Для чего изготавливают модели молекул из чего их можно сделать кратко

Обновлено: 02.07.2024

наглядное изображение молекул орг. и неорг. соединений, позволяющее судить о взаимном расположении атомов, входящих в молекулу. М. м. используют в тех случаях, когда по структурной ф-ле трудно или практически невозможно представить пространств. расположение атомов, в частности при изучении пространств. изомерии, в конформационном анализе, для оценки стерич. препятствий.

Различают два осн. типа М. м.: 1) скелетные, приближенно отражающие ориентацию валентностей, а иногда и орби-талей в пространстве, но не дающие представления об относит. размерах атомов; 2) объемные, отображающие валентные углы, ковалентные радиусы атомов и их эффективные радиусы, близкие по значениям к ван-дер-ваальсовым. К первому типу относятся известные с сер. 19 в. модели из шариков, соединенных отрезками проволоки (м о д е л и К е-к у л е- В а н т-Г о ф ф а).

Более совершенны м о д е л и Д р е й д и н г а (предложены в 1959), состоящие из стальных стержней и трубок, соединенных в точке, изображающей ядро атома, под углами, равными валентным. Длины трубок и стержней пропорциональны длинам связей между атомами Н и данного элемента (0,1 нм соответствует 2,5 см). Своб. концы трубок и стержней изображают ядра атомов Н, поэтому каждый фрагмент в отдельности является моделью молекулы простейшего водородного соед. данного элемента (СН 4 , NH 3 , H 2 O, H 2 S и т. д.). Для сборки модели более сложного соед. стержень одного фрагмента вставляют в трубку другого; благодаря ограничит. устройству расстояние между их центрами пропорционально соответствующему межатомному расстоянию. Модели Дрейдинга верно отражают межатомные расстояния и валентные углы в молекулах. Они позволяют имитировать внутр. вращение, оценивать энергетич. выгодность разл. конформаций, измерять расстояния между непосредственно не связанными атомами. Модели Дрейдинга особенно широко употребляют при изучении стереохимии полициклич. систем типа стероидов. По тому же принципу сконструированы м о д е л и Ф и з е р а, изготовляемые из пластмассы; из-за более крупного масштаба (0,1 нм соответствует 5 см) они преим. используются при лекционных демонстрациях.

Разновидность скелетных М. м.-о р б и т а л ь н ы е м о д е л и, дающие представления об атомных и мол. орбиталях. Одни из наиб. известных моделей такого типа-каркасные модели FMM (Framework Molecular Models). Их собирают из ме-таллич. узлов (кластеров) трех типов, соответствующих sp 3 -, 2 -> и sp -гибридизации. Узлы соединяются между собой пластмассовыми трубочками; при этом короткие штырьки, не использованные для мех. связывания кластеров, имитируют расположение р-орбиталей (в случае 2 -> и sp -гибридизо-ванных атомов). Существуют орбитально-лопастные модели, в к-рых атомные орбитали имитируются объемными фрагментами, напоминающими по форме шары или неправильные эллипсоиды. Подобные модели особенно полезны при изучении р-ций, регулируемых правилами орбитальной симметрии. Мол. p-орбитали м. б. представлены отрезками грубочек.

Объемные модели, правильно передающие размеры и форму молекул, были разработаны в 1934 Г. Стюартом и позднее усовершенствованы Г. Бриглебом (рис., а, б). Каждый фрагмент, изображающий атом определенного элемента, в м о д е л я х С т ю а р т а представляет собой шаровой сегмент, причем радиус шара пропорционален эффективному радиусу атома ( эфф ),> а расстояние от центра шара до плоскости среза - ковалентному радиусу (r ков ). В случае многовалентных атомов делают соответствующее число срезов, причем угол а между перпендикулярами из центра шара на плоскость среза равен валентному (рис., в). По предложению Г. Бриглеба для атомов, соединенных кратными связями, сегменты изготовляют не из шаров, а из эллипсоидов, большая полуось к-рых соответствует эффективному радиусу, обусловленному наличием я-электронного, а малая-s-электронного облака. Модели изготовляют обычно из пластмассы, окрашенной в цвета, установленные для каждого элемента (С-черный, Н-белый, О-красный, N-синий, S - желтый и т. д.). При сборке моделей сегменты соединяют между собой по плоскостям срезов, причем в случае простых связей сегменты могут вращаться один относительно другого. Модели Стюарта-Бриглеба верно передают валентные углы, межатомные расстояния и эффективные радиусы; они позволяют измерять расстояния между разл. атомами и группами (0,1 нм соответствует 1,5 см). Эффективные радиусы, принятые в моделях Стюарта - Бриглеба, на 10-15% меньше ван-дер-ваальсовых радиусов, получаемых из кристаллографич. данных. Это связано с тем, что модели предназначены для рассмотрения стерич. эффектов в молекуле, находящейся при обычных условиях, а не при т-ре абс. нуля.

