Εργαστήριο Επιστήμης Υλικών ΙΙ Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο ΤΕΙ Αθήνας Εργαστήριο Επιστήμης Υλικών ΙΙ Ενότητα 2: Γεωμετρία των μορίων στα οργανικά υλικά Σταμάτης Μπογιατζής, επίκουρος καθηγητής Τμήμα Συντήρησης Αρχαιοτήτων & Έργων Τέχνης Το περιεχόμενο του μαθήματος διατίθεται με άδεια Creative Commons εκτός και αν αναφέρεται διαφορετικά Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

Βασικοί όροι Ομοιοπολικές χημικές ενώσεις, Ενώσεις του άνθρακα, Χαρακτηριστικές ομάδες, Τετραεδρική μοριακή δομή, Επίπεδη τριγωνική μοριακή δομή Ευθύγραμμη μοριακή δομή.

Τα οργανικά μόρια Τα οργανικά μόρια μπορεί κάποιος να τα αντιληφθεί σαν μικροσκοπικές κατασκευές που περιέχουν άτομα άνθρακα (C) τα οποία συνδέονται μέσω δεσμών με άλλα άτομα άνθρακα ή άλλων στοιχείων, Οι κατασκευές αυτές μπορεί να έχουν ποικίλα μεγέθη, ανάλογα με τον αριθμό των ατόμων που τα απαρτίζουν και αποκτούν ένα συγκεκριμένο σχήμα (μορφή), Το σχήμα τους εξαρτάται από το είδος των ατόμων, τον αριθμό των ατόμων, τα είδη και την κατεύθυνση των δεσμών ανάμεσά τους και τέλος, τα φορτία και την κατανομή τους επάνω στην «κατασκευή» αυτή. “Methane-3D-balls”, από Benjah-bmm27 διαθέσιμο ως κοινό κτήμα

Πόσο διαφορετικά είναι τα οργανικά μόρια από τα ανόργανα; Τα οργανικά μόρια είναι περισσότερα σε πλήθος, αλλά φτωχότερα σε ποικιλία ατόμων σε σύγκριση με τα ανόργανα, Έχουν πάντα τον άνθρακα σαν κοινό στοιχείο, και συνεπώς μπορούν να συστηματοποιηθούν σε σχέση με τη δομή τους και τις ιδιότητές τους, Η συστηματοποίηση αυτή περιλαμβάνει κυρίως την κατηγοριοποίησή τους σε ομόλογες σειρές οι οποίες παίρνουν την ταυτότητά τους από την παρουσία χαρακτηριστικών ομάδων.

Γιατί μας ενδιαφέρει το σχήμα των μορίων; Η γεωμετρία των μορίων καθορίζεται από τη γειτνίαση των ατόμων μεταξύ τους και την ύπαρξη ηλεκτρικών φορτίων επάνω στα μόρια με άμεση επίδραση στις πολύ σημαντικές διαμοριακές δυνάμεις, Οι διαμοριακές δυνάμεις επηρεάζουν τις φυσικές και φυσικοχημικές ιδιότητες των υλικών, Η γεωμετρία των μορίων σε συνδυασμό με τα είδη των ενδομοριακών δεσμών επηρεάζουν τη χημική δραστικότητα και την δομή των υλικών (άμορφα ή κρυσταλλικά υλικά). Με άλλα λόγια, η γνώση της γεωμετρίας των μορίων μας βοηθά να κατανοήσουμε τις παραπάνω ιδιότητες και να προβλέπουμε τη σωστή αντιμετώπιση και χρήση των υλικών.

Το σχήμα των μορίων μερικών γνωστών (ανόργανων) ενώσεων Το σχήμα του μορίου του νερού είναι μια γωνία 104.5° και ευθύνεται για το ότι αυτό είναι υγρό στις συνήθεις θερμοκρασίες που επικρατούν σε όλα τα μήκη και πλάτη της γης στο μεγαλύτερο μέρος του έτους, και κατ’ επέκταση σε αυτό οφείλεται η ύπαρξη της ζωής όπως τη γνωρίζουμε μέχρι σήμερα, Επίσης, λόγω του ευθύγραμμου σχήματος του μορίου του διοξειδίου του άνθρακα, δεν θα μπορούσε παρά να ήταν αέριο σε συνήθεις συνθήκες. “Water-3D-balls-A”, από Benjah-bmm27 διαθέσιμο ως κοινό κτήμα

