поверхность Ван-дер-Ваальса

радиусы Ван-дер-Ваальса
Элемент	радиус ( Å )
Водород	1.2 (1.09) ^{[ 1 ]}
Углерод	1.7
Азот	1.55
Кислород	1.52
Фтор	1.47
Фосфор	1.8
сера	1.8
хлор	1.75
Медь	1.4
Радиусы Ван-дер-Ваальса взяты из Сборник Бонди (1964). ^{[ 2 ]} Значения из других источников могут существенно различаются ( см. текст )

Поверхность Ван-дер-Ваальса молекулы — это абстрактное представление или модель этой молекулы, иллюстрирующая, где, в очень грубых терминах, может находиться поверхность молекулы, основываясь на жестких ограничениях радиусов Ван-дер-Ваальса для отдельных атомов. поверхность, через которую можно представить, что молекула взаимодействует с другими молекулами. ^{[ нужна ссылка ]} также называемая Поверхность Ван-дер-Ваальса, оболочкой Ван-дер-Ваальса, названа в честь Йоханнеса Дидерика ван-дер-Ваальса , голландского физика-теоретика и термодинамика, который разработал теорию, обеспечивающую уравнение состояния жидкости и газа , учитывающее ненулевой объем. атомов и молекул и о проявлении ими силы притяжения при взаимодействии (теоретические конструкции, также носящие его имя). Таким образом, поверхности Ван-дер-Ваальса являются инструментом, используемым в абстрактных представлениях молекул, независимо от того, доступны ли они, как это было первоначально, посредством ручного расчета, или через физические модели дерева/пластика, или теперь в цифровом виде, с помощью программного обеспечения для вычислительной химии . Фактически, модели CPK , разработанные и названные в честь Роберта Кори , Лайнуса Полинга и Уолтера Колтуна , ^{[ 3 ]} были первыми широко используемыми физическими молекулярными моделями, основанными на радиусах Ван-дер-Ваальса, и позволили широко использовать педагогические и исследовательские модели, показывающие поверхности молекул Ван-дер-Ваальса.

Объем Ван-дер-Ваальса и площадь поверхности Ван-дер-Ваальса

С концепцией названия связаны идеи объема Ван-дер-Ваальса , V _w , и площади поверхности Ван-дер-Ваальса, сокращенно обозначаемые по-разному как A _w , vdWSA, VSA и WSA. ^{[ нужна ссылка ]} Площадь поверхности Ван-дер-Ваальса — это абстрактное представление о площади поверхности атомов или молекул, полученное на основе математической оценки, вычисляемой либо на основе первых принципов, либо путем интегрирования по соответствующему объему Ван-дер-Ваальса. В простейшем случае для сферического одноатомного газа это просто вычисленная площадь поверхности сферы радиуса, равного радиусу Ван-дер-Ваальса газообразного атома:

A_{\rm {w}}=4\pi r_{\rm {w}}^{2}

.

Объем Ван-дер-Ваальса , тип атомного или молекулярного объема, представляет собой свойство, непосредственно связанное с радиусом Ван-дер-Ваальса , и определяется как объем, занимаемый отдельным атомом или, в комбинированном смысле, всеми атомами молекулы. . Его можно рассчитать для атомов, если известен радиус Ван-дер-Ваальса, и для молекул, если известны радиусы их атомов, а также межатомные расстояния и углы. Как и выше, в простейшем случае для сферического одноатомного газа V _w — это просто вычисленный объем сферы радиуса, равного ван-дер-ваальсовскому радиусу газообразного атома:

V_{\rm {w}}={4 \over 3}\pi r_{\rm {w}}^{3}

.

Для молекулы V _w — объем, заключенный поверхностью Ван-дер-Ваальса ; следовательно, вычисление V _w предполагает способность описывать и вычислять поверхность Ван-дер-Ваальса. Ван-дер-ваальсовые объемы молекул всегда меньше суммы ван-дер-ваальсовых объемов составляющих их атомов из-за того, что межатомные расстояния, возникающие в результате химической связи , меньше суммы атомных ван-дер-ваальсовых радиусов. В этом смысле поверхность Ван-дер-Ваальса гомоядерной двухатомной молекулы можно рассматривать как графическое перекрытие двух сферических поверхностей Ван-дер-Ваальса отдельных атомов, а также для более крупных молекул, таких как метан, аммиак и т. Д. (см. Изображения).