Модели Стюарта - Бриглеба: а-метан, б-этилен, в-отдельный шаровой сегмент в разрезе.

Известны объемные М. м., отличающиеся от описанных выше масштабом, раскраской и нек-рыми конструктивными особенностями. Так, м о д е л и Ф и ш е р а-Х и р ш ф е л ь д е-р а-Т е й л о р а и м о д е л и "Э у г о н" близки к моделям Стюарта в их первоначальном варианте, но выполняют их в масштабе 0,1нм-1см. М о д е л и СРК (Corey-Pauling -Koltun, Кори - Полинг - Колтун) делают пустотелыми в масштабе 0,1 нм-1,25 см. Они отличаются особо прочным креплением сегментов и наиб. удобны для построения моделей макромолекул, напр. нуклеиновых к-т, пептидов, белков. М о д е л и Х а р т л и-Р о б и н с о н а ("м о д е л и К у р т о")

благодаря эластичному соединению сегментов с помощью спец. кнопок с резиновыми прокладками позволяют собирать модели напряженных молекул, в к-рых валентный угол существенно отличается от стандартного, что дает возможность иметь в наборе меньше типов сегментов, чем в моделях Стюарта-Бриглеба. Такие же возможности дают и модели Стюарта - Бриглеба, изготовленные из резины. Предложены объемные модели, отличающиеся от описанных выше тем, что в них пустотелые сферич. сегменты не соединяются между собой по плоскостям среза, а укрепляются на сферич. пов-сти других сегментов. Это позволяет изображать различные орг. соед. с помощью малого числа типов сегментов, однако точность передачи валентных углов, межатомных расстояний и эффективных радиусов ниже, чем при использовании моделей Стюарта - Бриглеба или СРК.

Лит.: Илиел Э., Стереохимия соединений углерода, пер. с англ., М., 1965, с. 20-21; Темникова Т. И., Курс теоретических основ органической химии, 3 изд., Л., 1968, с. 122-27; Потапов В. М., Стереохимия, 2 изд., М., 1988, с. 9-14; Houben - Weyl, Methoden der organischen Chemie, 4 Aufl., Bd 3, Tl 1, Stuttg., 1955; Vogtle F., Neumann P., "Chem. Ztg", 1974, Jahrg. 98, № 8, S. 375-86.

Л. И. Беленький.

Химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . Под ред. И. Л. Кнунянца . 1988 .

Химия, изложенная скучным научным языком, вряд ли заинтересует школьника. А вот если подключить наглядные пособия, обучение пойдет веселее. Еще интереснее изготовить макет своими руками. В статье расскажем, как с помощью пластилина можно сделать модель молекулы. Для познавательного урока подойдет структура любой молекулы: железа, спирта, углекислого газа. Подробнее остановимся на нескольких вариантах. Модели остальных веществ будут выполняться по тем же правилам: атомы лепим из пластилина, а для структурных связей используем зубочистки или спички.

Что необходимо?

Прежде чем приступать к уроку лепки, а заодно и химии, необходимо подготовить следующие материалы:

пластилин нескольких оттенков;
зубочистки или спички;
доску или клеенку для работы с пластилином;
формулы молекул, взятые из интернета или учебника химии.

Когда все будет готово, можно приступать к изготовлению молекулярной модели любого вещества.

Как слепить разные модели?

Лучше сразу лепить по схеме модель молекулы конкретного вещества, чем начинать объяснения о микрообъектах абстрактных изделий. Сначала расскажем о структурных связях элементов на примере разных веществ: метана, этана, этилена, метилена.

