Site Loader
Posted on 12.12.2020

Содержание

Модели молекул | Еврейская электронная библиотека

Полезно помнить, что слова выдуманы человеком.

Слова, которыми пользуются в жизни, имеют часто расплывчатый характер. Не все понимают одинаково слова сила и красота, энергия и напряжение. Да и «хорошая» погода разная для разных людей.

В науке такое положение дел не имеет места, во всяком случае не должно иметь. В особенности нетерпимо относятся к неточному использованию слов в физике.

Простейшие физические понятия придумывались для описания свойств и поведения предметов и тел, среди которых идет наша жизнь, короче говоря, для «больших» тел или, как еще мы говорим, для тел макроскопических.

Какие понятия, заимствованные из макромира, можно применять к молекулам? Все или некоторые? Истина лежит посредине.

А как обстоит дело с геометрическими и механическими понятиями? Можно ли говорить о форме молекулы, о ее упругости, о модуле изгиба и кручения, наконец, о пластичности молекул? Имеют ли смысл, и какой, понятия внутримолекулярных и межмолекулярных сил?

Цель этой статьи – показать, что с известными оговорками перенос на молекулу геометрических и механических понятий не только возможен, но и целесообразен.

Эта фраза означает следующее. В ряде случаев о молекуле можно говорить как о большом теле.

Тело, которому данную молекулу можно уподобить, назовем механической моделью молекулы.

Наша задача – рассказать, как эта модель строится и как используется для решения различных физических проблем.

Механическая модель молекулы получила в последнее время широкое распространение в связи с интересом к громадным (по сравнению с атомом) молекулам, из которых построены синтетические полимеры – капрон, найлон, полиэтилен (эти названия известны теперь каждому), а также важнейшие для жизнедеятельности животных и растений вещества – белки, нуклеиновые кислоты и так далее.

Всякое «изображение» молекулы должно состоять из описания взаимного расположения атомных ядер и характеристики движущихся около этих ядер электронов.

Химический опыт позволяет установить атомное строение молекулы (построить ее атомную модель), то есть указать, из каких атомов и как связанных друг с другом состоит молекула. Часть электронов тесно связана с определенными атомами, другая часть «обобществлена». Про эти электроны химики говорят – «они осуществляют химическую связь».

Конечно, атомная модель молекулы значительно проще электронно-ядерной. Но эта простота достигается за счет существенной потери. Теряется знание закона взаимодействия «строительных» частиц.

В электронно-ядерной модели взаимодействие между частицами, обеспечивающее структуру и свойства молекулы, – это электрическое взаимодействие между электронами и ядрами. Оно описывается законом Кулона: энергия взаимодействия электрона и ядра (или двух электронов, или двух ядер) равна e1e2/r (r – мгновенное расстояние между частичками.)

Что же касается закона взаимодействия атомов, то он более сложен.

Может быть, испугаться этой трудности и предпочесть ясную электронно-ядерную картину молекулы? Нет, это было бы неверно. Правдивость самой картины отнюдь не является ее главным достоинством. Важно, чтобы наша модель молекулы хорошо «работала». А «хорошо работать» – это значит быстро и надежно предсказывать. Как бы точна ни была модель, но если «работать» с ней трудно, то мы задумаемся о другой, пусть более грубой, но зато более «работоспособной» модели.

Именно поэтому при изучении геометрии и механики молекулы мы отдаем предпочтение атомной модели. Сделать расчеты с помощью электронно-ядерной модели молекулы оказывается в этом случае нереалистичным, когда речь идет об интересующих нас проблемах: слишком много взаимодействующих частиц.

В то же время атомная модель молекулы позволяет истолковать и предсказать большую совокупность явлений.

В механической модели молекулы мы «забываем» про электроны и рассматриваем атом как кирпич мироздания. В механической модели за структуру и свойства молекулы отвечают взаимодействия атомов.

Модель молекулы можно нарисовать на бумаге, изготовить из проволоки, из шариков на пружинках… Существует множество типов моделей. Подходящим масштабом является сто миллионов.

Размеры молекул указывают обычно в ангстремах. Один ангстрем – это стомилионная доля сантиметра. Расстояния между центрами атомов лежат в границах 1–2 ангстрема. Поэтому и удобен стомилионный масштаб: расположив центры «атомов» на расстояниях один-два сантиметра, мы легко разглядим детали строения, да и изготовлять шарики и срезы шариков (зачем нужны срезы, мы скажем ниже) такого размера вполне удобно.

