2.2: Розміри та форми органічних молекул
- Page ID
- 105817
Розмір і форма молекул є такою ж частиною молекулярної структури, як і порядок, в якому атоми компонентів пов'язані. Всупереч враженню, яке ви можете отримати від структурних формул, складні молекули не плоскі і безформні, але мають чітко визначені просторові розташування, які визначаються довжиною і спрямованим характером їх хімічних зв'язків. Нелегко візуалізувати можливі розташування зв'язків у просторі, і дуже корисно мати якусь механічну модель, яка відображає молекулярну геометрію, включаючи принаймні наближення до відносних довжин зв'язків. Моделі «кульки-палички», такі як ті, які використовує Paterno (Розділ 1-1D) чудово заповнюють цю мету.
Бонд Кути і кулі і палиці моделі
Добре встановлено, що нормальний атом вуглецю утворює свої чотири одиночні зв'язки в сполуках типу\(CX_4\) так, що чотири приєднані атоми лежать в кутах правильного тетраедра. Кути зв'язку\(X-C-X\) є\(109.5^\text{o}\) і це значення є «нормальним» валентним кутом вуглецю. Для багатьох цілей кульково-паликові моделі органічних сполук дають корисну інформацію про просторові зв'язки атомів, а для\(CX_4\) кутів між палицями встановлюються на\(109.5^\text{o}\) (рис. 2-1). Органічні молекули сильно протистоять силам деформації, які змінюють свої валентні кути від нормальних значень. Тому кульово-паличні моделі краще відповідають поведінці фактичних молекул, якщо з'єднувачі, що представляють поодинокі зв'язки, зроблені досить жорсткими.
Тоді як метан\(CH_4\), це чотиригранний, етен,\(C_2H_4\), не є. Згідно з найкращими доступними фізичними вимірами, всі шість атомів етену лежать в одній площині і кути\(H-C-H\) зв'язку є\(117.3^\text{o}\). Метанал (формальдегід) також являє собою планарну молекулу з кутом\(H-C-H\) зв'язку\(118^\text{o}\).
Експериментально встановлено\(C_2H_2\), що етин є лінійною молекулою; тобто кут\(H-C-C\) зв'язку становить\(180^\text{o}\):
Структурні одиниці, які мають\(C-C-C\) валентні кути істотно менше чотиригранного значення, включають подвійні і потрійні зв'язки, а також невеликі кільця, такі як циклопропан. Для побудови моделей з'єднань, що містять ці одиниці, потрібно кілька зігнутих зв'язків. Цікаво, що такі сполуки набагато менш стійкі і більш реактивні, ніж аналогічні молекули, для яких моделі можуть бути побудовані прямими паличками під чотиригранними кутами.
Довжини зв'язків та моделі заповнення простору
Довжина хімічного зв'язку - це середня відстань між ядрами двох зв'язаних атомів, незалежно від того, де трапляються зв'язкові електрони. Звичайною одиницею довжини є ангстрем\(^1\) (\(\text{A} = 10^{-10} \: \text{m}\)), і вимірювання часто можуть бути зроблені з\(0.001 \: \text{A}\) точністю за допомогою методів молекулярної спектроскопії, рентгенівської дифракції (для кристалічних твердих тіл) та дифракції електронів (для летких сполук). Довжини зв'язку значно різняться залежно від структури і залежать від ідентичності обох атомів, типу зв'язку (одинарного, подвійного або потрійного) та природи інших атомів або груп, пов'язаних з двома атомами, про які йдеться. Ці ефекти очевидні в даних таблиці 2-1, де перераховані довжини зв'язку в декількох простих органічних сполуках. Множинні зв'язки, подвійні або потрійні, явно коротші, ніж одиночні зв'язки, і це можна констатувати як загальне спостереження, що чим більше електронів зв'язку в даному зв'язку, тим коротше (і міцніше) зв'язок. Довжини одиночних\(C-C\) зв'язків також значно різняться залежно від того, які інші атоми або групи прикріплені до вуглецю. Таким чином, таблиця 2-1 показує, що\(C-C\) одиночні зв'язки стають поступово коротшими, оскільки кількість множинних зв'язків або електронегативних атомів, приєднаних до вуглецю, збільшується.
Хоча молекулярні моделі не можуть представляти тонкі варіації довжини зв'язків та кутів зв'язку, які демонструють фактичні молекули, більшість видів комерційно доступних молекулярних моделей намагаються відтворити відносну довжину зв'язку з певним ступенем реальності. У кульовому типі палички зазвичай бувають різної довжини для імітації різних видів зв'язків;\(C-H\) облігації, як правило, масштабуються\(1.1 \: \text{A}\), щоб представляти\(1.54 \: \text{A}\),\(C-C\) зв'язки повинні бути\(C=C\) і\(C \equiv C\) відповідно коротше. У деяких модельних комплектах зв'язки можна обрізати до будь-якої бажаної довжини.
Хоча кулькові та паличні моделі молекул дуже корисні для візуалізації відносних положень атомів у просторі, вони незадовільні, коли ми також хочемо показати, наскільки великі атоми. Насправді атомні радіуси настільки великі щодо довжин хімічних зв'язків, що коли модель молекули, такої як метилхлорид, побудована з атомними радіусами та довжинами зв'язків, як у масштабі, зв'язки, що з'єднують атоми, не чітко очевидні. Немає-
Як ми побачимо, така скупченість має багато хімічних наслідків.
В ідеалі модель повинна відображати не тільки розмір і форму молекули, яку вона представляє, але і гнучкість молекули. Під цим ми маємо на увазі, що
він повинен імітувати тип рухів, доступних молекулі, зокрема обертання зв'язку. Наприклад, відомо, що обертання зазвичай відбувається навколо одиночних зв'язків у сполуках з відкритим ланцюгом, але обмежене щодо подвійних зв'язків. Рухи такого роду легко демонструються за допомогою кульових і паликових моделей, але зовсім не очевидні з типом заповнення простору. З цієї причини моделі з кулькою та палицею або їх еквівалент є більш корисними, ніж моделі заповнення простору для візуалізації структур та положень атомів відносно один одного.
\(^1\)Блок ангстрема, ймовірно, буде замінений в кінцевому підсумку на нанометр (\(1 \: \text{nm} = 10^{-9} \: \text{m} = 10 \: \text{A}\)).