Gli isomeri strutturali sono composti della stessa formula chimica che possiedono strutture e proprietà diverse in base a come sono ordinati i loro atomi costituenti. Ad esempio, ci sono due isomeri strutturali con la stessa formula chimica C4H10, vale a dire butano normale CH3CH2CH2CH3 e metilpropano (CH3)2CHCH2CH3. È interessante notare che il normale butano bolle a -0.5 gradi Celsius, mentre il metilpropano bolle a +28 gradi Celsius. All’aumentare del numero di atomi, aumenta il numero di isomeri. Esistono tre isomeri strutturali con formula chimica C5H12, cinque con formula C6H14 e nove con formula C7H16.
Gli isomeri strutturali del carbonio non sono limitati solo al carbonio e all’idrogeno, sebbene questi siano i casi più noti di isomeria strutturale. Nell’armadietto dei medicinali domestici si può trovare C3H8O, o alcol isopropilico, a volte identificato come “alcol denaturato”. La sua formula strutturale è CH3CH(OH)CH3. Inoltre, c’è l’alcol n-propilico, CH3CH2CH2(OH) e persino l’etere metiletile, CH3OCH2CH3, anche se è probabile che nessuno di questi due composti si trovi in casa. Esistono anche isomeri strutturali di composti di carbonio contenenti altri atomi.
Ciò che rende possibile una tale abbondanza di forme isomeriche è la capacità degli atomi di alcuni elementi, in particolare il carbonio, di unirsi tra loro. Ciò è dovuto alla natura dei legami tra gli atomi. Gli atomi di carbonio adiacenti sono uniti da legami covalenti, legami in cui gli atomi partecipanti condividono equamente gli elettroni, piuttosto che trasferirli da un atomo all’altro. Per illustrare, nel sale da tavola ordinario, NaCl, l’atomo di sodio partecipante cede il suo unico elettrone disponibile all’atomo di cloro e i due atomi sono attratti elettrostaticamente. Niente di simile esiste tra gli atomi di carbonio uniti nell’etano, C2H6.
Il silicio e il boro possiedono la stessa capacità di legarsi tra loro senza trasferimento di elettroni. Gli isomeri strutturali di silicio e boro sono ben illustrati nei silani – composti di silicio e idrogeno – e nei borani – composti di boro e idrogeno. I composti di carbonio e idrogeno iniziano con la molecola metano, CH4. Analogamente a questo, i composti di silicio e idrogeno iniziano con silano, SiH4. È interessante notare che i composti di boro e idrogeno iniziano in modo diverso con il borano, BH3, un composto noto solo allo stato gassoso che dimerizza rapidamente per formare B2H6.
La capacità di formare isomeri strutturali aumenta notevolmente il numero di possibili composti con una gamma quasi infinita di proprietà. Nel caso del carbonio, gli isomeri strutturali rendono possibili i composti della vita. Per silicio e boro, la grande varietà di composti offre al mondo scientifico e manifatturiero una pletora di reagenti. Un’applicazione dei derivati del silano è nei rivestimenti che consentono di fissare materiali biologicamente innocui alle strutture implantari in titanio. Per quanto riguarda i borani, possono essere utilizzati in sintesi organiche specializzate, in celle a combustibile esotiche e persino per carburante per missili.