Χαρακτηριστικά των οργανικών μορίων Όλα τα οργανικά μόρια έχουν σαν κοινό στοιχείο τους τον άνθρακα, και σχεδόν όλα περιέχουν επίσης και υδρογόνο. Από αυτά τα δύο είδη ατόμων, είναι δυνατό να κατασκευαστεί (και η φύση πράγματι τα κατασκευάζει) τεράστιος αριθμός διαφορετικών μορίων τα οποία καλούνται υδρογονάνθρακες, Στην περίπτωση των υδρογονανθράκων, το σχήμα τους καθορίζεται κατά βάση από τα άτομα άνθρακα, Στην περίπτωση που στα μόρια συμμετέχουν και ετεροάτομα, όπως οξυγόνο, άζωτο, φώσφορος, αλογόνα, κλπ., έχουν και αυτά σημαντική συνεισφορά στο σχήμα των μορίων.

Κορεσμένες και ακόρεστες οργανικές ενώσεις Ανάλογα με τον τρόπο που συνδέονται οι άνθρακες στα μόρια των οργανικών ενώσεων, αυτές διακρίνονται σε : Κορεσμένες (περιέχουν μόνο απλούς δεσμούς), Ακόρεστες με διπλό δεσμό/δεσμούς και Ακόρεστες με τριπλό δεσμό/δεσμούς.

Κορεσμένες οργανικές ενώσεις Στις κορεσμένες ενώσεις όλοι οι άνθρακες είναι τετραεδρικοί, ή sp3 . Μεθάνιο (ένας τετραεδρικός άνθρακας (sp3) Αιθάνιο (δύο τετραεδρικοί άνθρακες, sp3)

Κορεσμένες οργανικές ενώσεις (συνέχεια) Εκτός του άνθρακα, μπορούν και άλλα άτομα να έχουν γεωμετρία sp3, π.χ. το άτομο του οξυγόνου στο νερό και τις αλκοόλες. Το μόριο του νερού Το μόριο της μεθανόλης

Ακόρεστες οργανικές ενώσεις π Ακόρεστες με διπλό δεσμό, όπου δυο τουλάχιστον άνθρακες είναι επίπεδοι, ή sp2). Μεταξύ των δυο ανθράκων υπάρχει ένας σ και ένας π δεσμός, Ακόρεστες με τριπλό δεσμό, όπου τουλάχιστον δυο άνθρακες είναι γραμμικοί, ή sp). Μεταξύ των δυο ανθράκων υπάρχει ένας σ και δύο π δεσμοί. σ π

Χρήση μοριακών μοντέλων Οι σπουδαστές κατά τη διάρκεια της άσκησης κατασκευάζουν τα μόρια των χημικών ενώσεων που ακολουθούν, συνδυάζοντας τα μοντέλα των ατόμων (σφαίρες) με τους κατάλληλους συνδέσμους (εν είδει ομοιοπολικών δεσμών) , Με τις υποδείξεις των διδασκόντων οι σπουδαστές προσπαθούν να στρέψουν τα διάφορα μέρη κάθε μορίου με σκοπό την πιο ευνοϊκή γεωμετρία.

Κορεσμένοι υδρογονάνθρακες Όλοι οι άνθρακες είναι τετραεδρικής συμμετρίας (sp3), Σε ένα τετραεδρικό άνθρακα οι γωνίες μεταξύ των δεσμών είναι 109.5° , Τα μόρια του μεθανίου και του τετραχλωράνθρακα έχουν αυστηρή τετραεδρική συμμετρία. Μοντέλο τύπου ball-and-stick

Κορεσμένοι υδρογονάνθρακες (συνέχεια) n-Εικοσάνιο (και οι 20 άνθρακες είναι τετραεδρικοί, sp3) ή ή “Icosane-3D-balls”, από Jynto διαθέσιμο ως κοινό κτήμα

Άλλες κορεσμένες ενώσεις Αιθανόλη: δυο άνθρακες και ένα οξυγόνο, όλα τετραεδρικά (sp3). sp3 οξυγόνο sp3 άνθρακας

