3D-просмотр молекул
Уравнения этой модели
| k | силовая постоянная связи (жёсткость пружины) | в Н/м, по инфракрасным спектрам: O–H 780, N–H 650, C–H 480, C–C 450, C=C 960, C=O 1200, N≡N 2300, Na–Cl 100; двойная связь примерно вдвое жёстче одинарной | |
|---|---|---|---|
| r₀ | равновесная длина связи | измеренные длины связей каждой молекулы, в Å (10⁻¹⁰ м): O–H 0,96, C–H 1,09, C–C 1,52, C=O 1,21 | |
| r | длина связи (меняется при колебании) | графики следят за одной связью каждого типа | |
| F | возвращающая сила на два атома | закон Гука, в наноньютонах; он стягивает растянутую связь и расталкивает сжатую | |
| × | Увеличение смещений (колебания нарисованы крупнее) | при комнатной температуре связь растягивается всего примерно на 0,02 Å, на несколько процентов длины, поэтому рисунок преувеличивает движение; графики показывают реальные расстояния |
При текущих значениях:
| μ | приведённая масса двух атомов | в атомных единицах массы; лёгкий водород на тяжёлом атоме даёт малую μ и быстрое колебание | |
|---|---|---|---|
| ν | частота колебаний связи | около 10¹³–10¹⁴ раз в секунду; инфракрасный свет той же частоты поглощается, так ИК-спектрометр и узнаёт, какие связи есть в образце | |
| ν̃ = ν ÷ c | волновое число | в см⁻¹, единица на ИК-спектре; измерено: O–H 3650, C–H 2900, C=O 1700, C–C 1000 |
При текущих значениях:
| T | Температура T (насколько сильно дрожат атомы), K | задаёт кинетическую энергию, распределённую по колебаниям; атомы подталкиваются к ней по ходу движения | |
|---|---|---|---|
| 3N − 6 | число колебаний молекулы | N атомов; 3N − 5 для линейной молекулы, потому что вращение вокруг собственной оси не является движением | |
| E_k | кинетическая энергия атомов | измерена по их скоростям; она перетекает туда и обратно в энергию, запасённую в растянутых пружинах | |
| k_B | постоянная Больцмана | 8,617 × 10⁻⁵ эВ на кельвин |
При текущих значениях:
| nᵢ | число атомов каждого элемента | берётся из формулы; нижние индексы | |
|---|---|---|---|
| Aᵢ | атомная масса элемента | в г/моль: H 1,008, C 12,011, N 14,007, O 15,999, Na 22,990, Cl 35,45 | |
| M | молярная масса | масса одного моля молекулы |
При текущих значениях:
Как пользоваться 3D-просмотром молекул
- Выберите молекулу. Атомы окрашены по элементу (белый водород, чёрный углерод, красный кислород, синий азот, зелёный хлор, фиолетовый натрий), а стержни показывают связи. Каждая связь — пружина такой же жёсткости, как настоящая, и атомы дрожат при заданной температуре.
- Повысьте температуру, чтобы колебания стали больше, замедлите воспроизведение, чтобы проследить одно растяжение связи O–H (она колеблется туда и обратно 110 триллионов раз в секунду), и уменьшите увеличение, чтобы увидеть, насколько мало реальное движение.
- Графики следят за длиной одной связи каждого вида: лёгкие атомы водорода на тяжёлых атомах колеблются быстрее всего, двойные связи — быстрее одинарных. График под уравнениями раскладывает эти частоты в см⁻¹, как пики инфракрасного спектра. Молярная масса складывается из атомов; Калькулятор молярной массы делает то же для любой формулы.
Частые вопросы
Почему связи колеблются?
Химическая связь ведёт себя как пружина: растяните атомы или сожмите их, и сила вернёт их назад. Атомы никогда не бывают неподвижны, поэтому каждая связь растягивается и сжимается с частотой, заданной её жёсткостью и массами на концах, ν = (1 ÷ 2π) √(k ÷ μ). Нагрев увеличивает движение — именно это и означает температура на таком масштабе.
Как это связано с инфракрасным спектром?
Инфракрасный свет ровно с частотой колебания связи поглощается ею. ИК-спектрометр проходит по частотам и записывает, какие поглощаются, поэтому пик около 3650 см⁻¹ говорит об O–H, около 2900 см⁻¹ — о C–H, около 1700 см⁻¹ — о C=O. Частоты здесь получены из той же модели пружин с силовыми постоянными, измеренными по таким спектрам.
Нарисовано ли движение в масштабе?
Нет. При комнатной температуре связь растягивается всего примерно на 0,02 Å, несколько процентов длины, что было бы невидимо, поэтому смещения по умолчанию нарисованы в 10 раз больше. Графики показывают реальные расстояния в ангстремах. Модель классическая; настоящая связь сохраняет нулевые колебания около 0,05 Å даже при абсолютном нуле.
Почему хлорид натрия показан как решётка?
У NaCl нет молекул. Ионы натрия и хлорида укладываются в повторяющуюся кубическую решётку, где каждый ион касается шести ионов другого вида, а формула NaCl даёт лишь соотношение. Просмотр показывает её кусок 3 × 3 × 3; ионы колеблются около своих мест в решётке так же, как атомы молекулы.
Пишет, что WebGL выключен.
Для 3D-вида нужен WebGL, который есть во всех современных браузерах. Он может быть выключен, если в настройках браузера отключено аппаратное ускорение или графический драйвер очень старый. Включите аппаратное ускорение или попробуйте другой браузер.
Загружается ли что-нибудь?
Нет. Симуляцию рисует ваш собственный браузер с помощью WebGL; ничего никуда не отправляется, и после загрузки страницы она работает и офлайн.