Для наглядности будем видоизменять каждую изготовленную молекулу, выстраивая из нее схему следующей познавательной модели. Это несложно сделать, так как во всех схемах участвует связь углерода и водорода.

Метан

Сначала возьмем за основу простую молекулу природного газа метана, она имеет формулу СН4. Чтобы изготовить соответствующую модель, скатайте из пластилина синего цвета четыре небольших шарика: они будут представлять водород. Затем подготовьте красный шарик, размером в несколько раз крупнее синих, – углерод. Структурные связи выполняйте спичками, присоединив к углероду 4 водорода. Получилась простейшая модель молекулы метана.

Органическое соединение этана С2Н6 в схематическом варианте выглядит сложнее метана, но конструктивно модель выполняется из тех же пластилиновых деталей и спичек, поэтому изготовить ее не составит труда.

Из скульптурной фигурки метана уберите одну спичку с синим элементом. В результате остается углерод с двумя водородными связями. Для образования этана нам понадобится два таких комплекта. Связав их между собой дополнительной спичкой, мы получим соединение этана.

Этилен

Чтобы составить модель этилена, делаем структуру с двойной связью. Для этого из конструкции этана убираем от каждого красного шара по одной спичке с синими элементами и добавляем еще одну соединительную спичку между углеродными шариками. Вот что у нас получилось.

Метилен

Теперь на примере метилена (СН2) поучимся делать цепочку связей. Для этого скатайте 3 шарика одинаковых размеров: один красный (углерод) и 2 синих (водород).

Составляем молекулу метилена с двойной связью, собирая цепочку по следующей схеме: водород-углерод-водород, то есть синий шар соединяем двумя спичками с красным и снова двумя спичками с синим шаром. Все элементы выстраиваем в одну линию.

С познавательной целью предлагаем собрать еще ряд молекул разных химических веществ.

Пропан

Этот газ относится к соединениям, содержащим 3 атома углерода и 8 атомов водорода (С3Р8). Для пространственной модели нужно изготовить из пластилина 3 крупных красных шарика и 8 мелких синих горошин. В качестве соединительных связей нам понадобится 10 спичек. Сборка модели молекулы пропана происходит следующим способом.

К одному из красных шаров с помощью спичек крепим 3 синих горошины.
Конструкцию дублируем, так как нам нужны два одинаковых варианта.
К оставшемуся третьему красному шару добавляем две синих горошины, закрепленных на спичках.
Теперь все три части соединяем вместе. В центре должен находиться атом углерода с двумя атомами водорода, а по краям у каждого углерода должно быть по 3 атома водорода.

Тип связей, который отвечает за структуру молекулы пропана, такой же, как и у газов бутана, метана.

Аммиак

Представляет собой неорганическое бинарное соединение азота и водорода (NH3). Аммиак – газ, не имеющий цвета, но легко распознаваемый по характерному запаху. В предыдущих моделях мы использовали для лепки атома водорода синий пластилин, а для углерода – красный. Моделируя молекулу аммиака, также воспользуйтесь синим цветом для трех атомов водорода, то есть слепите 3 синих шарика.

Для азота выберите какой-либо другой цвет, например, желтый. Понадобится один шарик такого оттенка. Теперь с помощью спичек к азоту (желтый шар) присоедините 3 водорода (синие шары). Модель аммиака готова.

Этот галоген широко распространен в окружающем мире. Молекулярное строение газа крайне простое, оно содержит всего два атома (Cl2). Хлор тяжелее воздуха, имеет зеленовато-желтый оттенок и токсичный резкий запах.

Изобразить его молекулы несложно. Нужно вылепить из пластилина два зеленых шара и соединить их одной спичкой. Еще более простой способ – присоединить два шара боками друг к другу, не прибегая к помощи спичек или зубочисток.

Сложное вещество, представленное в природе разными вариантами, например, хлорид натрия (NaCl), сульфат кальция (CaSo4). NaCl еще называют поваренной солью, с ней знаком каждый из нас, так как она является пищевой.

Для изготовления соединения поваренной соли делаем два шара: небольшой зеленый (хлор) и крупный коричневый (натрий). Чтобы они стали единой молекулой, достаточно прижать шары друг к другу, но можно воспользоваться и спичкой, символизирующей соединительные связи.

