Mówiąc o kształcie cząsteczki, nie możemy ani na chwilę zapominać, że używamy tu pewnego skrótu myślowego - bowiem poszczególne elementy cząsteczki, będąc w wiecznym ruchu (skracanie i wydłużanie wiązań, zmiana kątów miedzy wiązaniami, dyslokacja elektronów itp.) tworzą nie jeden, ściśle zdefiniowany kształt, lecz pulsującą strukturę. Mówiąc więc o kształcie cząsteczki mamy na myśli raczej pewne generalne zależności i proporcje między poszczególnymi elementami niż jakiś konkretny, zdefiniowany kształt. Mimo, że pojęcie - kształt cząsteczki - nie definiuje ostro rzeczywistości, jest wystarczającym przybliżeniem dla rozpatrzenia wpływu kształtu cząsteczki na jej niektóre właściwości chemiczne i fizyczne.
SYMETRIA
Zdolność związków chemicznych do uleganiu konkretnym przemianom i reakcjom chemicznym zależy w przeważającej mierze od polaryzacji wiązań i grup chemicznych w obrębie cząsteczki. Ze względu na różnice w elektroujemności pierwiastków zdecydowana większość substancji chemicznych wykazuje mniejszy lub większy moment dipolowy, z którym związana jest reaktywność cząsteczki, jej rozpuszczalność, zdolność tworzenia struktur krystalicznych itp. Jeżeli jednak cząsteczkę charakteryzuje wysoki poziom symetrii, poszczególne momenty dipolowe wiązań znoszą się nawzajem dając wypadkowy moment dipolowy bliski zero, co oczywiście rzutuje na właściwości chemiczne jak i fizyczne cząsteczki. Gwałtownemu osłabieniu ulegają siły międzycząsteczkowe, zdolność tworzenia kryształów, rozpuszczalność w polarnych rozpuszczalnikach lub zdolność rozpuszczania polarnych substancji.
Tetrachlorek węgla CCl4 jest dość lotną, praktycznie niepolarną cieczą, choć różnica w elektroujemności atomów tworzących jego wiązania jest znaczna (około
1,3). Spowodowane jest to symetria cząsteczki - wszystkie kąty między czterema wiązaniami C-Cl są równe i ich momenty dipolowe znoszą się nawzajem, dając cząsteczkę pozbawiona wypadkowego momentu dipolowego. Ten brak momentu dipolowego determinuje większość właściwości tego związku.
Podobnie symetria cząsteczki CO2 czy acetylenu C2H2 (cząsteczki liniowe) powoduje, że są to związki niepolarne, pomimo silnego
spolaryzowania poszczególnych wiązań w obrębie cząsteczki.
ZAWADA STERYCZNA
W sytuacji, gdy jest to tylko możliwe (czyli w przeważającej większości cząsteczek) dwie części cząsteczki połączone wiązaniem pojedynczym σ wirują względem siebie. Ten ruch jest często przyczyną "uśredniania" sytuacji pewnego elementu cząsteczki powodując, że każdy atom takiego ugrupowania ma takie same właściwości. Wyobraźmy sobie, że w pewnej cząsteczce grupa metylowa jest nieruchoma względem pozostałej części cząsteczki. Każdy z wodorów grupy metylowej jest zatem w konkretnym i stałym otoczeniu innych atomów cząsteczki, które to otoczenie determinuje jego zachowanie. Mielibyśmy zatem trzy wodory w trzech różnych sytuacjach - nierównocenne chemicznie. Każdy z nich brałby udział w reakcji chemicznej w charakterystyczny dla siebie sposób. Jeżeli jednak wrócimy do koncepcji wirowania grupy metylowej względem pozostałej części cząsteczki, każdy z atomów wodoru tej grupy jest w identycznej sytuacji - wszystkie trzy wodory są równocenne chemicznie, tak samo reagują na bodźce chemiczne, ulegają identycznym reakcjom chemicznym (następuje uśrednienie sytuacji każdego z nich w ten sam sposób).
Jeżeli w cząsteczce występuje element hamujący lub wręcz uniemożliwiający rotację poszczególnych elementów może dojść do zróżnicowania właściwości chemicznych elementów, które zazwyczaj charakteryzują się równocennościa chemiczną. Najczęściej spotykanym przypadkiem hamowania swobodnej rotacji grup jest występowanie wiązania p między nimi. Są to jednak przypadki, które dają się przewidzieć i każdy chemik bierze je pod uwagę. Trudniejsze do przewidzenia są przypadki (i o nich tu mówimy) kiedy rotacje uniemożliwia przeszkoda przestrzenna (steryczna) w postaci dużego objętościowo podstawnika, tak zorientowanego w przestrzeni, że nie pozwala on fizycznie na swobodną rotacje grupy, która w innych warunkach rotuje bez przeszkód. Takimi dużymi, "przeszkadzającymi" podstawnikami mogą być np. pierścienie, grupy CBr3, grupy tert-butylowe (trimetylometylowe) itp.
Takie przeszkody steryczne mogą nie tylko uniemożliwiać rotacje jakiejś grupy i tym sposobem zmieniać jej właściwości, ale także mogą uniemożliwiać dostęp do miejsca reakcji innym cząsteczkom i w ten sposób czynić niereaktywną cząsteczkę posiadającą reaktywne grupy funkcyjne. Siła działania zawady sterycznej jest czasem tak duża, że np. umożliwia trwanie wolnych rodników przez długi czas, choć w zwykłych warunkach czas ich życia to ułamki sekund.
Szczególnym, bardzo ważnym - szczególnie w biochemii - jest przypadek szczególnej asymetrii cząsteczek spowodowanej obecnością tzw. węgla asymetrycznego, czyli atomu węgla połączonego z czterema rożnymi podstawnikami. Substancje o takiej asymetrii mogą występować w dwóch odmianach izomerycznych oznaczanych D i L i najczęściej charakteryzuje je zdolność skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego. Najistotniejszą cechą takich związków jest to, że najczęściej tylko jedna odmiana (L) jest biochemicznie reaktywna (patrz izomeria optyczna).
Jeśli więc spotkamy substancję, która zachowuje się inaczej, niż inni przedstawiciele danej grupy czy klasy związków, która ma inne właściwości niż podobne z pozoru inne związki, zastanówmy się, czy przypadkiem powodem tej "inności", wyjątkowości, nie jest fizyczna cecha cząsteczki, jakiś szczególny układ w jej fizycznej strukturze.
| |
 |
|