← Laboratorium
Chemia i materia · Cząsteczki · Układ okresowy →

Chemia strukturalna

Cząsteczki — kształty w 3D

Obracaj prawdziwe cząsteczki — od wody po kofeinę i fulleren. Sprawdź, dlaczego woda jest zgięta, a CO2 prosty, zmierz kąty między wiązaniami i zbuduj kształt z teorii VSEPR.

Przeciągnij, aby obrócić · kółko lub +/− – przybliżenie · kliknij 2 atomy – odległość, 3 – kąt

Jak to działa?

Dlaczego cząsteczki mają kształty? Teoria VSEPR

Elektrony walencyjne wokół atomu centralnego A tworzą pary: wiążące (X — łączą A z innym atomem) i wolne (E — należą tylko do A). Pary mają ten sam ładunek, więc odpychają się i ustawiają jak najdalej od siebie. Liczba wszystkich par, czyli liczba steryczna, wyznacza geometrię, a wolne pary są „niewidzialne” w kształcie cząsteczki — widać tylko położenia atomów. Wiązanie podwójne lub potrójne liczy się jak jedna para.

AXnEm  ⟶  liczba steryczna = n + m   ·   Eodp = Σi<j 1rij → minimum

Budowniczy szuka minimum tej energii dla punktów na sferze (spadek gradientu). Wolne pary odpychają trochę mocniej, więc w bipiramidzie trygonalnej zajmują miejsca w płaszczyźnie równikowej (mają tam mniej sąsiadów pod kątem 90°). W rzeczywistości ta silniejsza odpychalność ściska kąty: w NH3 jest 106,7°, w H2O 104,5° zamiast idealnych 109,5°. Kliknij pole tabeli, aby zbudować dany kształt.

Pomiar odległości i kąta

Każdy atom ma współrzędne (x, y, z) w pikometrach (1 pm = 10−12 m). Odległość to twierdzenie Pitagorasa w 3D:

d = √(x2 − x1)2 + (y2 − y1)2 + (z2 − z1)2

Kąt przy środkowym atomie B liczymy z iloczynu skalarnego wektorów u = A − B i v = C − B:

cos θ = u · v|u| · |v|

Wiązanie potrójne jest najkrótsze: C≡C ma 120 pm, C=C 134 pm, a C–C 154 pm.

Polarność

Atom o większej elektroujemności χ mocniej przyciąga wspólne elektrony i dostaje ładunek cząstkowy δ−, a jego partner δ+. Za polarne uznajemy tu wiązania o Δχ ≥ 0,4. Wartości χ znajdziesz w układzie okresowym.

μ = q · d   ·   μcałk = Σ μi   ·   1 D ≈ 3,336 · 10−30 C·m

Momenty wiązań dodają się jak wektory. W CO2, BF3 czy SF6 symetria sprawia, że suma wynosi zero — cząsteczka jest niepolarna, choć wiązania są polarne. Strzałki rysujemy chemicznie: od δ+ do δ−. Uproszczenie: kierunek wypadkowej liczymy z sumy wiązań (bez wolnych par), a długość strzałki odpowiada zmierzonemu momentowi dipolowemu, gdy jest znany.

Jak powstaje obraz 3D?

Renderer obraca współrzędne macierzą obrotu, a potem rzutuje je perspektywicznie — dalsze atomy są mniejsze:

x′ = f · xf − z    y′ = f · yf − z

Atomy i wiązania są sortowane od najdalszych do najbliższych i malowane po kolei (algorytm malarza). Kule cieniuje gradient radialny z odblaskiem światła z lewej góry.

Dwa rodzaje modeli

Kulki i pręciki dobrze pokazują kąty i rodzaje wiązań (podwójne, potrójne, zdelokalizowane — przerywane). Model czaszowy rysuje atomy w skali promieni van der Waalsa — tak mniej więcej „wygląda” cząsteczka dla sąsiadów. Dla NaCl używamy promieni jonowych (Na⁺ 102 pm, Cl⁻ 181 pm).

Kolory to konwencja CPK: H biały, C szary, N niebieski, O czerwony, F i Cl zielone, S żółty, P pomarańczowy. Geometrie małych cząsteczek pochodzą z pomiarów w fazie gazowej; większe są przybliżone (opis przy cząsteczce).

Czy wiesz, że…?

  • Fulleren C60 ma taki sam układ 12 pięciokątów i 20 sześciokątów jak klasyczna piłka. Jego odkrywcy (Curl, Kroto i Smalley) dostali w 1996 r. Nagrodę Nobla z chemii.
  • Diament i grafen to ten sam pierwiastek — węgiel. W diamencie każdy atom ma 4 sąsiadów w czworościanie, w grafenie 3 w płaszczyźnie, i to wystarcza, by jeden był przezroczysty i twardy, a drugi czarny i przewodzący.
  • Lód pływa, bo wiązania wodorowe ustawiają cząsteczki w ażurową sieć sześciokątów. Gęstość lodu to ok. 0,92 g/cm³, a wody 1,00 g/cm³.

Wyzwania

0 / 4