Полезные советы

Современные родители и без советов знают, как развивать своих детей, но мы все же озвучим несколько рекомендаций.

Если хотите донести до школьника сложную информацию, находите нестандартные пути ее подачи. В нашем случае обучение химии происходит через 3D-моделирование. Полезные моменты заключаются в следующем.

Дети усваивают новые знания.
Способ получения информации сопровождается творческим процессом ваяния объемных фигурок. Он увлекает и дает возможность ученику заинтересоваться таким сложным предметом, как химия.
Работа с пластилином развивает моторику рук, поэтому она полезна для мыслительной деятельности и творческого потенциала.
Занятия лепкой помогают в становлении таких полезных качеств, как воображение, усидчивость и сосредоточенность.

Начинайте обучение с простых, но реально существующих моделей молекул. Ребенок сразу должен себя почувствовать причастным к настоящей науке.

Предложите сыну или дочери, пользуясь учебником (интернетом), самостоятельно найти формулы молекул, которые вы еще не проходили. Пусть ребенок с помощью найденной схемы и своего воображения изготовит макет без посторонней помощи. Его может заинтересовать, из каких молекул состоит воздух, кислород, вода, золото, алмаз или сладкий сахар.

Делаем модель молекулы воды из пластилина далее.

Молекулярные модели — физические либо визуализированные компьютерные модели молекул химических соединений, дающие наглядное представление о взаимном пространственном расположении атомов, входящих в молекулу. Молекулярные модели используются при необходимости пространственного анализа молекулярных структур, в случаях, когда по структурной формуле — проекции структуры молекулы на плоскость — трудно либо невозможно проанализировать расположение атомов в пространстве либо оценить влияние взаимного расположения атомов на их взаимодействия (оценка стерических затруднений, конформационный анализ, специфическое межмолекулярное взаимодействие и т. п.).

Обзор

Скульптуры, посвящённые молекулам — это прекрасный образчик понимания того, что мир, в котором мы сейчас живём, создан всё-таки не телевизионными реалити-шоу, не шоппинг-центрами и не грязными политтехнологиями

Автор

Редакторы

Размер молекул, как правило, несоизмеримо меньше того предела, который можно разглядеть глазом, даже используя самый лучший оптический микроскоп — ведь длина волны видимого света существенно превосходит характерные размеры большинства молекул. Поэтому для изучения фундаментальных основ жизни приходится прибегать к упрощениям — молекулярным моделям, — чтобы биологические молекулы из области, доступной исключительно интеллекту, перенеслись в область чего-то видимого (на дисплее или листе бумаги) или даже осязаемого. Однако молекулы оказались не только желанным объектом для изучения: сама их суть стала для многих учёных и художников объектом вдохновения — и появилась молекулярная скульптура.

Удивительно стремление разума человеческого
к построению моделей и к совершенствованию оных,
пока они не станут всё ближе и ближе к реальности.
Людвиг Больцман
Поистине невероятно, как малó взаимное проникновение
науки XX века и искусства этого же века.
Чарльз Сноу. Две культуры

Историческая справка

Трёхмерное прототипирование

Учёные отмечают, что подобные модели чрезвычайно полезны в обучении, ведь если студент сможет в собственных руках подержать молекулу хемотрипсина, гемоглобина или рибосому, он немедленно, на интуитивном уровне, почувствует, как структура белка связана с его функцией — а ведь это один из самых важных аспектов молекулярной биологии!

Русские идут в 3D

Не следует думать, что вопросы визуального представления молекул и наукоёмкого материала вообще занимают умы исключительно зарубежных учёных. Московская компания Visual science предлагает свои услуги по созданию научных иллюстраций, трёхмерных моделей биологических объектов, мультимедийных презентаций и пластиковых моделей биомолекул и других медико-биологических объектов (изготавливаемых с помощью технологии трёхмерной печати). Среди своих целей компания называет:

грамотную и наглядную подачу научной информации с использованием современных технологий;
создание профессиональных иллюстраций и схем для образовательных материалов и учебников;
иллюстрирование научно-популярных публикаций без фактических ошибок, которыми изобилуют современные издания.

