Model budowy cząsteczek

Z Wikipedii

Modele budowy cząsteczek chemicznych to mniej lub bardziej dokładne wyobrażenia tych cząsteczek.

Najbardziej prymitywne modele to kulki z np. tworzywa połączone z sobą pałeczkami. Kulki reprezentują tu atomy, a pałeczki wiązania chemiczne. Jeśli średnice kulek będą proporcjonalne do promieni Van der Waalsa atomów, a długości pałeczek do długości wiązań, to otrzymamy model z grubsza zgodny z rzeczywistą strukturą cząsteczek. W podobny sposób można też modelować cząsteczki na ekranie komputera.

W praktyce, długości i kąty wiązań chemicznych zmieniają się w bardzo szerokim zakresie w różnych cząsteczkach i dlatego tego rodzaju prymitywne modele nie odzwierciedlają prawdziwej budowy cząsteczek.

Teoretycznie obliczenie struktury danej cząsteczki byłoby możliwe poprzez rozwiązanie dla jej wszystkich wiązań i atomów równania Schroedingera. W praktyce jednak analityczne rozwiązanie równania Schroedingera dla nawet stosunkowo prostych związków chemicznych jest zadaniem niewykonalnym.

[edytuj] Techniki modelowania budowy cząsteczek

Chemia teoretyczna rozwinęła szereg metod obliczeniowych pozwalających na mniej lub bardziej precyzyjne ustalanie faktycznej struktury przestrzennej cząsteczek.

Metody te można podzielić na:

• mechanikę molekularną – metody te traktują atomy jak kule o określonej średnicy i masie, a wiązania jak sprężyny, których sposób rozciągania się i zginania odpowiada mniej więcej własnościom wiązań chemicznych. Parametry owych kul i sprężyn ustala się na podstawie analizy jak największej ilości związków chemicznych, których struktura jest znana np. z rentgenografii strukturalnej. Metody te nie wymagają dużych mocy obliczeniowych, mogą więc być stosowane do nawet bardzo dużych cząsteczek, są one jednak tylko nieco dokładniejsze od modeli zupełnie prymitywnych i zupełnie zawodzą dla "nietypowych" cząsteczek.
• metody pół-empiryczne – metody te bazują już na równaniu Schroedingera – dla danej cząsteczki tworzony jest układ liniowych równań różniczkowych, przy czym wszystkie parametry tych równań są ustalane na podstawie struktury znanych związków. Następnie układ taki jest rozwiązywany metodą kolejnych przybliżeń, aż do znalezienia minimum energetycznego dla modelowanej cząsteczki. Metody te są znacznie bardziej dokładne od mechaniki molekularnej, ale podobnie jak mechanika działają one poprawnie tylko dla w miarę typowych związków chemicznych i zupełnie zawodzą przy nietypowych strukturach.
• metody ab initio.

Oprócz tego istnieją też metody umożliwiające symulowanie ruchu cząsteczek i oddziaływań między nimi zwane dynamiką molekularną.

[edytuj] Sposoby przedstawiania modeli

Modele cząsteczek tradycyjnie przedstawia się na trzy zasadnicze sposoby:

• Model "szkieletowy" - w którym obrazowane są połączenia między atomami z pominięciem ich promieni atomowych. Modele "szkieletowe" dobrze uwidaczniają strukturę geometryczną połączeń między atomami, mogą jednak tworzyć błędne wrażenie co do rzeczywistej objętości zajmowanej przez cząsteczki i ich ogólnego "zewnętrznego" kształtu.
• Model "wypełniony" - w którym przedstawia się możliwie "realistycznie" atomy jako kule o średnicach zbliżonych do ich rzeczywistych promieni Van Der Waalsa - oczywiście powiększonych do skali modelu. W modelach "wypełnionych" nie widać samego szkieletu wiązań, ale za to lepiej obrazują one ogólny kształt cząsteczki.
• Modele szkieletowo-kulkowe - w których promienie chmur elektronowych atomów są w stosunku do siebie proporcjonalne, ale są one wszystkie "podzielone" przez pewien współczynnik, dzięki czemu widać w tych modelach także szkielet wiązań.

Wszystkie sposoby przedstawiania modeli cząsteczek są daleko idącym uproszczeniem symbolicznym, rodzajem umownej konwencji ich przedstawiania. Ich rzeczywista struktura elektronowa i własności są zupełnie inne niż można by oczekiwać od zestawu twardych kulek połączonych prętami. Cząsteczki są bowiem obiektami, które opisuje się przy pomocy pojęć chemii kwantowej i które w istocie nie zachowują się tak jak obiekty makroskopowe znane z codziennego życia.