3.3: 分子モデル

化学化合物の分子構造を表す物理モデルは、化学を理解する上で重要な役割を果たします。 分子モデルを使用することで、原子や分子の構造や形状を容易に視覚化できます。

骨格モデル

化学化合物の単純な 2 次元表現は、分子骨格モデルを使用して実現されています。 イラストは、原子を明示的に表示せずに分子の構造式または結合のみを示しています。 このイラストでは、炭素原子と水素原子の多くは明示的には示されていません。 ただし、原子の位置は結合の結合点または終端によって暗黙的に決定されます。 このモデルは、より大きく複雑な化学構造を表すのに役立ちます。

棒球モデル

棒球モデルは 3 次元モデルで、原子は異なる元素に固有の色分けされたボールまたは球として表されます。 原子を結合する化学結合は棒で表され、視覚化が容易です。 そのため、球のサイズは比較的小さくなり、実際の原子サイズとの比例関係は損なわれます。 しかし、棒球モデルは原子間の角度を定義し、他の分子モデルと比較して単純構造から複雑な構造の分子形状を明確に表現します。

空間充填モデル

空間充填モデルは最も現実的であり、原子間のスペースを埋めるためにサイズが拡大されます。 このモデルの原子のサイズと位置は、結合特性とファンデル・ワールス半径、または接触距離によって決まります。ファンデル・ワールス半径は、２つの原子が共有結合で結ばれていない場合に、どの程度互いに接近できるかを表しています。 このモデルの球体は、化合物内の各原子が占める相対的な空間を示していますが、原子間の角度は明確には見えません。  

最初に化学者 ロバート・コリー とライナス・ポーリングが設計し、その後 ウォルター・コルタンが改良した CPK カラーリング規則は、各元素の原子に特定の色を指定します。 たとえば、 CPK の規則によると、すべての水素原子は白、炭素原子は黒、窒素原子は青、酸素原子は赤、硫黄原子は濃い黄色、リン原子は紫です。 アルカリ土類金属は濃い緑、アルカリ金属は紫で表示されます。

たとえば、酢酸（ CH₃COOH ）のさまざまな分子モデルは、次のように表現できます。

骨格モデル	棒球モデル	空間充填モデル

このテキストは 、 Openstax, Chemistry 2e, Section 2.4: Chemical Formulas から引用しています。

三次元分子モデルを用いることで 化学物質の組成や分子構造を 効果的に可視化し よりよく理解することが できます 分子モデルの 標準的なタイプとしては ボールアンドスティックモデルと スペースフィリングモデルの 2つがあり 化合物中の原子の 幾何学的配置を示します これらのモデルは プラスチックなどで構築されるか 仮想シミュレーションとして コンピュータ上に構築されます ボールアンドスティックモデルは 原子を描写するために 球やボールを利用しています 球を接続する棒は 化学結合を表し 棒間の角度は 実際の化合物の 結合の角度と一致します 2本または3本の棒は 通常 それぞれ 二重および 三重結合を表しています 各ボールの中心間の距離は 対応する原子核間の 正確な距離に比例します ボールは 典型的には 異なる原子を 区別するために 色分けされています 色は 化学者ロバート・コリー ライナス・ポーリング ウォルター・コルトゥンによって 導入された CPKの着色規約に準拠するよう 割り当てられています 例えば 白 黒 赤のボールは それぞれ 水素 炭素 酸素原子を表します スペース充填モデルは より現実的であり 原子を表すためにフルサイズの 球を利用しています しかし 球は 化学結合と 原子の間に存在する 結合角をマスクします 球体は原子の相対的なサイズに 比例して作られており 目に見えるサイズに拡大されると 各原子が占有する 実際の外観と空間についての 明確な洞察を提供します この空間充填モデルで 使用されるカラーコードは CPKカラーリングの 規則に従います