Molekulska strast GRADNIKI VESOLJA. Atomi so gradbene enote vesolja. Pri povezovanju dveh ali več atomov nastane molekula. Molekule se med seboj zelo razlikujejo v velikosti, obliki in funkciji. Naučili se boste uporabljati atome kot osnovne gradnike molekul in graditi modele svojih najljubših molekul kot so voda (H 2 O), kisik (O 2 ) in ogljikov dioksid (CO 2 ) ter seveda tudi bolj zahtevnih molekul. OBSTAJA VELIKO ELEMENTOV, VENDAR SE LE REDKI NAHAJAJO V BIOLOŠKIH. MOLEKULAH. Vse znane atome najdemo v periodnem sistemu elementov. Čeprav je vseh elementov več kot 100, je večina naravnih molekul sestavljena iz peščice atomskih osnovnih gradnikov. Biološke molekule so izredno raznovrstne, čeprav so zgrajene predvsem iz ogljika (C), vodika (H), kisika (O) in dušika (N). Seveda se v bioloških molekulah nahajajo tudi drugi atomi, na primer fosfor in žveplo, vendar pa so njihovi glavni gradniki C, H, O in N. ZAKAJ SESTAVLJATI MODELE?. Kadar naredimo model avta, je ta sicer izredno podoben, vendar precej manjši kot pravi avto. Ko pa modeliramo molekule, prikažemo nekaj, česar v resnici ne moremo videti. V tem primeru je model kar 10 9 -krat večji kot resnična molekula. Čeprav atomov in molekul ne moremo videti, to ne pomeni, da niso resnični. Na nek način so celo bolj resnični, kot to, kar vidimo, saj večina reakcij poteka na molekularnem nivoju. Da bi razumeli, kaj se resnično dogaja, se moramo podati v nevidni svet molekul. Z uporabo barvne kode in nekaj osnovnih pravil pri povezovanju boste kmalu tvorili prelepe molekule. KAKO MODELIRATI. Tvorba modelov molekul s tem kompletom je zelo enostavna. Barvne kroglice ali vozlišča predstavljajo določene atome. Ogljik je tako črn in vodik bel. Molekulske vezi so povezovalne paličice. Tudi te so barvno kodirane, rumene paličiče predstavljajo enojne vezi, modre dvojne vezi in rdeče trojne vezi. 1
BARVNA KODA. Atomi (vozlišča) Ogljik (C) je črn, vodik (H) je bel, kisik (O) je rdeč in dušik (N) je moder. V nadaljevalnih kompletih je fosfor (P) oranžen, natrij (Na) zelen in žveplo (S) rumeno. Vezi (paličice) Enojna vez je rumena, dvojna vez je modra in trojna vez rdeča. RAZLIČNI ATOMI IMAJO RAZLIČNO VALENCO - TVORIJO RAZLIČNO ŠTEVILO VEZI. Glavni gradbeni element narave je ogljikov atom. Ogljik ima valenco 4 - z drugimi atomi tvori štiri vezi, pri čemer se mu stabilno zapolnijo elektronske orbitale. Dušik tvori tri vezi, kisik dve in vodik eno. Za zapolnitev števila vezi za vsak atom lahko kombiniramo enojne, dvojne in celo trojne vezi. Na primer, ogljik, ki ima valenco 4, lahko tvori hkrati eno dvojno vez in dve enojni, ne more pa tvoriti hkrati treh dvojnih vezi. Vodik pa lahko tvori le eno vez. Število vezi, ki jih tvori posamezen atom je pomembno, tako pomnimo C (4), N (3), O (2) in H (1). Pri tvorbi molekul si pomagamo z barvno kodo atomov ali zadnjo stranjo molekulske karte. ARHITEKTURA NARAVE. TETRAEDRIČNI OGLJIK. Kadar tvori ogljik štiri enojne vezi, se slednje odbijajo med seboj in tako razporedijo v tetraedrično strukturo, kot lahko opazimo v modelu metana. Ogljikovi atomi s štirimi enojnimi vezmi imajo vedno vezi v tetraedrični razporeditvi. Atomi ogljika v ogljikovodikih kot so etan, propan in butan ter v sladkorjih vsi tvorijo te tetraedrične povezave. Vadite izdelavo teh ogljikovih tetraedrov! Življenje jih je polno in tudi vi! 2
