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3.3:

分子模型

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Chemistry
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Molecular Models

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透过三维分子模型能够 更有效地将化学物质的 组成和结构形象化,使其浅显易懂。球棒模型和空间填充模型 为两种能够显示化合物 中原子几何排列 之标准分子模型。这些模型或以物体如塑胶及木头,又或以电脑仿真来建构。球棒模型使用球状体来 描绘出原子。连接球体间的杆子或棒子代表化学键,而棒子间的角度则和 化合物中实际的键角相符。两个或三个棒子通常分 别代表双键和三键。每颗球中心之间的距离 与相应原子核之间的 实际距离成比例。这些球体通常以颜色编码来 区分不同元素的原子。而颜色的分配则是遵循由罗 伯特·科瑞、莱纳斯·鲍林和沃尔特·科尔顿三位化学家提出的CPK上色原则。例如:白色、黑色和红色球体 分别代表氢原子、碳原子及氧原子。空间填充模型则更为逼真,并且使用了全尺寸的球体来代表原子。然而这些球体遮盖住了 化学键和原子之间存在的键角。球体与原子的相对大小成比例,因此如果按比例缩放到可见大小,便可以清楚了解每个原子 的实际外观和空间。这个空间填充模型所使用的 颜色编码同样遵循CPK上色原则。

3.3:

分子模型

代表化合物分子结构的物理模型在理解化学过程中起着至关重要的作用。分子模型的使用使可视化原子和分子的结构和形状变得更加容易。

骨骼模型

使用骨架模型可以完成化合物的简单二维表示。该图仅显示分子框架或键,而未明确显示原子。在该表示中,许多碳原子和氢原子未明确示出。但是,原子的位置由键的连接点或末端暗示。该模型有助于表示更大和更复杂的化学结构。

球棒模型

球棒模型是三维模型,其中原子被描述为颜色编码的球或球形,特定于不同的元素。连接原子的化学键用杆表示,更易于观察。这样做,使球的尺寸相对较小,从而损害了与实际原子尺寸的比例相关性。然而,球棒模型定义了原子之间的角度,与其他分子模型相比,清楚地描述了简单到更复杂结构的分子几何。

空间填充模型

空间填充模型是最现实的,其中原子按比例放大以填充彼此之间的空间。此模型中原子的大小和位置取决于其键合特性和范德华半径或接触距离。范德华半径描述了当共价键不连接两个原子时,两个原子可以彼此接近的程度。该模型中的球体说明了化合物中每个原子所占据的相对空间,而原子之间的夹角并不清晰可见。

CPK着色约定首先由化学家罗伯特·科里(Robert Corey)和莱纳斯·鲍林(Linus Pauling)设计,随后由沃尔特·科尔顿(Walter Koltun)改进,CPK着色约定为每个元素的原子指定特定的颜色。例如,根据CPK约定,所有氢原子都被涂成白色,碳原子是黑色,氮原子是蓝色,氧原子是红色,硫原子是深黄色,磷原子是紫色。碱土金属用深绿色表示,碱金属用紫色表示。

例如,可以用以下方式表示乙酸的不同分子模型 (CH3COOH):

Image1 Image2 Image3
骨骼模型 球棒模型 空间填充模型

 

本文改编自: Openstax,化学2e,第2.4节:化学式。

Suggested Reading

  1. Berg, Jeremy M. “Appendix: Depicting Molecular Structures.” Biochemistry. 5th edition. U.S. National Library of Medicine, January 1, 1970.