3.3: Modele molekularne

Modele fizyczne reprezentujące architekturę molekularną związków chemicznych odgrywają zasadniczą rolę w zrozumieniu chemii. Zastosowanie modeli molekularnych ułatwia wizualizację struktur i kształtów atomów i cząsteczek.

Model szkieletowy

Prostsze dwuwymiarowe reprezentacje związków chemicznych uzyskuje się za pomocą modeli szkieletowych. Ilustracja przedstawia jedynie strukturę molekularną lub wiązania, bez wyraźnego ukazania atomów. Na tym przedstawieniu wiele atomów węgla i wodoru nie jest wyraźnie przedstawianych. Pozycje atomów są determinowane przez połączenia lub końce wiązań. Model ten pozwala przedstawiać większe i bardziej złożone struktury chemiczne.

Model kulkowo-pręcikowy

Modele kulkowo-pręcikowe to modele trójwymiarowe, w których atomy są oznaczane jako kolorowe kule, właściwe dla różnych pierwiastków. Wiązania chemiczne łączące atomy mają postać pręcików i są łatwiejsze do wizualizacji. W ten sposób rozmiary kulek są stosunkowo mniejsze, co pogarsza proporcjonalną korelację z rzeczywistym rozmiarem atomu. Jednak model kuli i pręcika definiuje kąty między atomami, wyraźnie przedstawiając geometrię molekularną prostych i bardziej złożonych struktur w porównaniu z innymi modelami molekularnymi.

Model czaszowy

Najbardziej realistyczne są modele czaszowe, w których atomy są powiększane, aby wypełnić przestrzeń między sobą. Rozmiar i położenie atomu w tym modelu są określone przez jego właściwości wiązania i promień van der Waalsa, czyli odległość styku. Promień van der Waalsa opisuje, jak blisko mogą zbliżyć się do siebie dwa atomy, gdy nie łączy ich wiązanie kowalencyjne. Kule w tym modelu ilustrują względną przestrzeń zajmowaną przez każdy atom w związku, podczas gdy kąty między atomami nie są wyraźnie widoczne

Zaprojektowana po raz pierwszy przez chemików Roberta Coreya i Linusa Paulinga, a później udoskonalona przez Waltera Koltuna, konwencja kolorowania CPK wyznacza określone kolory atomom każdego pierwiastka. Na przykład, zgodnie z konwencją CPK, wszystkie atomy wodoru mają kolor biały, atomy węgla są czarne, atomy azotu są niebieskie, atomy tlenu są czerwone, atomy siarki są głęboko żółte, a atomy fosforu są fioletowe. Metale ziem alkalicznych są oznaczone kolorem ciemnozielonym, a metale alkaliczne – fioletowym.

Przykładowo różne modele molekularne kwasu octowego (CH3COOH) można przedstawić w następujący sposób:

Model szkieletowy	Model kulkowo-pręcikowy	Model czaszowy

Skład i architektura molekularna substancji chemicznej mogą być skutecznie wizualizowane i lepiej rozumiane za pomocą trójwymiarowych modeli molekularnych.

Model kuli i kija oraz model wypełniający przestrzeń to dwa standardowe typy modeli molekularnych, które pokazują geometryczny układ atomów w związku chemicznym. Modele te są budowane jako obiekty fizyczne, wykonane z tworzywa sztucznego lub drewna, lub jako wirtualne symulacje komputerowe.

Model z kulą i patykiem wykorzystuje kule lub kule do przedstawiania atomów. Pałeczki lub pręty łączące kule reprezentują wiązania chemiczne, a kąt między prętami odpowiada kątowi wiązania w rzeczywistym związku. Dwa lub trzy pręty zwykle reprezentują odpowiednio wiązania podwójne i potrójne. 

Odległość między środkami każdej kuli jest proporcjonalna do dokładnej odległości między odpowiadającymi jej jądrami atomowymi.

Kulki są zazwyczaj oznaczone kolorami, aby rozróżnić atomy różnych pierwiastków. Kolory są przypisane tak, aby były zgodne z konwencją kolorowania CPK wprowadzoną przez chemików Roberta Coreya, Linusa Paulinga i Waltera Kołtuna. Na przykład białe, czarne i czerwone kule reprezentują odpowiednio atomy wodoru, węgla i tlenu. 

Model wypełniający przestrzeń jest bardziej realistyczny i wykorzystuje pełnowymiarowe kule do reprezentowania atomów. Kule jednak maskują wiązania chemiczne i kąty wiązań występujące między atomami. 

Kule są proporcjonalne do względnych rozmiarów atomów i zapewniają jasny wgląd w rzeczywisty wygląd i przestrzeń zajmowaną przez każdy atom, jeśli zostaną przeskalowane do widocznych rozmiarów. 

Kody kolorystyczne użyte w tym modelu wypełniającym przestrzeń są również zgodne z konwencją kolorowania CPK.