Άλλες κορεσμένες ενώσεις (συνέχεια) Γλυκερόλη (ή προπανοτριόλη-1,2,3) : τρεις άνθρακες και τρία οξυγόνα, όλα τετραεδρικά (sp3) Το μόριό της μπορεί να σχεδιαστεί αν τη δούμε ως παράγωγο του προπανίου, στο οποίο ένα υδρογόνο σε κάθε άνθρακα αντικαθίσταται από μια ομάδα υδροξυλίου. Για να πετύχουμε την πιο ευνοϊκή διαμόρφωση στο χώρο, πρέπει να ληφθεί υπ’ όψη ότι οι υδροξυλομάδες (ΟΗ) τείνουν να βρίσκονται στη μεγαλύτερη δυνατή απόσταση μεταξύ τους λόγω άπωσης των φορτίων στο κάθε άτομο οξυγόνου.

Καρβονυλικές ενώσεις Σε ενώσεις όπως οι αλδεΰδες, οι κετόνες, τα καρβοξυλικά οξέα, οι εστέρες και τα αμινοξέα, κοινή ομάδα αποτελεί το καρβονύλιο (C=O), στο οποίο υπάρχει ένας άνθρακας sp2 και ένα οξυγόνο (επίσης sp2), Η συγκρότηση του μορίου της ακετόνης: ο μεσαίος άνθρακας (sp2) συγκρατεί ένα ομοίως sp2 άτομο οξυγόνου. Αυτά τα δύο άτομα αποτελούν το καρβονύλιο (C=O), το οποίο έχει επίπεδο γεωμετρία και είναι επί πλέον, διαθέσιμο να συγκρατήσει δύο άτομα ή ομάδες (εδώ δύο μεθυλομάδες). sp2 άνθρακας sp2 οξυγόνο

Καρβοξυλικά οξέα Η συγκρότηση του μορίου του οξικού οξέος: sp2 οξυγόνο sp2 άνθρακας sp3 οξυγόνο sp3 άνθρακας Η συγκρότηση του μορίου του οξικού οξέος: Στη μέση βρίσκεται και εδώ το καρβονύλιο (C=O), το οποίο είναι επί πλέον διαθέσιμο να συγκρατήσει δύο άτομα ή ομάδες: στο ένα άκρο μια ομάδα υδροξυλίου και στο άλλο άκρο μια μεθυλομάδα).

Από “Palmitelaidic-acid-3D-balls“, από Jynto διαθέσιμο ως κοινό κτήμα Λιπαρά οξέα Από “Palmitelaidic-acid-3D-balls“, από Jynto διαθέσιμο ως κοινό κτήμα Το μόριο του στεατικού οξέος (ή δεκαοκτανοϊκού οξέος): Η ομάδα του καρβοξυλίου εδώ συνδέεται με μια μακριά αλκυλική ομάδα δεκαεπτά ανθράκων (ή δεκαεπτυλική ομάδα).

Καρβοξυλικό ανιόν Η συγκρότηση του οξικού ανιόντος: Το καρβοξυλικό ανιόν διαφέρει σημαντικότατα από την αντίστοιχη όξινη καρβοξυλομάδα επειδή έχει χάσει το ιόν υδρογόνου (H+), και συνεπώς φέρει αρνητικό φορτίο, το οποίο μοιράζεται στις 2 δομές συντονισμού που φαίνονται με το διπλό βέλος, βλ. δομές (α). Εναλλακτικά, μπορούμε να απεικονίσουμε αυτή τη σύνθετη κατάσταση με μη εντοπισμένο αρνητικό φορτίο (σημειώνεται με την εστιγμένη καμπύλη γραμμή στο μέσον), βλ. δομή (β).

Καρβοξυλικό ανιόν (συνέχεια) Παρατηρούμε ότι το ιόν αυτό διαθέτει υψηλότερη συμμετρία σε σχέση με το αντίστοιχο οξύ γιατί τα δυο οξυγόνα είναι ισοδύναμα , βλ. δομή (γ).