В зависимости от целей и от личных вкусов используют те или иные модели. Пока что остановимся на скелетных моделях, то есть таких, в которых показаны (стерженьками) силы, соединяющие атомы в молекулу. Эти силы называют химическими, или валентными. О том, какие атомы с какими связаны, химики научились судить по химическим реакциям еще задолго до того, как физики научились устанавливать структуру молекулы своими методами.

Итак, обратившись за указанием к химику, мы получаем от него сведения о том, как атомы присоединены друг к другу. Скажем, формула молекулы этилового спирта C2H5OH еще ничего не говорит о том, как соединены атомы между собой. Эта формула – так называемая брутто формула сообщает лишь сведения о составе. Разъясняя строение молекулы химик укажет нам: три атома водорода (рис. 1) соедините черточками с атомом углерода. (Эта группа атомов называется метильной.) Теперь, пожалуйста, соедините валентной черточкой атом углерода этой группы со вторым атомом углерода. Этот второй атом, кроме того, надо связать с парой атомов водорода, а четвертую черточку (раз четыре черточки от одного атома, значит, он четырехвалентный) приведите к атому кислорода. Оставшийся атом водорода следует присоединить к атому кислорода.

Физик сразу же задаст вопрос. А на каком расстоянии атомы, под какими углами друг к другу идут валентные черточки? На подобные вопросы ответы могут быть получены физическими исследованиями. Оставим пока что в стороне вопрос о том, каким образом устанавливается физическими опытами геометрия молекулы. Обширные данные собраны в толстые справочники. В них можно найти сведения о том, на каких расстояниях находятся химически связанные атомы и какие углы (их называют валентными углами) образуют между собой «стерженьки», символизирующие химические валентные силы.

Если не очень придираться к тонким различиям, то окажется, что расстояния между атомами одного сорта достаточно универсальны, правда, валентные углы более переменчивы. Поэтому предсказать структуру молекулы не всегда просто. Но об этом речь будет впереди.

Теперь мы можем обратиться к проблеме межмолекулярных сил.
[1] [2]

Опыт № 11/12. Изготовление моделей молекул органических соединений

Оборудование. Наборы разного цвета шаров и стержней.

А. Изготовление моделей углеводородов и их галогенопроизводных

Задания. 1—5. Соберите шаростержневые модели молекулы метана и его гомологов.

6—7. Соберите шаростержневые модели молекул дихлор-метана и дихлорэтана.

Выполнение опыта

1. Возьмите шарик, который условно будет изображать атом углерода, и четыре стержня (или спички), которые будут изображать связи С—Н. Объясните, почему химические связи располагаются вокруг атома углерода под углом 109°28′ относительно друг друга. Расположите четыре стержня под указанным углом между ними.

2. Мысленно или при помощи нити соедините центры ядер атомов водорода (свободные концы стержней) друг с другом. Изображение какой геометрической фигуры вы получили?

3. На свободные концы стержней прикрепите (наколите) четыре шарика. Такая модель молекулы метана называется шаростержневой моделью.

Аналогичные модели молекул, в которой детали, изображающие атомы элементов, выполняются в соответствующем масштабе, называются масштабными.

4. Соберите шаростержневые модели молекул метана, этана, пропана, бутана.

Что общего в строении молекул этих веществ, в чем различие? Чем объясняется зигзагообразное строение углеродной цепи в молекулах пропана и бутана? Какова величина угла в зигзагообразном отрезке углеродной цепи? Продемонстрируйте на моделях молекул этана и пропана возможность свободного вращения углеводородных радикалов относительно друг друга (конформация) и образования в результате этого огромного числа пространственных изомеров. Почему нельзя выделить эти изомеры?

5. Изготовьте шаростержневые модели н-бутана и н-пентана. С помощью моделей покажите возможный переход парафинов в циклопарафины и наоборот. Сохраняется ли размер валентных углов в углеродной цепи парафинов при превращении их в циклопарафины?

6. Изготовьте шаростержневые модели молекул метана и четырех молекул хлора. С помощью этих моделей продемонстрируйте поэтапное замещение атомов водорода в метане на атомы хлора с образованием хлороводорода и соответствующих галогенопроизводных метана.

7. Соберите шаростержневые модели молекул дихлорметана и дихлорэтана. Имеются ли изомеры у этих галогенопроизводных? Если да, то покажите их с помощью моделей, назовите их.

Б. Изготовление моделей молекул метиламина и диметиламина

Выполнение опыта

1. Используя приемы, описанные выше, соберите шаростержневые модели молекул аммиака и метана. Удалите по одному атому из каждой молекулы и остатки соедините свободными валентностями. Получилась модель молекулы метиламина. Сделайте вывод, что представляет собой это соединение по отношению к аммиаку и метану.

2. Соберите шаростержневую модель молекулы диметиламина. Что представляет собой это соединение по отношению к аммиаку?

Оборудование. Наборы разного цвета шаров и стержней.

А. Изготовление моделей углеводородов и их галогенопроизводных

Задания. 1—5. Соберите шаростержневые модели молекулы метана и его гомологов.

6—7. Соберите шаростержневые модели молекул дихлор-метана и дихлорэтана.

Выполнение опыта

1. Возьмите шарик, который условно будет изображать атом углерода, и четыре стержня (или спички), которые будут изображать связи С—Н. Объясните, почему химические связи располагаются вокруг атома углерода под углом 109°28′ относительно друг друга. Расположите четыре стержня под указанным углом между ними.

2. Мысленно или при помощи нити соедините центры ядер атомов водорода (свободные концы стержней) друг с другом. Изображение какой геометрической фигуры вы получили?

3. На свободные концы стержней прикрепите (наколите) четыре шарика. Такая модель молекулы метана называется шаростержневой моделью.

Аналогичные модели молекул, в которой детали, изображающие атомы элементов, выполняются в соответствующем масштабе, называются масштабными.

4. Соберите шаростержневые модели молекул метана, этана, пропана, бутана.

Что общего в строении молекул этих веществ, в чем различие? Чем объясняется зигзагообразное строение углеродной цепи в молекулах пропана и бутана? Какова величина угла в зигзагообразном отрезке углеродной цепи? Продемонстрируйте на моделях молекул этана и пропана возможность свободного вращения углеводородных радикалов относительно друг друга (конформация) и образования в результате этого огромного числа пространственных изомеров. Почему нельзя выделить эти изомеры?

5. Изготовьте шаростержневые модели н-бутана и н-пентана. С помощью моделей покажите возможный переход парафинов в циклопарафины и наоборот. Сохраняется ли размер валентных углов в углеродной цепи парафинов при превращении их в циклопарафины?

6. Изготовьте шаростержневые модели молекул метана и четырех молекул хлора. С помощью этих моделей продемонстрируйте поэтапное замещение атомов водорода в метане на атомы хлора с образованием хлороводорода и соответствующих галогенопроизводных метана.

7. Соберите шаростержневые модели молекул дихлорметана и дихлорэтана. Имеются ли изомеры у этих галогенопроизводных? Если да, то покажите их с помощью моделей, назовите их.

А. 1, 2, 3.

Потому, что этот угол (109°28′) наиболее выгоден для молекулы, получается симметричная структура: атомы и равно отдалены друг от друга и находятся на одинаковом расстоянии от атома С. Атомы водорода образуют тетраэдр, причем атом C расположен в центре.

4. Пространственное строение не изменилось.

5.

Общее: углы между связями одинаковы для разных молекул (109°28′). Зигзагообразное строение углеродной связи объясняется углом (109°28′) и способностью свободно вращаться. Пространственные изомеры нельзя выделить потому, что углеводородные радикалы вращаются свободно относительно друг друга.

6. Размер валентных углов сохраняется.

7. 8.

2.

Источник:

Решебник по химии за 9 класс (Л.С.Гузей, В.В.Сорокин, Р.П.Суровцева, 2000 год),
задача №12
к главе «Лабораторные работы и опыты».

Все задачи

← Опыт № 11. Ознакомление с видами стекла

Опыт № 13. Перегонка нефти →

Обсуждение того, что на самом деле представляют собой молекулярные модели

 

Электронное письмо приходит от клиента, запрашивающего молекулярную модель, и в течение следующих дней электронные письма летают туда-сюда, пока мы определяем, для чего нужна модель – хочет ли клиент показать каждый атом, как лучше всего проиллюстрировать беспорядок и частичную занятость, и множество других деталей, которые часто не приходят в голову людям. Наконец, и это важно, мы договариваемся о том, какие цвета им нравятся. После согласования дизайна изготовленная на заказ модель отправляется через несколько недель (мы надеемся!) восторженному покупателю.


Мы специализируемся на готовых моделях шариков и стержней, которые представляют собой только один из возможных типов моделей для представления молекул и кристаллических структур. Модели бесценны, поскольку позволяют исследователям легко проиллюстрировать, как и почему их структура функционирует именно так, как она работает, и лучше объяснять свои исследования посетителям. Это кажется нелепым вопросом, если вы привыкли пользоваться молекулярными моделями, но задумывались ли вы на самом деле о том, что такое молекулярные модели?

 

Когда мне нужно что-то объяснить, я считаю, что полезно пересмотреть его словарное определение. В нашем случае Оксфордский словарь английского языка определяет модель как:


«представление в трех измерениях какой-либо проектируемой или существующей конструкции, либо какого-либо материального объекта, искусственного или природного, показывающее пропорции и расположение его составных частей» .

Модели часто встречаются в нашей повседневной жизни. Любой, кто входит в музей, скорее всего, будет окружен десятками таких, новые общественные здания часто имеют архитектурную модель в фойе, и многие люди до сих пор строят модели транспорта в стиле «Airfix» или «Revell». Эти модели почти всегда представляют собой уменьшенные версии более крупных структур и структурно и эстетически очень похожи на объекты, которые они представляют — они просто меньше, будучи уменьшенными в 10–1000 раз.0007 Молекулярные модели, однако, не такие, как эти модели, и слишком легко думать, что они есть. Первое различие становится очевидным только тогда, когда мы думаем об этом — мы не уменьшаем, мы увеличиваем до — и с огромными коэффициентами: обычно порядка 10 10 .


Направление и величина масштабирования, хотя и любопытны, не являются существенной разницей. Важным отличием является то, что мы не создаем увеличенные факсимиле предмета, потому что то, что мы моделируем, не существует в той же форме, что и макроскопический мир. Мы пытаемся создать модели понятий, которые являются результатом математических описаний (найдите минутку, чтобы понять это). Эти математические модели имеют наложенные на них предположения и приближения, например, более крупные атомы с водородоподобными орбиталями. Мы создаем физические модели научной модели математического приближения. Это не модели в инженерном смысле; теперь это иллюстрации описаний реальности.

 

Молекулярные модели и модели кристаллической структуры никогда не могут быть точными копиями микроскопических структур, которые они представляют. В отличие от инженерных моделей, качественное различие между квантовым миром и макроскопическим миром представляет собой непреодолимую пропасть, потому что мы не можем создать масштабную копию этой конкретной реальности, а если бы и могли, то в любом случае это мало чем помогло бы.

 

Поэтому, когда мы строим модель кристаллической структуры или молекулы, мы должны сначала определиться с цель модели. У любой достойной модели есть цель, и если цель молекулярной модели не может быть целью факсимиле реальной вещи, то она должна заключаться в представлении конкретных аспектов молекулы.

 

Существует несколько различных типов молекулярных моделей, и каждый из них может использоваться для иллюстрации различных аспектов молекул, которые они представляют, но есть две основные вещи, которые они показывают: либо положение ядер, либо связи между ними, или объем, занимаемый электронами. Первые представлены шаровыми и стержневыми структурами или каркасными моделями и позволяют визуализировать положение атомов по отношению друг к другу и наличие связей между ними. С другой стороны, модели заполнения пространства позволяют визуализировать объем, занимаемый молекулами (но имейте в виду, что молекулы, составляющие диффузные электронные облака, не имеют жестких границ). Конечно, существуют и другие специальные формы, такие как модели полиэдрической структуры, которые используются для иллюстрации координационных полиэдров вокруг катионов.


В школе большинство из нас начинают изучать молекулярные структуры. Нас учат, что мы можем рисовать структуры, состоящие из символов элементов, которые мы соединяем линиями, а позже, что мы можем объединять некоторые группы в единицы, такие как -Ch4. На этом этапе обучения студента, изучающего естественные науки, заполняющие пространство модели с пользой показывают, как простые «структуры», написанные на бумаге, представляют собой трехмерные электронные облака, которые контролируются квантовыми свойствами (хотя мы просто говорим школьникам, что они имеют эти формы). и они должны принять это на данный момент…). По мере того, как природа электронных орбиталей и химических связей становится все более знакомой для нас, размер и форма электронных облаков в молекулах (и, следовательно, формы самих молекул) становятся неявными в нашем уме, когда мы записываем химическую структуру. Маловероятно, что многие из нас задумываются над этим процессом, но просто задумайтесь на минутку — когда вы рисуете структуру трехвалентного азота, разве вы не знает , что там тоже есть несвязывающая электронная пара? Таким образом, в большинстве случаев достаточно представить взаимное расположение ядер — так же, как палеозоолог может посмотреть на скелет вымершего животного и визуализировать мышцы живого существа, то, как оно держалось и как двигалось, химики автоматически «заполняют» собой электронные облака и соответствующие им связи. Это невероятно полезно — то, что мы можем в значительной степени (и без особых сознательных размышлений) экстраполировать трехмерные электронные облака в молекуле из положений ядер, позволяет нам узнать больше об этих «скелетных» структурные модели, чем может показаться на первый взгляд.