Белковые кристаллы

Обычно под белковыми кристаллами подразумевают специальным образом приготовленные образцы белка, за счёт своей высокоупорядоченной структуры способные давать чёткую дифракционную картину при рентгеновском облучении (этот эффект используется для экспериментального исследования структуры белков (см., например, [3])). Однако есть и другие кристаллы — своеобразные миниатюрные произведения искусства на тему структуры белка, выполненные прямо в толще стеклянного блока.

Bathsheba Grossman, публикуется с разрешения автора

Памятник антибиотику

Шарики-лошарики

Молекула своими руками

Такие фармацевтические гиганты, как Merck и Pfizer, заказали у Рубина скульптуры значительных в истории этих компаний молекул — интерферона-β и ВИЧ-протеазы с ингибитором.

Рисунок 2. Соматотропин (гормон роста) выделяется передней долей гипофиза у детей, подростков и молодых людей

Byron Rubin, 2003, публикуется с разрешения автора

Неслучайные молекулы

Декада	Молекула	Декада	Молекула
1900	Аспирин	1960	Прогестины
1910	Изооктан	1970	ДДТ
1920	Пенициллин G	1980	Прозак (Флуоксетин)
1940	Нейлон-66	1990	Фуллерены и нанотрубки
1950	ДНК

Был поленом, стал скульптурой

Рисунок 3. Антоцианы придают радующую глаз окраску лепесткам цветов и плодам фруктовых деревьев

Эдгар Мейер (Edgar Meyer) — учёный с богатым прошлым, пионер компьютерной графики в биомолекулярных исследованиях, основатель Брукхейвенского депозитария пространственных структур белков (Protein Data Bank) [5] и кристаллограф, на счету которого десятки структур белковых молекул.

Выйдя на пенсию, Мейер (видимо, в память о своём первопроходстве в области молекулярной визуализации) увлёкся изготовлением скульптур молекул, используя различные породы дерева — несколько сортов дуба, орех-пекан, клён, мескитовое дерево и другие, более редкие древесины. Для автоматизации процесса он использует контролируемый компьютером с его собственной программой фрезерный станок по дереву, который слой за слоем обрабатывает деревянные монолиты. В результате получаются такие скульптуры как антоцианин (рис. 3) или более сложные — например, сайт связывания аспирина в белке циклооксигеназе.

Музей неосязаемого

Одна из скульптур в виртуальной VRML-галерее — зелёный флуоресцентный белок (рис. 4) — немного вибрирует, слегка сжимается и расширяется, одновременно говоря зрителю о динамической природе белковых молекул и напоминая медузу — организм, из которого был выделен этот важнейший для современной молекулярной биологии и биоинженерии объект.

Рисунок 4. Зелёный флуоресцентный белок призрачно светится в темноте Это свойство активно используется в генетической инженерии.

Kenneth Eward, 1998, публикуется с разрешения автора

α-спираль для Полинга

Несколько лет назад Восс-Андре представилась уникальная возможность сконструировать мемориал одному из самых известных химиков мира — Лайнусу Полингу, единственному человеку на свете, дважды единолично награждённому Нобелевской премией [6]. Джулиану предложили соорудить памятный постамент возле домика в Портланде (штат Орегон США), где Лайнус провёл детство (сейчас там Центр науки, мира и здравоохранения имени Полинга). Для скульптуры была использована массивная шестиметровая стальная балка, которая после серии из 15 разрезов плазменной горелкой и сварочных работ преобразовалась. в трёхметровую α-спираль, посвящённую памяти великого учёного и миротворца (рис. 6).

Julian Voss-Andreae, 2003, публикуется с разрешения автора

Белковый вальс

Джеймс Уотсон (первооткрыватель структуры ДНК и нобелевский лауреат) занимал в этом институте пост заведующего лабораторией, пока его неосторожное высказывание не было интерпретировано охочими до сенсаций журналистами как расистское. После этого Уотсона отстранили от руководства [7].

МОДЕ́ЛИ МОЛЕКУЛЯ́РНЫЕ, наглядное изображение молекул органич. и неорганич. соединений, позволяющее судить о взаимном расположении атомов, входящих в молекулу. М. м. используют в тех случаях, когда по структурной формуле трудно или практически невозможно представить пространственное расположение атомов, в частности при изучении пространственной изомерии, в конформационном анализе, для оценки стерических препятствий.

Читайте также: