Конструктор молекул

1.Теоретическая часть

1.1. Пространственная структура молекул

Пространственная конфигурация молекул определяется числом атомов в молекуле и числом электронных пар в валентной оболочке каждого из них.

Все связующие и неподеленные электронные пары располагаются вокруг атома таким образом, чтобы отталкивание между ними было минимальным, а расстояние максимальным.

В соответствии с этим правилом можно привести для различного числа электронных пар ограниченное число легко запоминающихся структур.

1.2. Расположение связей, предсказываемое теорией отталкивания валентных электронных пар

Структура молекулы и валентные углы, градусов
Тип гибридизации
линейная, 180°
sp
треугольная, 120°
sp2
тетраэдрическая, 109°28'
sp3
тригонально-бипирамидальная, 90° и 120°
sp3d
октаэдрическая, 90°
sp3d2

1.3. Электронные эффекты в органических соединениях

Различают два вида электронных эффектов в молекулах органических веществ: индукционный и мезомерный.

Индукционный эффект - смещение электронных пар s-связей

Обозначается ( ). Атом имеет положительный индукционный эффект, если отталкивает от себя электроны s-связи, и отрицательный, если имеет большую электроотрицательность и притягивает к себе электроны s-связи.

Мезомерный эффект - смещение электронов p-связи или неподеленных электронных пар.

Обозначается ( ).В молекулах отдельных веществ проявляются и индукционный, и мезомерный эффекты одновременно. В этом случае они или усиливают друг друга, или взаимно ослабляются (при этом преобладает, как правило, индукционный эффект). Результатом взаимного влияния атомов в молекулах является перераспределение электронной плотности в молекуле.

 

2. Алгоритм составления пространственной структуры молекулы  

1. Составьте электронные формулы валентных подуровней элементов, входящих в молекулу или сложный ион.

2. Определите общее число связующих и неподеленных электронных пар в валентной оболочке каждого атома, входящего в молекулу. (Электроны кратной связи следует рассматривать как единую электронную пару, т.к. они не определяют геометрической направленности связей, но упрочняют их).

3. По числу электронных пар определите, какие элементы конструктора соответствуют тем или иным атомам.

4. Сконструируйте молекулу и определите тип гибридизации центрального атома.

Примечание:
Следует отметить, что данный алгоритм дает приблизительную структуру молекулы, т.к. идеально правильное расположение атомов в молекуле бывает только в исключительных случаях (например, СН4). В большинстве других случаев наблюдаются отклонения от точной симметрии, возникающие по различным причинам.

 

3. Работа с конструктором молекул  

3.1. Интерфейс конструктора молекул

На данном рисунке показаны основные элементы "Конструктора молекул". Конструирование молекулы происходит на рабочем поле. Список атомов представляет химические элементы, необходимые для построения молекул органических и неорганических соединений. Все необходимые инструменты находятся на панели инструментов и панели химических связей. Управление моделью молекулы в пространстве осуществляется при помощи панели управления. Все необходимые указания к работе отображаются в окне комментариев.

Наполнение панелей интерфейса конструктора может отличаться в различных лабораторных опытах.

3.2. Кнопки управления

Операции с атомами
- режим выбора атома. Нажатие на атом помечает его как выделенный.
- режим добавления атома. При нажатии на атом, имеющий свободные электроны, к нему добавляется новый.
- режим удаления атомов. При наведении на атом подсвечивается цепочка атомов, которые будут удалены при нажатии на него.
Визуализация модели
- штриховая модель молекулы.
- шаростержневая модель молекулы.
- масштабная модель молекулы.
- визуализация атомных орбиталей.
- визуализация электронных эффектов.
- визуализация перекрывания электронных облаков.
Подписи
- химический знак атома.
- относительные заряды на атомах.
- длина связи. Отображается длина выделенной связи.
Относительные заряды
- режим расстановки относительных отрицательных зарядов.
- режим расстановки относительных положительных зарядов.
Атомные связи
- установка одинарной связи.
- установка двойной связи.
- установка тройной связи.
Управление
- перемещение модели в плоскости экрана.
- изменение масштаба модели.
- вращение модели.
- выравнивание масштаба модели.
- вращение атомов вокруг оси связи.
- смена фона на клетчатый.
Циклы
- создание цикла, состоящего из трех атомов углерода.
- создание цикла, состоящего из четырех атомов углерода.
- создание цикла, состоящего из пяти атомов углерода.
- создание цикла, состоящего из шести атомов углерода.

