustancia completamente diferente: el ácido maleico. Es altamente soluble en agua, solo puede obtenerse artificialmente y es peligroso para los humanos debido a sus propiedades tóxicas.
Teoría estereoquímica de Vant Hoff
En el siglo XIX, las ideas de M. Butlerov sobre la estructura plana de cualquier molécula no podían explicar muchas propiedades de las sustancias, especialmente las orgánicas. Este fue el impulso para que van't Hoff escribiera la obra "Química en el espacio", en la que complementó la teoría de M. Butlerov con sus investigaciones en esta área. Introdujo el concepto de la estructura espacial de las moléculas y también explicó la importancia de su descubrimiento para la ciencia química.
Así se comprobó la existencia de tres tipos de ácido láctico: láctico cárnico, dextrorrotatorio y láctico fermentado. En una hoja de papel para cada una de estas sustancias, la fórmula estructural será la misma, pero la estructura espacial de las moléculas explica este fenómeno.
El resultado de la teoría estereoquímica de Van't Hoff fue la prueba del hecho de que el átomo de carbono no es plano, porque sus cuatro enlaces de valencia miran hacia los vértices de un tetraedro imaginario.
Estructura espacial piramidal de las moléculas orgánicas
Según los hallazgos de van't Hoff y su investigación, cada carbono en el esqueleto de la materia orgánica se puede representar como un tetraedro. así es como nosotrospodemos considerar 4 posibles casos de formación de enlaces C-C y explicar la estructura de tales moléculas.
El primer caso es cuando la molécula es un solo átomo de carbono que forma 4 enlaces con protones de hidrógeno. La estructura espacial de las moléculas de metano repite casi por completo los contornos de un tetraedro, sin embargo, el ángulo de enlace cambia ligeramente debido a la interacción de los átomos de hidrógeno.
La formación de un enlace químico C-C se puede representar como dos pirámides, que están interconectadas por un vértice común. A partir de tal construcción de la molécula, se puede ver que estos tetraedros pueden girar alrededor de su eje y cambiar libremente de posición. Si consideramos este sistema usando el ejemplo de una molécula de etano, los carbonos en el esqueleto son capaces de rotar. Sin embargo, de las dos posiciones características, se da preferencia a la energéticamente favorable, cuando los hidrógenos en la proyección de Newman no se superponen.
La estructura espacial de la molécula de etileno es un ejemplo de la tercera variante de la formación de enlaces C-C, cuando dos tetraedros tienen una cara común, es decir se cortan en dos vértices adyacentes. Queda claro que debido a tal posición estereométrica de la molécula, el movimiento de los átomos de carbono en relación con su eje es difícil, porque requiere romper uno de los enlaces. Por otro lado, la formación de isómeros cis y trans de sustancias se vuelve posible, ya que dos radicales libres de cada carbono pueden reflejarse o entrecruzarse.
Cis- y la transposición de la molécula explica la existencia de fumárico y maleicoácidos. Se forman dos enlaces entre los átomos de carbono de estas moléculas, y cada uno de ellos tiene un átomo de hidrógeno y un grupo COOH.
El último caso, que caracteriza la estructura espacial de las moléculas, se puede representar mediante dos pirámides que tienen una cara común y están interconectadas por tres vértices. Un ejemplo es la molécula de acetileno.
En primer lugar, estas moléculas no tienen isómeros cis o trans. En segundo lugar, los átomos de carbono no pueden girar alrededor de su eje. Y en tercer lugar, todos los átomos y sus radicales están ubicados en el mismo eje, y el ángulo de enlace es de 180 grados.
Por supuesto, los casos descritos pueden aplicarse a sustancias cuyo esqueleto contiene más de dos átomos de hidrógeno. Se conserva el principio de construcción estereométrica de tales moléculas.
Estructura espacial de moléculas de sustancias inorgánicas
La formación de enlaces covalentes en compuestos inorgánicos tiene un mecanismo similar al de las sustancias orgánicas. Para formar un enlace, es necesario tener pares de electrones no compartidos en dos átomos, que forman una nube de electrones común.
La superposición de orbitales durante la formación de un enlace covalente ocurre a lo largo de una línea de núcleos atómicos. Si un átomo forma dos o más enlaces, la distancia entre ellos se caracteriza por el valor del ángulo de enlace.
Si consideramos una molécula de agua, que está formada por un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno, el ángulo de enlace idealmente debería ser de 90 grados. Sin embargoestudios experimentales han demostrado que este valor es de 104,5 grados. La estructura espacial de las moléculas difiere de la predicha teóricamente debido a la presencia de fuerzas de interacción entre los átomos de hidrógeno. Se repelen entre sí, aumentando así el ángulo de enlace entre ellos.
Sp-hibridación
La hibridación es la teoría de la formación de orbitales híbridos idénticos de una molécula. Este fenómeno ocurre debido a la presencia de pares de electrones no compartidos en diferentes niveles de energía en el átomo central.
Por ejemplo, considere la formación de enlaces covalentes en la molécula de BeCl2. El berilio tiene pares de electrones no compartidos en los niveles s y p, lo que en teoría debería causar la formación de una molécula de esquina irregular. Sin embargo, en la práctica son lineales y el ángulo de enlace es de 180 grados.
La hibridación Sp se utiliza en la formación de dos enlaces covalentes. Sin embargo, existen otros tipos de formación de orbitales híbridos.
Hibridación Sp2
Este tipo de hibridación es responsable de la estructura espacial de las moléculas con tres enlaces covalentes. Un ejemplo es la molécula BCl3. El átomo de bario central tiene tres pares de electrones no compartidos: dos en el nivel p y uno en el nivel s.
Tres enlaces covalentes forman una molécula que se encuentra en el mismo plano y su ángulo de enlace es de 120 grados.
Hibridación Sp3
Otra opción para la formación de orbitales híbridos, cuando el átomo central tiene 4 pares de electrones no compartidos: 3 en el nivel p y 1 en el nivel s. Un ejemplo de tal sustancia es el metano. La estructura espacial de las moléculas de metano es un tetraerd, cuyo ángulo de valencia es de 109,5 grados. El cambio en el ángulo se caracteriza por la interacción de los átomos de hidrógeno entre sí.