Εστέρες καρβοξυλικών οξέων sp2 οξυγόνο sp2 άνθρακας sp3 άνθρακας sp3 άνθρακας sp3 οξυγόνο Η συγκρότηση του μορίου του οξικού μεθυλεστέρα: στη μέση βρίσκεται το καρβονύλιο (C=O), το οποίο είναι επί πλέον διαθέσιμο να συγκρατήσει δύο άτομα ή ομάδες: στο ένα άκρο μια ομάδα υδροξυλίου και στο άλλο άκρο μια μεθυλομάδα).

Εστέρες λιπαρών οξέων Η συγκρότηση του μορίου του δεκαοκτανοϊκού μεθυλεστέρα (ή μεθυλεστέρα του δεκαοκτανοϊκού οξέος.

Ακόρεστες ενώσεις με διπλούς δεσμούς μεταξύ ανθράκων sp2 άνθρακες Αιθυλένιο (δύο επίπεδοι τριγωνικοί άνθρακες, ή sp2). Όλα τα άτομα του μορίου βρίσκονται επάνω στο ίδιο επίπεδο.

Ακόρεστες ενώσεις με διπλούς δεσμούς μεταξύ άνθρακα και οξυγόνου: αλδεΰδες sp2 οξυγόνο sp2 άνθρακας Καρβονυλική ομάδα Φορμαλδεΰδη [ένας άνθρακας sp2 και ένα οξυγόνο sp2 συνδέονται με διπλό δεσμό: σχηματισμός καρβονυλικής ομάδας], Όλο το μόριο σε ένα επίπεδο.

Ακόρεστες ενώσεις με διπλούς δεσμούς μεταξύ άνθρακα και οξυγόνου: κετόνες sp2 άνθρακας sp2 οξυγόνο sp3 sp2 Καρβονυλική ομάδα Ακετόνη [δύο άνθρακες sp3, ένας άνθρακας sp2 και ένα οξυγόνο sp2], Οι τρεις άνθρακες και το οξυγόνο σε ένα επίπεδο, Τα υδρογόνα διατάσσονται στο χώρο σε θέσεις κορυφών τετραέδρου.

Αρωματικές ενώσεις: Βενζόλιο Βενζόλιο [έξη άνθρακες sp2], όλο το μόριο σε ένα επίπεδο.

Αζωτούχες οργανικές ενώσεις: αμίνες Η συγκρότηση του μορίου της αιθυλαμίνης.

Αζωτούχες αρωματικές ενώσεις: ανιλίνες Η συγκρότηση του μορίου της ανιλίνης (της πιο απλής αρωματικής αμίνης). Έξη άτομα άνθρακα, πέντε υδρογόνα και η αμινομάδα ως ενιαίο σύνολο βρίσκονται επάνω στο ίδιο επίπεδο.

Αζωτούχες οργανικές ενώσεις: αμινοξέα Η συγκρότηση του μορίου της αλανίνης.

Φύλλο παρουσίασης αποτελεσμάτων Ονομασία Συντακτικός τύπος Στερεοχημική αποτύπωση με μοντέλα σφαίρας και ράβδου (ball-and-stick). Να σημειώσετε τους τετραεδρικούς άνθρακες (sp3) και τους επίπεδους τριγωνικούς (sp2) Μεθάνιο 2. Αιθάνιο 3. Νερό 4. Αιθανόλη 5. Γλυκερίνη 6. Διαιθυλαιθέρας 7. Οξικό οξύ 8. Οξικό ανιόν 9. Οξικός αιθυλεστέρας 10. Αλανίνη 11. Τόλο υόλιο 12. Aνιλίνη