 

3.3. Основные операции

Выделение атомов
Для выделения атомов необходимо включить режим выделения атомов кнопкой панели инструментов и нажать мышью на требуемый атом в молекуле. Вы можете выделить более одного атома, последовательно нажимая на них мышью. Выделение атомов используется для удаления, замены атомов и расстановки относительных зарядов в молекуле.

Добавление атомов
Для добавления новых атомов в модель необходимо включить режим добавления атомов кнопкой панели инструментов и выбрать один атом из списка атомов. После этого нажать мышью на один из атомов молекулы или на рабочее поле, если в молекуле нет ни одного атома. При этом, если выделенный атом имеет свободные электроны, то к нему добавится новый атом и модель молекулы оптимизируется.

Удаление атомов
Для удаления атомов из модели необходимо включить режим удаления атомов кнопкой панели инструментов и нажать мышью на атом, который вы хотите удалить. При этом удалится вся цепочка атомов, которые были добавлены к удаляемому атому. Вся удаляемая цепочка подсвечивается при наведении мышью на удаляемый атом.

Изменение связи
Для изменения типа связи между атомами необходимо:

При выделении связи автоматически выбирается соответствующий режим.

Создание циклов
Для создания цикла необходимо включить режим создания нужного цикла, после чего нажать мышью на рабочем поле. Для подсоединения цикла к существующему атому необходимо включить режим создания нужного цикла, после чего нажать мышью на атом, к которому вы хотите добавить цикл. Можно составлять не более двух конденсированных циклов.

Расстановка частичных зарядов
Для расстановки частичных зарядов на атомы необходимо включить режим расстановки зарядов кнопками панели инструментов и нажать мышью на атом, которому вы хотите задать заряд. При этом атом становится выделенным. Количество нажатий определяет конечный заряд атома. При переключении режима расстановки зарядов с положительного на отрицательный или наоборот, происходит автоматическое изменение знака заряда у всех выделенных атомов. Для снятия выделения с атомов нужно нажать мышью на пустое место в рабочем поле.

Замена атома в цикле
Для замены одного или более атомов в цикле на другие элементы необходимо перейти в режим выбора атомов, выделить все атомы в молекуле, которые вы хотите заменить, после чего в списке атомов нажать мышью на название требуемого элемента. При этом произойдет замена всех выделенных атомов.

Изомерия атомов
При построении цис- и транс- изомеров молекулы важен порядок добавления атомов в молекулу. Для построения молекулы, изображенной на левом рисунке, к атому углерода (серый атом) необходимо добавить атом водорода (белый атом), после чего добавить атом кислорода (красный атом). Для построения молекулы, изображенной на правом рисунке, первоначально добавляется кислород, а затем водород.

 

4. Пример конструирования молекулы воды

Рассмотрим процесс конструирования молекулы воды H2O.

Перед вами окно “Конструктора молекул”.

Для добавления первого атома нужно выбрать требуемый элемент, после чего нажать мышью на рабочее поле.

Остальные атомы в молекулу могут добавляться при помощи панели быстрого доступа к элементам.

Вы можете просмотреть три формы модели: штриховую, шаростержневую и масштабную при помощи панели визуализации.

Также вы можете вывести информацию по атомам в молекуле: название атомов, длины связей между атомами и относительные заряды атомов.

Конструктор позволяет просматривать электронные облака и электронные эффекты в построенной модели.

Вращение и масштабирование модели производится при помощи панели управления.

Для построения более сложных молекул можно воспользоваться другими инструментами конструктора. Выход из конструктора производится по верхней навигации.