Шаростержневая модель
Шаростержневая модель — это пространственная модель молекулы, отображающая трёхмерное положение атомов, изображаемых в виде сфер (шаров), и связей между ними в виде стержней (палочек)[1]. Такие модели используются для наглядного представления трёхмерной структуры молекул, что способствует глубокому пониманию химической геометрии и пространственного расположения атомов[2][3].
Атомам разных веществ соответствуют разные цвета, чаще всего согласно цветовой схеме моделей Кори — Полинга — Колтуна. Например, черный цвет обычно используется для обозначения углерода, а белый — для обозначения водорода[4]. Двойные или тройные связи изображаются двумя или тремя изогнутыми стержнями[1][5].
Также существуют различные программные инструменты, позволяющие создавать такие модели виртуально.
История
[править | править код]Шаростержневые модели возникли в XIX веке в ходе развития структурной теории органической химии. Первые попытки отображения молекулярной структуры были двухмерными и использовали различные способы группировки атомов, однако они не давали представления о реальной геометрии молекул[6].
В 1861 году Йозеф Лошмидт создал графическое изображение 368 молекулярных структур, включая первую корректную модель бензола, где атомы углерода были равномерно расположены в кольце. Его работы включали также модели циклопропана, винильной и аллильной групп. Эти изображения отражали относительные размеры атомов и длины связей[6].
Возникновение физических моделей
[править | править код]
Первая зарегистрированная физическая молекулярная модель была представлена в 1865 году Августом Вильгельмом Гофманом. Он соединил несколько крокетных шаров палочками, чтобы объяснить структуру таких молекул, как метан, этан и метилхлорид. Именно он заложил основу цветового кодирования атомов[7].
В 1865 году двухмерные нарисованные аналоги шаростержневых моделей начали применять химики Крум-Браун и Эдвард Франкленд. Однако лишь к 1874 году Якоб Вант-Гофф и Жозеф Лебель предложили, что углеродные соединения обладают тетраэдрической геометрией, что стало важнейшим шагом в понимании пространственного строения молекул[8].
Развитие концепции молекулярного моделирования
[править | править код]В XX веке развитие физики и химии привело к возникновению новых методов описания молекулярных структур. В 1946 году начались первые попытки количественного молекулярного моделирования, включавшего механические модели растяжения связей и угловых взаимодействий. Вскоре была разработана теория молекулярных силовых полей[9], которая заложила основу для компьютерного моделирования молекул[10][11].
В 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик представили знаменитую модель структуры ДНК, ставшую одной из самых известных физических молекулярных моделей. Их работа оказала огромное влияние на дальнейшее развитие молекулярной биологии и химии[12].
Современные тенденции
[править | править код]С развитием вычислительной техники молекулярное моделирование перешло в виртуальную плоскость. Уже в 1960-х годах начались исследования по компьютерному моделированию молекулярных структур, а в 1970-х появились первые программы для автоматизированного расчёта молекулярных геометрий[11]. В 1990-х годах развитие графических интерфейсов позволило использовать трёхмерные визуализации, основанные на шаростержневой модели, что сделало их широко применяемыми в химии, биологии и фармацевтике[13].
Применение
[править | править код]В образовании
[править | править код]В образовательной практике шаростержневые модели позволяют учащимся визуализировать пространственное строение молекул. Это особенно важно при изучении органических соединений. Такие модели помогают глубже понять принципы формирования химических связей и стереохимические особенности молекул, включая валентные углы и динамику вращения вокруг простых связей[14].
Другие модели молекул
[править | править код]Помимо шаростержневых моделей, для визуализации молекулярной структуры используются[2]:
- Модель заполнения пространства, отображающая атомы с учетом их реальных размеров, что позволяет получить более точное представление о распределении электронной плотности и взаимном расположении атомов в молекуле.
- Скелетная модель. В таких моделях отображаются только химические связи между атомами, при этом сами атомы могут не изображаться явно. Это упрощает представление крупных и сложных молекул, где изображение схемы соединений важнее, чем пространственная конфигурация.
См. также
[править | править код]Примечания
[править | править код]- ↑ 1 2 Martin Turner. Ball and stick models for organic chemistry (англ.) // Journal of Chemical Education. — 1971-06. — Vol. 48, iss. 6. — P. 407. — ISSN 0021-9584. — doi:10.1021/ed048p407.
- ↑ 1 2 Molecular Models. JoVE. Дата обращения: 2 февраля 2025.
- ↑ Модели молекул. orgchem.ru. Дата обращения: 2 февраля 2025.
- ↑ Compare-Contrast-Connect: Chemical Structures—Visualizing the Invisible | manoa.hawaii.edu/ExploringOurFluidEarth (англ.). manoa.hawaii.edu. Дата обращения: 2 февраля 2025.
- ↑ Molecular Models — Ball-and-Stick Model & Space-Filling Model (англ.). expii. Дата обращения: 2 февраля 2025.
- ↑ 1 2 Matthew F. Schlecht. Molecular modeling on the PC (англ.). — New York: Wiley-VCH, 1998. — 763 p. — ISBN 978-0-471-18567-3.
- ↑ Models (англ.). Дата обращения: 8 сентября 2018. Архивировано из оригинала 4 апреля 2016 года.
- ↑ Vjačeslav Michajlovič Najdyš. Koncepcii sovremennogo estestvoznanija: učebnoe posobie. — Moskva: Gardariki, 2003. — С. 112. — 475 с. — (Univers). — ISBN 978-5-8297-0001-0.
- ↑ Alan Hinchliffe. Modelling molecular structures (англ.). — 2nd ed. — New York: John Wiley, 2000. — 336 p. — (Wiley series in theoretical chemistry). — ISBN 978-0-471-62380-9, 978-0-471-48993-1.
- ↑ P. Michael Conn. Constitutive activity in receptors and other proteins (англ.). — 1st ed. — Amsterdam, Netherlands Boston, Mass: Elsevier/Academic, 2010. — Vol. 485. — (Methods in enzymology). — ISBN 978-0-12-381296-4.
- ↑ 1 2 G. Ciccotti, C. Dellago, M. Ferrario, E. R. Hernández, M. E. Tuckerman. Molecular simulations: past, present, and future (a Topical Issue in EPJB) (англ.) // The European Physical Journal B. — 2022-01-05. — Vol. 95, iss. 1. — P. 3. — ISSN 1434-6036. — doi:10.1140/epjb/s10051-021-00249-x.
- ↑ J. D. Watson, F. H. C. Crick. Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid (англ.) // Nature. — 1953-04-25. — Vol. 171, iss. 4356. — P. 737–738. — ISSN 0028-0836. — doi:10.1038/171737a0.
- ↑ History of Molecular Visualization (англ.). www.umass.edu. Дата обращения: 2 февраля 2025.
- ↑ Глазкова Оксана Владимировна. Моделирование и конструирование в системе организации и проведения практических работ в курсе химии Средней школы // Инженерные технологии и системы. — 1998. — С. 60—63.