Διαμορφώσεις του Αιθανίου

Ο άνθρακας και οι ενώσεις του είναι τα βασικά δομικά στοιχεία πολλών φυσικών ενώσεων που βλέπουμε στον σημερινό κόσμο. Η κατανόηση αυτών των ενώσεων, της γεωμετρίας τους και του τρόπου με τον οποίο αντιδρούν λόγω αυτής της γεωμετρίας είναι το κλειδί για την κατανόηση πολλών αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα γύρω μας. Αλλά πολλές από αυτές τις ενώσεις δεν έχουν σταθερές γεωμετρίες και εναλλάσσονται μεταξύ ενός συνόλου σχημάτων.

Αυτό οδηγεί σε μια νέα έννοια στη γεωμετρία των σύνθετων μορίων που ονομάζεται διαμορφώσεις. Οι ενώσεις άνθρακα χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες ανάλογα με τον δεσμό άνθρακα που εμφανίζουν. Το αλκάνιο, το αλκένιο και το αλκύνιο είναι οι τρεις τύποι ενώσεων άνθρακα που βρίσκονται στη φύση. Ένα από τα πιο σημαντικά αλκάνια είναι το αιθάνιο. Το περιεχόμενο θα περιγράψει τον ορισμό και τις δύο διαμορφώσεις του αιθανίου.

Αιθάνιο

Το αιθάνιο είναι ο δεύτερος τύπος ένωσης που βρίσκεται στην οικογένεια των ενώσεων άνθρακα των αλκανίων. Όλα τα αλκάνια μοιράζονται μια κοινή ιδιότητα – όλοι οι δεσμοί άνθρακα που υπάρχουν σε οποιοδήποτε αλκάνιο είναι πάντα ένας μόνο δεσμός.

Το αιθάνιο έχει τον τύπο C2H6 και έχει έναν απλό δεσμό άνθρακα άνθρακα. Χρησιμοποιείται ευρέως σε πολλές βιομηχανικές δραστηριότητες καθώς και σε δραστηριότητες μικρής κλίμακας. Από την παραγωγή μεγάλων ποσοτήτων αιθυλενίου έως την αιθανόλη που βρίσκεται στα αλκοολούχα ποτά, το αιθάνιο είναι η πιο κοινή ένωση άνθρακα που χρησιμοποιείται στον σημερινό κόσμο.

Ο απλός δεσμός που υπάρχει στο αιθάνιο είναι στην πραγματικότητα ένας δεσμός σίγμα. Οι δεσμοί Sigma είναι ειδικοί δεσμοί που σχηματίζονται όταν πραγματοποιείται ομοιοπολικός δεσμός. Οι ομοιοπολικοί δεσμοί περιλαμβάνουν την κοινή χρήση ηλεκτρονίων που υπάρχουν στα εξωτερικά κελύφη του ατόμου. Ο άνθρακας έχει τέσσερα άτομα στο κέλυφος σθένους και τα χρησιμοποιεί ενεργά για να σχηματίσει ομοιοπολικούς δεσμούς.

Οι δεσμοί Sigma είναι οι ισχυρότεροι ομοιοπολικοί δεσμοί που υπάρχουν στη φύση. Οφείλουν τη δύναμή τους στην άμεση επικάλυψη των ατομικών τροχιακών. Αυτό δημιουργεί μια κοινή περιοχή ηλεκτρονίων που είναι ισχυρά συνδεδεμένη τόσο με τα μόρια όσο και με τα άτομα που εμπλέκονται στη δημιουργία ενός ομοιοπολικού δεσμού. Δεδομένου ότι το αιθάνιο έχει έναν μοναδικό δεσμό σίγμα και δεν εμπλέκονται άλλοι τύποι δεσμών στον ομοιοπολικό δεσμό, αυτό οδηγεί σε δύο σημαντικές διαμορφώσεις του αιθανίου.

Conformers

Τα conformers είναι ειδικές δομές που σχηματίζονται λόγω των αλλαγών στα γεωμετρικά σχήματα που συμβαίνουν όταν τα μόρια περιστρέφονται γύρω από τον άξονα των δεσμών που σχηματίζονται. Οποιαδήποτε ένωση μπορεί να εκφραστεί σε τρεις διαστάσεις περιγράφοντας τα μήκη των δεσμών τους και τις γωνίες μεταξύ αυτών των δεσμών.

Οι ενώσεις σχηματίζουν διαμορφωτές για να επιτύχουν μια κατάσταση χαμηλής ενέργειας. Κάθε μόριο και άτομο θέλει να επιτύχει μια σταθερή κατάσταση που σημαίνει ότι θέλει να έχει μια κατάσταση χαμηλής ενέργειας. Όταν οι λειτουργικές ομάδες σε μια ένωση άνθρακα είναι σημαντικές σε μέγεθος και ένας συγκεκριμένος χωρικός προσανατολισμός αυτών των ομάδων δίνει μια καθορισμένη ποσότητα ενέργειας στην ένωση, τότε αυτές οι ενώσεις υφίστανται χωρικές αλλαγές για να σχηματίσουν διαμορφωτές.

Τα conformers οπτικοποιούνται χρησιμοποιώντας ένα σύνολο συγκεκριμένων σημειώσεων για τους δεσμούς και τα μόρια. Μία από τις πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες μεθόδους είναι η μέθοδος προβολής του Newman. Σε αυτή τη μέθοδο, οι σφήνες και οι παύλες χρησιμοποιούνται για την αναπαράσταση δεσμών. Δεδομένου ότι το χαρτί που σχεδιάζουμε έχει δισδιάστατο χαρακτήρα, μια σφήνα υποδηλώνει ότι ο δεσμός βγαίνει από το επίπεδο του χαρτιού προς το άτομο που το κρατά. Αντίθετα, μια παύλα υποδηλώνει ότι ο δεσμός πηγαίνει κάτω από το επίπεδο του χαρτιού μακριά από το άτομο που το κρατά.