Ερωτήσεις Ανάλογα με όσα διαπιστώσατε για το μόριο του νερού και του μεθανίου, τι μπορείτε να συνάγετε για τη γεωμετρία του μορίου της αμμωνίας; Τα καρβοξυλικά οξέα, τα καρβοξυλικά ανιόντα και οι εστέρες είναι όλα καρβονυλικές ενώσεις. Ποιο είναι το κοινό τους γνώρισμα; Πόσα «είδη» οξυγόνου υπάρχουν στην κάθε κατηγορία; Το ελαϊκό οξύ είναι συστατικό του ελαιόλαδου, του λινέλαιου του καρυδέλαιου. Αποτελείται από 18 άνθρακες εκ των οποίων οι δεκαεπτά ανήκουν σε ανθρακική αλυσίδα με ένα διπλό δεσμό στη θέση 9. Ο διπλός δεσμός μπορεί να έχει γεωμετρία cis- ή trans-. Σχηματίστε το μόριο του cis-ελαϊκού οξέος και να δείξετε ποιοι άνθρακες είναι τετραεδρικοί (sp3) και ποιοι επίπεδοι τριγωνικοί (sp2). Τριεστέρες της γλυκερίνης: κατ’ αναλογία με το μόριο του οξικού αιθυλεστέρα που είδατε προηγουμένως, σχεδιάστε το μόριο του αντίστοιχου τρι-εστέρα της γλυκερίνης με οξικό οξύ (δηλαδή του οξικού τριεστέρα της γλυκερίνης).

Βιβλιογραφία Σπηλιόπουλος Ιωακείμ, Βασική Οργανική Χημεία, 2008, Εκδ. Σταμούλη ΑΕ, Βάρβογλης Αναστάσιος, Επίτομη Οργανική Χημεία, 2005, Ζήτη Πελαγία & Σια Ο.Ε., McMurry, John, Οργανική Χημεία, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, 2012 (ενιαίος τόμος) Πανεπιστημιακές εκδόσεις Κρήτης, Klein, David, Organic Chemistry, 2012, Wiley, Hoboken, NJ.

Τέλος Ενότητας

Σημειώματα

Σημείωμα Αναφοράς Copyright Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Αθήνας, Σταμάτης Μπογιατζής 2014. Σταμάτης Μπογιατζής. «Εργαστήριο Επιστήμης Υλικών ΙΙ. Ενότητα 2: Γεωμετρία των μορίων στα οργανικά υλικά». Έκδοση: 1.0. Αθήνα 2014. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: ocp.teiath.gr.

Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό. Οι όροι χρήσης των έργων τρίτων επεξηγούνται στη διαφάνεια «Επεξήγηση όρων χρήσης έργων τρίτων». Τα έργα για τα οποία έχει ζητηθεί άδεια αναφέρονται στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί.

Επεξήγηση όρων χρήσης έργων τρίτων Δεν επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου, παρά μόνο εάν ζητηθεί εκ νέου άδεια από το δημιουργό. © διαθέσιμο με άδεια CC-BY Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου και η δημιουργία παραγώγων αυτού με απλή αναφορά του δημιουργού. διαθέσιμο με άδεια CC-BY-SA Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου με αναφορά του δημιουργού, και διάθεση του έργου ή του παράγωγου αυτού με την ίδια άδεια. διαθέσιμο με άδεια CC-BY-ND Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου με αναφορά του δημιουργού. Δεν επιτρέπεται η δημιουργία παραγώγων του έργου. διαθέσιμο με άδεια CC-BY-NC Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου με αναφορά του δημιουργού. Δεν επιτρέπεται η εμπορική χρήση του έργου. Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου με αναφορά του δημιουργού και διάθεση του έργου ή του παράγωγου αυτού με την ίδια άδεια. Δεν επιτρέπεται η εμπορική χρήση του έργου. διαθέσιμο με άδεια CC-BY-NC-SA διαθέσιμο με άδεια CC-BY-NC-ND Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου με αναφορά του δημιουργού. Δεν επιτρέπεται η εμπορική χρήση του έργου και η δημιουργία παραγώγων του. διαθέσιμο με άδεια CC0 Public Domain Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου, η δημιουργία παραγώγων αυτού και η εμπορική του χρήση, χωρίς αναφορά του δημιουργού. Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου, η δημιουργία παραγώγων αυτού και η εμπορική του χρήση, χωρίς αναφορά του δημιουργού. διαθέσιμο ως κοινό κτήμα χωρίς σήμανση Συνήθως δεν επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου.

Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους.

Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων Το Έργο αυτό κάνει χρήση περιεχομένου από τα ακόλουθα έργα: Όλες οι εικόνες και χημικοί τύποι:© Σταμάτης Χ. Μπογιατζής (εκτός αν αναφέρεται διαφορετικά)

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στo πλαίσιo του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο ΤΕΙ Αθήνας» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.