3.3: Molekulare Modelle

Physikalische Modelle, die molekulare Architekturen chemischer Verbindungen darstellen, spielen eine wesentliche Rolle beim Verständnis der Chemie. Der Einsatz molekularer Modelle erleichtert die Visualisierung der Strukturen und Formen von Atomen und Molekülen.

Skelettmodell

Einfachere zweidimensionale Darstellungen chemischer Verbindungen werden mithilfe von Skelettmodellen erreicht. Die Abbildung zeigt nur das Molekülgerüst bzw. die Bindungen, ohne die Atome explizit darzustellen. In dieser Darstellung sind viele der Kohlenstoffatome und Wasserstoffatome nicht explizit dargestellt. Die Positionen der Atome werden jedoch durch die Verbindungsstellen oder Enden der Bindungen bestimmt. Dieses Modell hilft, größere und komplexere chemische Strukturen darzustellen.

Kugel-Stab-Modell

Kugel-Stab-Modelle sind dreidimensionale Modelle, bei denen die Atome als farbcodierte Kugeln oder Kugeln dargestellt werden, die für verschiedene Elemente spezifisch sind. Die chemischen Bindungen, die die Atome verbinden, werden durch Stäbchen dargestellt und sind einfacher zu visualisieren. Dadurch werden die Größen der Kugeln relativ kleiner gemacht, wodurch die proportionale Korrelation mit der tatsächlichen Atomgröße beeinträchtigt wird. Dennoch definiert das Kugel-Stab-Modell die Winkel zwischen Atomen und stellt die Molekülgeometrie einfacher bis komplexerer Strukturen im Vergleich zu anderen Molekülmodellen klar dar.

Raumfüllendes Modell

Am realistischsten sind raumfüllende Modelle, bei denen die Atome so vergrößert werden, dass sie den Raum untereinander ausfüllen. Die Größe und Position eines Atoms in diesem Modell wird durch seine Bindungseigenschaften und den Van-der-Waals-Radius oder Kontaktabstand bestimmt. Der Van-der-Waals-Radius beschreibt, wie nahe sich zwei Atome einander annähern können, wenn sie nicht durch eine kovalente Bindung verbunden sind. Die Kugeln in diesem Modell veranschaulichen den relativen Raum, den jedes Atom innerhalb einer Verbindung einnimmt, während die Winkel zwischen den Atomen nicht deutlich sichtbar sind

Die CPK-Farbkonvention wurde ursprünglich von den Chemikern Robert Corey und Linus Pauling entworfen und später von Walter Koltun verbessert. Sie weist den Atomen jedes Elements bestimmte Farben zu. Gemäß der CPK-Konvention sind beispielsweise alle Wasserstoffatome weiß, Kohlenstoffatome schwarz, Stickstoffatome blau, Sauerstoffatome rot, Schwefelatome tiefgelb und Phosphoratome lila. Erdalkalimetalle werden in Dunkelgrün dargestellt, Alkalimetalle in Violett.

Beispielsweise können verschiedene molekulare Modelle von Essigsäure (CH₃COOH) auf folgende Weise dargestellt werden:

Skelettmodell	Kugel-Stab-Modell	Raumfüllendes Modell

Dieser Text wurde angepasst von Openstax, Chemistry 2e, Section 2.4: Chemical Formulas.

Die Zusammensetzung und molekulare Architektur eines chemischen Stoffes kann effektiv visualisiert und besser verstanden werden, wenn dreidimensionale molekulare Modelle verwendet werden. Das Kugel-Stab-Modell und das Kalottenmodell sind zwei Standardtypen der Molekülmodelle, die die geometrische Anordnung von Atomen in einer chemischen Verbindung zeigen. Diese Modelle werden entweder als physische Objekte aus Kunststoff oder Holz oder als virtuelle Computersimulationen gebaut.

Das Kugel-Stab-Modell verwendet Kugeln oder Bälle zur Darstellung von Atomen. Die Stäbchen oder Stäbe, die die Kugeln verbinden, stellen die chemischen Bindungen dar, und der Winkel zwischen den Stäbchen entspricht dem Bindungswinkel innerhalb der eigentlichen Verbindung. 2 oder 3 Stäbchen stellen typischerweise Doppel-bzw.

Dreifachbindungen dar. Der Abstand zwischen den Mittelpunkten der einzelnen Kugeln ist proportional zum genauen Abstand zwischen den entsprechenden Atomkernen. Die Kugeln sind typischerweise farbkodiert, um Atome verschiedener Elemente zu unterscheiden.

Die Farben werden so zugeordnet, dass sie der CPK-Farbkonvention entsprechen, die von den Chemikern Robert Corey, Linus Pauling und Walter Koltun eingeführt wurde. Beispielsweise stellen weiße, schwarze und rote Kugeln Wasserstoff-Kohlenstoff-bzw. Sauerstoffatome dar.

Das Kalottenmodell ist realistischer und verwendet Kugeln in voller Größe, um die Atome darzustellen. Die Kugeln maskieren jedoch die chemischen Bindungen und die Bindungswinkel, die zwischen den Atomen vorhanden sind. Die Kugeln sind proportional zu den relativen Größen der Atome und geben einen klaren Einblick in das tatsächliche Aussehen und den von jedem Atom eingenommenen Raum, wenn sie auf sichtbare Größe skaliert werden.

Die in dem Kalottenmodell verwendete Farbkodierung folgt ebenfalls der CPK-Farbkonvention.