Это объясняет, почему модели «шар и палка» (или «шар и спица») могут быть так полезны в нашем обучении и почему они остаются наиболее распространенной формой молекулярной модели. Химическая функция зависит от формы и формы так же сильно, как и от таких аспектов, как разделение зарядов, и поскольку вы можете видеть сквозь структуру шара и стержня, и вы можете видеть «атомы» на дальней стороне модели, это означает, что повышается обучающий потенциал модели. Пользователь может ясно видеть природу и тип атомов, составляющих структуру, через всю структуру, а также то, как атомы соединяются вместе, образуя формы, которые создают эти связи. Если мы представим структуру с помощью моделей, заполняющих пространство, мы, как правило, не сможем заглянуть за пределы самого внешнего слоя атомов. Возможность заглянуть внутрь конструкции позволяет передать огромное количество структурной информации в простой, элегантной и эффективной форме.

Вот тут-то и появляются такие компании, как наша. В прежние времена многие химики делали свои собственные модели, но это было в эпоху, когда исследования проводились медленнее, академическая нагрузка была ниже, а у людей было больше времени на создание моделей. Наша роль состоит в том, чтобы создавать эти модели для предприятий, музеев, ученых, частных лиц, юристов, художников — всех, кто хочет иметь красивую модель.


Наш бизнес был основан Арнольдом Биверсом, одним из первых кристаллографов, который начал бизнес как подразделение около сорока лет назад в Эдинбургском университете. После смерти Арнольда и некоторой неуверенности в его будущем у меня появилась возможность взять на себя управление «Beevers Models» — в противном случае она просто прекратила бы свое существование. Это было бы трагедией — моделей Биверса можно найти в музеях, университетах и ​​на предприятиях по всему миру. Как выразился покойный Виктор Киам, бывший владелец Remington; «Мне так понравился [продукт], что я купил компанию». Мы наняли новых сотрудников и какое-то время продолжали работать в Школе химии Эдинбургского университета, где я несколько лет читал лекции. Несколько лет назад мы переехали и теперь базируемся в шотландских границах, полностью отдельно от университета.


Наша деятельность сосредоточена на шаровидных моделях неорганических структур и малых органических молекул. Теперь мы создаем гигантские молекулярные модели, молекулярные модели из металла, молекулярные модели из плексигласа, 3D-печатные модели, комплекты моделей среднего масштаба и любые новые задачи, которые клиентам нравится бросать нам.

 

Распространенный вопрос: как долго, по нашему мнению, продлится создание моделей в мире все более реалистичной компьютерной графики? Однако с компьютерной графикой есть проблема, потому что она не идеально представляет 3D-объекты для наших глаз — наше зрение является результатом гораздо более богатого опыта, чем два слегка непохожих изображения, просматриваемые каждым глазом. Наша воспринимаемая глубина резкости и необходимость иметь возможность мгновенно перефокусироваться улучшают наш опыт. Трехмерную природу физических моделей легче рассматривать, чем даже самую лучшую компьютерную графику.

 

Удивительная ирония в том, что мы продаем большое количество моделей теоретикам, которые не могут легко визуализировать взаимодействия или геометрию молекул, которые они изучают, или не могут легко показать их посетителям. Мы получаем много-много электронных писем от клиентов, которые благодарят нас за их модели — чаще всего за их красоту, но часто и за новые идеи, которые они им дали.

 

В конце концов, многие люди просто получают удовольствие от обладания осязаемыми и элегантными структурами, иллюстрирующими их исследовательские интересы. Это часть человеческого бытия — люди создавали и ценили декоративные предметы на протяжении десятков тысяч лет, и вряд ли это скоро изменится. Что касается меня, то я любил и ценил молекулярные модели столько, сколько себя помню — именно поэтому я их создаю, именно поэтому я руковожу этой компанией, и именно поэтому мы делаем все возможное, чтобы создавать наилучшие модели для других. Пока люди хотят иметь свои кристаллические структуры и молекулы в форме скульптур, которые они могут демонстрировать, мы будем здесь, чтобы создавать для них эти модели.

 

 

Модель гранецентрированной кубической структуры меди

Семь лучших программ молекулярного моделирования для химии в 2022 году

Центр обучения 3D