Στην προβολή του Newman, ένας συγκεκριμένος δεσμός στην ένωση επιλέγεται ως ο δεσμός ενδιαφέροντος. Στη συνέχεια η δομή σχεδιάζεται έτσι ώστε το άτομο στο μπροστινό μέρος του δεσμού να αντιπροσωπεύεται από μια τελεία ενώ το άτομο στο πίσω μέρος σχεδιάζεται ως κύκλος. Στη συνέχεια, οι δεσμοί σχεδιάζονται σε σχέση με τα άτομα στα οποία συνδέονται.

Διαμορφώσεις αιθανίου

Το αιθάνιο έχει έναν απλό δεσμό άνθρακα γύρω από τον οποίο περιστρέφεται. Θα μπορούσε επίσης να περιστρέφεται γύρω από τους δεσμούς υδρογόνου του άνθρακα, αλλά αυτή η περιστροφή δεν θα δώσει μια χωρικά διαφορετική ένωση. Επομένως, ο δεσμός σίγμα μεταξύ των δύο ανθράκων είναι ο δεσμός ενδιαφέροντος.

Οι δεσμοί Sigma σχηματίζονται με βάση την επικάλυψη μεταξύ των συνδεδεμένων ατόμων. Τέτοιοι δεσμοί έχουν κυλινδρικό χαρακτήρα. Επομένως, μπορεί να διασφαλίσει ότι έχει πλήρη βαθμό επικάλυψης ακόμη και όταν τα δύο άκρα του περιστρέφονται. Αυτό σημαίνει ότι απαιτείται χαμηλή ποσότητα ενέργειας για να περιστραφεί γύρω από τους δεσμούς σίγμα, καθώς δεν διαταράσσονται από την περιστροφή των συνδεδεμένων ατόμων.

Σύμφωνα με τη δομή του αιθανίου του Newman, ο μπροστινός άνθρακας έχει τρία άτομα υδρογόνου συνδεδεμένα με αυτό και το πίσω άτομο έχει επίσης τρία άτομα υδρογόνου συνδεδεμένα με αυτό. Ο πρώτος διαμορφωτής σχηματίζεται όταν οι δεσμοί υδρογόνου άνθρακα στο μπροστινό άτομο βρίσκονται στις 60 μοίρες σε σχέση με τους δεσμούς υδρογόνου άνθρακα στο δεύτερο άτομο.

Αυτό δημιουργεί ένα κλιμακωτό σχήμα διαμορφωτή αιθανίου. Αυτή η κατάσταση έχει τη χαμηλότερη ενέργεια και είναι πολύ σταθερή αφού οι δεσμοί υδρογόνου άνθρακα στο μπροστινό μέρος είναι πιο απομακρυσμένοι από τους δεσμούς υδρογόνου άνθρακα στο πίσω μέρος. Η ηλεκτρονική απώθηση είναι στο ελάχιστο και μειώνει τη συνολική ενέργεια του μορίου.

Περιστρέφοντας τους δεσμούς στον μπροστινό άνθρακα στην κλιμακωτή διαμόρφωση κατά άλλες 60 μοίρες, ο δεσμός υδρογόνου άνθρακα στο μπροστινό μέρος ευθυγραμμίζεται ακριβώς με τους δεσμούς υδρογόνου άνθρακα στο πίσω μέρος. Αυτό δημιουργεί μια επισκιασμένη διαμόρφωση στην οποία η στρεπτική τάση, δηλαδή η απώθηση μεταξύ των δεσμών υδρογόνου άνθρακα μπροστά και πίσω είναι στο μέγιστο. Η κατάσταση είναι κατάσταση υψηλής ενέργειας και όχι σταθερή.

Συμπέρασμα

Τα conformers είναι ειδικές δομές που σχηματίζονται λόγω των αλλαγών στα γεωμετρικά σχήματα που συμβαίνουν όταν τα μόρια περιστρέφονται γύρω από τον άξονα των δεσμών που σχηματίζονται. Οποιαδήποτε ένωση μπορεί να εκφραστεί σε τρεις διαστάσεις περιγράφοντας τα μήκη των δεσμών τους και τις γωνίες μεταξύ αυτών των δεσμών.

Το αιθάνιο έχει έναν απλό δεσμό σίγμα και κανένα άλλο τύπο δεσμών που εμπλέκεται στον ομοιοπολικό δεσμό, και αυτό οδηγεί σε δύο σημαντικές διαμορφώσεις του αιθανίου. Ο πρώτος διαμορφωτής σχηματίζεται όταν οι δεσμοί υδρογόνου άνθρακα στο μπροστινό άτομο βρίσκονται στις 60 μοίρες σε σχέση με τους δεσμούς υδρογόνου άνθρακα στο δεύτερο άτομο. Αυτό δημιουργεί ένα κλιμακωτό διαμορφωτή σχήματος αιθανίου.

Περιστρέφοντας τους δεσμούς στον μπροστινό άνθρακα στην κλιμακωτή διαμόρφωση κατά άλλες 60 μοίρες, ο δεσμός υδρογόνου άνθρακα στο μπροστινό μέρος ευθυγραμμίζεται ακριβώς με τους δεσμούς υδρογόνου άνθρακα στο πίσω μέρος δημιουργώντας μια επισκιασμένη διαμόρφωση.