Zaradi nevidnih elektronov v neveznih orbitalah tudi se tudi vezi okoli kisika in dušika razporedijo pod koti, ki ustrezajo tetraedru. Kot primer samo omenimo vezi v H 2 O, ki niso v ravni liniji, ampak pod kotom v obliki široke črke V. Kadar nastane vez med dvema ogljikoma, se ostale vezi, ki jih tvorita ta ogljikova atoma, zaradi rahlega odboja zasukajo. OGLJIK Z DVOJNIMI VEZMI IN GRAFIT. V nasprotju s tetraedrično strukturo ogljikov z enojnimi vezmi imajo molekule iz ogljika, ki tvori dvojne vezi ali delno dvojne vezi, kot na primer v aromatskih spojinah, planarno strukturo. V ogljikovih obročih, kot se nahajajo npr. v DNK, predstavljajo modre paličice le delne dvojne vezi. Grafit vsebuje molekule z velikim številom ogljikovih obročev, povezanih skupaj. Ti obroči ležijo v plasteh, ki dajejo grafitu značilno plastovito strukturo in razkolnost vzdolž plasti. Kadarkoli ogljik tvori dvojno vez, je molekula bolj dvodimenzionalna ali planarna. DNK, nosilka dedne informacije, je med drugim sestavljena iz majhnih planarnih molekul, ki jim pravimo nukleinske baze. V dvojni vijačnici DNK se planarne baze zlagajo ena zraven druge. KAKO SESTAVLJATI MOLEKULE S KOMPLETOM ZOMETOOL. 1. Dobrodošli v molekularnem modeliranju s kroglicami in paličicami Zometool! Izdelava molekul je enostavna! Kroglice različnih barv predstavljajo različne atome in paličice različne kemijske vezi (glej podpoglavje Barvna koda) Ogljik, glavni gradbeni element, tvori z drugimi atomi 4 vezi. Ostali elementi tvorijo drugačno število vezi: dušik (3), kisik (2), vodik (1), žveplo (2) in fosfor (3). Upoštevajoč ta pravila in s pomočjo Molekulskih kart boste kmalu ustvarjali čudovite modele vaših najljubših molekul. 2. Molekulska karta Molekulska karta vsebuje vse potrebne informacije za sestavljanje določene molekule. Slika prikazuje, kako molekula izgleda. Naredite, kar vidite, le da bo model v treh dimenzijah! Molekulska formula pove, kateri atomi sestavljajo molekulo. Atomi in vezi, ki jih potrebujete za sestavo 3
molekule, se nahajajo v predelu ''Komponente''. V spodnjem delu molekulske karte se nahaja nekaj informacij o molekuli. 3. Če še niste uporabljali kompleta Zometool, najprej sestavite molekule treh plinov, da se seznanite s paličičami v kompletu. Trije tipi paličic predstavljajo enojne, dvojne in trojne vezi. Enojna vez se nahaja v molekuli vodika (H 2 ), dvojna v molekuli kisika (O 2 ) in trojna v molekuli dušika (N 2 ). 4. Preberite poglavji Kako modelirati in Arhitektura narave. Pripravite model metana (CH 4 ) in etana (C 2 H 6 ), da se seznanite s tetraedričnimi koti in zasukanimi vezmi. V naravi je veliko molekul s takšno strukturo. 5. Najprej tvorite enostavne molekule, šele nato se lotite zahtevnejših. 6. Pri ustvarjanju novih molekul upoštevajte pravila molekulskega modeliranja. Če ne boste upoštevali teh pravil, lahko sestavite reaktivno molekulo ali nekaj povsem neresničnega. 4
US Patents RE 33,785; 6,840,699 B2. Zometool is a registered trademark of Zometool Inc. Based on the 31-zone system, discovered by Steve Baer, Zomeworks Corp., USA 2009 Prevod: Logika d.o.o., 2010 5