Categories
Stiinta

Cum calculezi structura 3D a meloculelor? Bonus video: curiozități din lumea chimiei


Michel van Biezen, de la iLectureOnline.com, are o serie de filme educative din multe domenii, dar cea de față este despre aflarea structurii 3D a moleculelor. În chimie contează și forma 3D a moleculelor pentru a ști cum interacționează substanțele între ele.

Modelul care este prezentat de Michel van Biezen este VSEPR sau Valence Shell Electron Pair Repulsion. Știind sistemul acesta poți să îți dai seama de unghiurile pe care le fac atomii într-o moleculă.

Vei afla despre rolul perechilor de electroni liberi, adică eletroni care nu au fost împrumutați altor atomi. Prezența electronilor liberi modică geometria moleculei în sensul că prezența lor reduce unghiul legăturilor cu aproximativ 2.5 grade/pereche de electroni liberi.

Mi-am adus aminte despre calculul structurii 3D a moleculelor când am citit despre hibridizarea sp ce apare într-o moleculă.

Ca să afli structura 3D a unor molecule simple pe cum este apa, H2O, sau metanul CH4, atunci trebuie să urmezi pașii:
1. afli numărul steric = numărul de legături + numărul de perechi de electroni liberi
2. știind numărul steric, atunci vei afla ce fel de hibridizare ai acolo, respectiv n = sp^(n-1), n număr steric. Dacă ai număr steric 4, atunci ai hibridizare sp^(4-1) sau sp3.
3. știind tipul de hidridizare nu trebuie decât să verifici lista de mai jos pentru a afla unghiurile și forma moleculelor. Nu uita că prezența unei perechi de electroni liberi va duce la o scădere cu 2.5 grade a unghiului dintre legături.

Iată tipurile de hibridizare:
– liniară – sp – un s și un p; duce la prezența a două legături sau orbitali hibrizi la 180 grade unul de altul
– planară triunghiulară – sp2 – un s și doi p; rezultă trei orbitali hibrizi la 120 de grade unul de altul, în același plan
– tetraedru – sp3, un s și 3 p; au patru orbitali hibrizi cu atomii în vârfurile tetraedrului, la 109,5 grade distanță
– trigonal bi-piramidal – dsp3 sau sp3d; un d, un s și trei p, în forma a două piramide tringhiulare una peste alta. Unghiul între orbitalii hibrizi din cadrul bazei piramidelor este de 120 de grade iar unghiul dintre cele două vărfuri este de 180 de grade
– octaedru – d2sp3 sau sp3d2, un s, doi d, trei p; avem aici un octaedru, cu 90 de grade între toate legăturile

Modelul VSEPR este explicat și de cei de la Compund Chem în articolul acesta. Graficul de mai jos ne va ajuta să vedem mai bine cum arată diferite structuri 3D ale moleculelor:
forma-3d--molecule-VSEPR-Shapes-of-Molecules

Trebuie ținut minte că numai electronii de valență, cei de pe stratul superior, pot participa la crearea de legături. Ca să afli câți electroni de valență are un anumit element chimic intră pe Tabelul Periodic creat de Google (via Presurfer, alt Tabel periodic aici) și dă click pe Electrons, în partea stângă. Când mergi cu mausul peste Oxigen, de exemplu, vei vedea că are 6 electroni de valență. Îi mai trebuie 2 pentru a face 8 electroni tocmai de aceea poate forma apă, H2O.

Ca în cazul apei din cei 6 electroni, 2 sunt puși la comun cu atomii de hidrogen. Mai rămâne să vedem câte perechi de electroni liberi mai sunt. Dat fiind că 4 electroni sunt liberi, rezultă 4/2 = 2 perechi de electroni liberi.

În cazul apei H2O avem număr steric egal cu 4, adică 2 legături cu Hidrogenul + 2 perechi de electroni liberi.

Avem, așadar, hibridizare sp^(n-1) sau sp^(4-1) sau sp3. O asemenea hibridizare are forma unui tetraedru, sau piramidă cu baza un triunghi. În mod normal unghiul dintre legăturile unei asemenea molecule ar fi 109.5 grade, dar avem doar două legături, nu 4. Cele 2 perechi de electroni liberi scad din unghiul făcut între legături astfel: 2 perechi de electroni liberi * 2,5 grade = 5 grade.

Cu alte cuvinte, unghiul făcut de atomii de hidrogen cu oxigenul din apă este egal cu 109,5 – 5 = 104,5. Corespunde cu ceea ce se știe despre unghiurile legăturilor în apă. Poți vedea faptul că apa formează un tetraedru înclinat puțin datorită hibridizării sp3.

Acum știi cum să calculezi structura 3D a unor molecule simple. Află ce formă are molecula de metan, CH4.

Extra reading: Physics Stack Exchange.

Bonus: curiozități din lumea chimiei. Experimente interesante.

Categories
Stiinta Tehnologie

Cristalografia cu raze X: cum aflăm structura 3D a moleculelor


Cei de la The Royal Institution au mici documentare interesante despre lumea științei și tehnologiei. În filmul de mai sus profesorul Stephen Curry ne explică metoda prin care putem afla structura 3D a moleculelor. De ce am dori șă știm structura 3D sau geometria moleculară a unor substanțe ca proteinele? Avem nevoie să știm cum sunt aranjale moleculele în sațiu pentru a pregăti substanțe care interacționează mai bine cu acele molecule și pentru a afla, mai bine, modul lor de funcționare.

Pentru construirea modelului 3D al moleculelor se folosesc raze X, care au lungimi de undă între 0,001 și 10 nanometri, adică suficient de mici încât să înteracționeze cu atomii individuali din moleculă. Un atom poate avea și 0,5 nanometri în diametru, pe cum este cel de fosfor.

Razele X se obțin în acceleratorul Diamond Light Source, din Marea Britanie, loc unde electroni sunt accelerați aproape de viteza luminii și, pe alocuri, pe unde sunt ondulatoarele, electronii sunt obligați să oscileze, lucru ce determină apariția undelor electromagnetice în spectrul rezelor X. Aceste raze X sunt de 10 ori mai strălucitoare decât Soarele.

Odată ce acele raze sunt create ele sunt dirijate către laboratoarele situate în interiorul inelului acceleratorului. În acele laboratoare molecule cristalizare sunt ținute în vârful unui ac sub curenți de azot lichid. Din lateral vin raxele X care se reflectă la întâlnirea cu atomii din moleculă. Razele reflectate ajung la un ecran în partea opusă unde lasă urme.

Acele urme sunt analizate prin computer și apoi calculatorul generează o imagine 3D cât se poate de exactă a moleculei. Prin procedeul acesta pot fi analizate numai moleculele care pot fi cristalizate, adică ordonate într-un mod foarte precis.

Via Tehgeektive.