Model budowy cząsteczek

Z Wikipedii

Modele budowy cząsteczek chemicznych to mniej lub bardziej dokładne wyobrażenia tych cząsteczek.

Najbardziej prymitywne modele to kulki z np. tworzywa połączone z sobą pałeczkami. Kulki reprezentują tu atomy, a pałeczki wiązania chemiczne. Jeśli średnice kulek będą proporcjonalne do promieni Van der Waalsa atomów, a długości pałeczek do długości wiązań, to otrzymamy model z grubsza zgodny z rzeczywistą strukturą cząsteczek. W podobny sposób można też modelować cząsteczki na ekranie komputera. Niestety w praktyce, długości i kąty wiązań chemicznych zmieniają się w bardzo szerokim zakresie w różnych cząsteczkach i dlatego tego rodzaju prymitywne modele nie odzwierciedlają prawdziwej budowy cząsteczek.

Teoretycznie obliczenie struktury danej cząsteczki byłoby możliwe poprzez rozwiązanie dla jej wszystkich wiązań i atomów równania Schroedingera. W praktyce jednak analityczne rozwiązanie równania Schroedingera dla nawet stosunkowo prostych związków chemicznych jest zadaniem niewykonalnym.

Chemia teoretyczna rozwinęła jednak szereg metod obliczeniowych pozwalających na mniej lub bardziej precyzyjne ustalanie faktycznej struktury przestrzennej cząsteczek.

Metody te można podzielić na:

• mechanikę molekularną – metody te traktują atomy jak kule o określonej średnicy i masie, a wiązania jak sprężyny, których sposób rozciągania się i zginania odpowiada mniej więcej własnościom wiązań chemicznych. Parametry owych kul i sprężyn ustala się na podstawie analizy jak największej ilości związków chemicznych, których struktura jest znana np. z rentgenografii strukturalnej. Metody te nie wymagają dużych mocy obliczeniowych, mogą więc być stosowane do nawet bardzo dużych cząsteczek, są one jednak tylko nieco dokładniejsze od modeli zupełnie prymitywnych i zupełnie zawodzą dla "nietypowych" cząsteczek.
• metody pół-empiryczne – metody te bazują już na równaniu Schroedingera – dla danej cząsteczki tworzony jest układ liniowych równań różniczkowych, przy czym wszystkie parametry tych równań są ustalane na podstawie struktury znanych związków. Następnie układ taki jest rozwiązywany metodą kolejnych przybliżeń, aż do znalezienia minimum energetycznego dla modelowanej cząsteczki. Metody te są znacznie bardziej dokładne od mechaniki molekularnej, ale podobnie jak mechanika działają one poprawnie tylko dla w miarę typowych związków chemicznych i zupełnie zawodzą przy nietypowych strukturach.
• metody ab initio – metody te również bazują na równaniach różniczkowych wywiedzionych z równania Schroedingera. Są one jednak parametryzowane na bardziej podstawowym poziomie – nie na podstawie analizy struktury znanych związków chemicznych, lecz na uśrednionych danych o ogólnej naturze określonych wiązań chemicznych. Metody ab initio umożliwiają też bezpośrednią ingerencję w te parametry i ustalanie ich osobno dla każdego modelowanego związku. Metody te dążą do całkowitego wyeliminowania parametryzacji, a kolejne publikowane procedury obliczeniowe ab initio mają tych parametrów coraz mniej. Niestety metody ab initio wymagają ogromnych mocy obliczeniowych i można dzisiaj za ich pomocą obliczać tylko stosunkowo proste związki, nawet mając dostęp do najszybszych komputerów dostępnych na rynku.

Oprócz tego istnieją też metody umożliwiające symulowanie ruchu cząsteczek i oddziaływań między nimi zwane dynamiką molekularną.