В структурна формула е графично представяне на връзките на молекула, хвърлят светлина върху структурата веднъж определя чрез спектроскопски методи. Това е най-специфичният начин, когато се отнася до конкретно съединение, а не към няколко изомера, съответстващи на една и съща молекулна формула.
Например, бутан, С, 4 Н 10, има два изомера: п-бутан (линейни) и 2-метил-пропан (разклонена верига). Молекулната формула не разграничава нито една от двете; докато ако прибягваме до структурни формули, ще се види точно, че едната е линейна, а другата разклонена.
Структурните формули позволяват да се изследва молекулните структури на съединенията. Източник: Pixabay
Използването на структурни формули улеснява разбирането на промените, които дадена молекула претърпява по време на химическа реакция; коя от нейните връзки е прекъсната, как нейната структура се променя в процеса и в края на него. Да се научиш да четеш тези формули е същото като повърхностно предсказване на свойствата на молекулите.
Структурните формули са двумерни представи, въпреки че могат да посочат някои триизмерни и геометрични аспекти. Колкото повече се изследва структурата на дадено съединение, толкова по-усъвършенствана и вярна става неговата структурна формула. В противен случай той оставя съществени аспекти, за да разбере природата на молекулата.
Примери за структурна формула
Всяко съединение има своята структурна формула, която може да варира в зависимост от вида на използваната проекция или перспектива. Например, кондензираните и скелетните формули, структурите на Люис и стереохимичните проекции са всички структурни формули, посветени на графиката на възможно най-много информация относно молекулната структура.
Има толкова много, че ще бъдат обхванати само няколко прости примера.
гликоза
Различни представи за структурата на алфа-глюкозата. Източник: Yikrazuul чрез Wikipedia.
Четири представи на молекулата глюкоза са показани в горното изображение. Всяка от тях е валидна структурна формула; но 2 (проекция на Хауърт) и 3 (проекция на стола) обикновено са най-използваните в академичните текстове и в публикациите.
4 има предимството, че посочва директно кои OH групи са над (дебели клинове) или под (пунктирани клинове) шестоъгълния пръстен; това означава, че улеснява разбирането на неговата стереохимия. За разлика от тях 1 (проекция на Толенс-Фишър) показва линеен характер на глюкозата преди да се превърне в нейната циклична форма.
метан
Структурна формула на метан. Източник: Габриел Боливар чрез MolView.
Над имате две структурни формули на метан, който кондензира молекулна формула е СН 4. За тези, които нямат познания по химия, те биха могли да интерпретират формулата CH 4, сякаш това е молекула с водороден атом в центъра.
Но в действителност (и задължително) структурните формули дават яснота, че въглеродът е централният атом. Следователно имаме четири СН връзки. Обърнете внимание също, че формулата вляво създава фалшивото впечатление, че молекулата е плоска, когато всъщност е тетраедрична (формула вдясно).
Ето защо в структурната формула вдясно връзките са представени с клинове, показващи относителните пространствени позиции на всеки водороден атом (върхове на тетраедъра).
Метан
Структурна формула на метанол. Източник: NEUROtiker
Структурната формула на метанола е практически същата като тази на метана, с разликата, че той има Н, заместен с OH. Неговата кондензира или химична формула е СН 3 ОН, и молекулното CH 4 О. се наблюдава, че тя също така се състои от тетраедър.
Етанол
Структурна формула на етанол. Източник: Габриел Боливар чрез MolView.
Сега преминаваме към етанола, следващия алкохол в списъка. Неговото химическо или кондензирано формула е СН 3 CH 2 OH, което само по себе си вече показва своята линейна структура. За да бъде ясно, структурната формула на изображението по-горе ефективно демонстрира, че етанолът е с права верига или гръбнак.
Ако погледнете отблизо, обкръжението на всеки въглероден атом е тетраедрично.
Фруктоза
Структурна формула на бета-D-фруктофураноза. Източник: NEUROtiker (беседа • принос)
По-горе имаме структурната формула на фруктозата, по-точно проекцията на Хауърт на пръстена му с фуран (петчленна). Обърнете внимание доколко структурната формула разкрива, за разлика от молекулярната, C 6 H 12 O 6, която съвпада с тази на глюкозата, като и двете са различни захари.
вода
Структурна формула на водата. Източник: Benjah-bmm27 чрез Wikipedia.
Химичната формула на вода е Н 2 О, и съответстващи на кондензирани и молекулните формули. Както при метана, онези, които не познават молекулата на водата (и нямат представа за химични връзки), може да вярват, че нейната структура е OHH; но структурната формула в изображението по-горе изяснява истинската структура.
Въпреки че не се оценява, двойките свободни електрони на кислород и водородни атоми нарисуват тетраедър около кислорода; това е електронната геометрия на водата: тетраедър. Междувременно двата водородни атома установяват равнина, подобна на бумеранг; това е молекулярната геометрия на водата: ъглова.
Въпреки че структурната формула на водата далеч не е най-простата от обсъжданите примери, тя крие повече тайни и аномалии, отколкото само тя успява да представи.
аспирин
Структурна формула на аспирин. Източник: Габриел Боливар чрез MolView.
Имаме един от първите „недостатъци“ на структурните формули: тяхната неспособност да представят ароматния характер на една структура; което в този случай съответства на ароматността на бензолния (шестоъгълен) пръстен на аспирин (по-горе).
Ако погледнете внимателно тази формула, ще стигнете до извода, че тя е по същество плоска молекула; че е почти всички негови атоми "почивка" в една и съща равнина, с изключение на метиловата група, CH 3, своята лява, където отново се показва четиристенен среда на въглерод.
Отново, структурната формула осигурява много информация повече от своя плосък молекулна формула, С, 9 Н 8 O 4; което съответства на множество структурни изомери, напълно различно от аспирина.
бензол
Структурна формула на бензол. Източник: Габриел Боливар чрез MolView.
И накрая, имаме над структурната формула на бензола. Молекулната му формула е C 6 H 6, което показва, че тя ефективно съдържа шест въглеродни атома и шест водородни атома. Но това не казва нищо за истинската структура на бензола.
Двойните връзки С = С не са статични, тъй като двойка електрони, по-специално този, разположен в р орбиталите на въглерода, делокализира в пръстена. Следователно бензолът има няколко резонансни структури, всяка със собствена структурна формула.
Тази делокализация е част от ароматния характер на бензола, който не е вярно представен в структурната формула вляво. Най-близкото е да замените двойните връзки с кръг (наречен поничка от някои), за да посочите ароматността на пръстена (отдясно на изображението).
А какво ще кажете за скелетната формула? Това е много подобно на структурното, различава се само по това, че не представлява водородни атоми; и следователно е по-опростено и по-удобно да се графира. Бензолният пръстен вдясно ще бъде скелетната му формула.
Препратки
- Уитън, Дейвис, Пек и Стенли. (2008 г.). Химия (8-мо изд.). CENGAGE Обучение.
- Wikipedia. (2020). Структурна формула. Възстановено от: en.wikipedia.org
- Ниса Гарсия. (2020). Структурна формула: Определение и примери. Изследване. Възстановено от: study.com
- Кларк Джим. (2012 г.). Рисуване на органични молекули. Възстановено от: chemguide.co.uk
- Уилям Реш. (5 май 2013 г.). Формата на молекулите. Възстановена от: 2.chemistry.msu.edu