Радиусы и объемы Ван-дер-Ваальса можно определить по механическим свойствам газов (оригинальный метод определения постоянной Ван-дер-Ваальса ), по критической точке (например, жидкости), по кристаллографическим измерениям расстояния между парами несвязанных атомов в кристаллах или на основе измерений электрических или оптических свойств (т. е. поляризуемости или молярной рефракции ). Во всех случаях измерения проводятся на макроскопических образцах, а результаты выражаются в молярных количествах. Объемы Ван-дер-Ваальса одного атома или молекул получают путем деления макроскопически определенных объемов на константу Авогадро . Различные методы дают схожие, но не идентичные значения радиуса - обычно в пределах 1–2 Å (100–200 пм ). Полезные табличные значения радиусов Ван-дер-Ваальса получаются путем взвешивания среднего ряда различных экспериментальных значений, и по этой причине будет видно, что в разных таблицах представлены разные значения радиуса Ван-дер-Ваальса одного и того же атома. Кроме того, утверждалось, что радиус Ван-дер-Ваальса не является фиксированным свойством атома при всех обстоятельствах, скорее, он будет меняться в зависимости от химического окружения атома. ^{[ 2 ]}

Галерея

Аммиак, NH ₃ , заполняет пространство, представление Ван дер Вааля, азот (N) — синий, водород (H) — белый.
Фосфин, PH ₃ , заполняет пространство, представление Ван дер Вааля, наложенная шаростержневая модель, фосфор (P) оранжевого цвета, водород (H) белого цвета.
Заполняющая пространство модель н- октана , линейного (нормального) углеводорода, состоящего из 8 атомов углерода и 18 атомов водорода, формулы: CH ₃ CH ₂ (CH ₂ ) ₄ CH ₂ CH ₃ или C.
₈8Ч
₁₈ . Обратите внимание, что показанный представитель представляет собой единую конформационную «позу» популяции молекул, которая из-за низких энергетических барьеров Гиббса вращается вокруг своих углерод-углеродных связей (придавая углеродной «цепи» большую гибкость). обычно состоит из очень большого числа различных таких конформаций (например, в растворе).
Пример трехмерной, заполняющей пространство модели сложной молекулы Ван дер Ваала, ТГК , активного вещества медицинской марихуаны. Возможно, вам придется нажать на изображение, чтобы увидеть вращение.
Сероводород, H ₂ S, заполнение пространства, представление Ван дер Вааля, наложенная шаростержневая модель, сера (S) жёлтого цвета, водород (H) белого цвета, заштрихованный синим. Он также показывает на своей поверхности поверхность электростатического потенциала (вычисленную для молекулы неизвестным способом) с использованием вычислительной химии инструментов . Он закрашен от синего для электроположительных областей до красного для электроотрицательных .

См. также

Ссылки и примечания

^ Роуленд Р.С., Тейлор Р. (1996). «Межмолекулярные несвязанные контактные расстояния в органических кристаллических структурах: сравнение с расстояниями, ожидаемыми на основе радиусов Ван-дер-Ваальса». Дж. Физ. Хим . 100 (18): 7384–7391. дои : 10.1021/jp953141+ .
^ Перейти обратно: ^а ^б Бонди, А. (1964). «Объемы и радиусы Ван дер Ваальса». Дж. Физ. хим. 68 (3): 441–51. дои : 10.1021/j100785a001 .
^ Роберт Б. Кори и Лайнус Полинг, 1953, «Молекулярные модели аминокислот, пептидов и белков», Rev. Sci. Инструмент. , 24 (8), стр. 621–627, DOI 10.1063/1.1770803, см. [1] , по состоянию на 23 июня 2015 г.

Дальнейшее чтение

Д. К. Уитли, Графики поверхности Ван дер Ваальса и форма молекул , Журнал математической химии , том 23, номера 3–4, 1998, стр. 377–397 (21).
М. Петижан, Об аналитическом расчете поверхностей и объемов Ван-дер-Ваальса: некоторые численные аспекты , Журнал вычислительной химии , том 15, номер 5, 1994, стр. 507–523.

Внешние ссылки

VSA для различных молекул Антон Антонов, Демонстрационный проект Wolfram , 2007.
радиусы Ван дер Ваальса , Глоссарий по структурной биологии, Библиотека изображений биологических макромолекул.
Аналитический расчет поверхностей и объемов Ван-дер-Ваальса.

[RowlandRS1996-1] Роуленд Р.С., Тейлор Р. (1996). «Межмолекулярные несвязанные контактные расстояния в органических кристаллических структурах: сравнение с расстояниями, ожидаемыми на основе радиусов Ван-дер-Ваальса». Дж. Физ. Хим . 100 (18): 7384–7391. дои : 10.1021/jp953141+ .

[Bondi1964-2] Перейти обратно: ^а ^б Бонди, А. (1964). «Объемы и радиусы Ван дер Ваальса». Дж. Физ. хим. 68 (3): 441–51. дои : 10.1021/j100785a001 .

[corpau-3] Роберт Б. Кори и Лайнус Полинг, 1953, «Молекулярные модели аминокислот, пептидов и белков», Rev. Sci. Инструмент. , 24 (8), стр. 621–627, DOI 10.1063/1.1770803, см. [1] , по состоянию на 23 июня 2015 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]