Jak studentům názorně vysvětlit, že molekuly nejsou placaté?

Tvary molekul PCl5

Jedním z klíčových poznatků, který by měl každý učitel chemie svým žákům předat, je uvědomění si toho, že atomy v molekulách mají určité prostorové uspořádání. A to navzdory tomu, že jejich strukturní vzorce obvykle píšeme na rovnou desku tabule. Při výuce mohou jako pomůcky umožňující názornou demonstraci reálné geometrie molekul posloužit nejrůznější modely nebo stavebnice. Upřímnou recenzi na jednu z nich, konkrétně na molekulovou stavebnici od firmy Molymod, Vám nabízíme v tomto článku.

Porozumění skutečnosti, že molekuly nejsou placaté jako na papíře a zároveň i pochopení toho, že má molekulární struktura zpravidla zcela zásadní vliv na fyzikální a chemické vlastnosti látek, je jedním ze základních pilířů hlubšího vhledu do chemie jako takové. Díky těmto principům lze velmi srozumitelně objasnit celou řadu chemicko-fyzikálních dějů a zákonitostí.

tvary molekul cerny tvary molekul modry tvary molekul cerveny

  Obr. 1: Molekulové modely methanu CH4, amoniaku NH3 a vody H2O

Za tímto účelem se právě nabízí možnost využití předem sestavených modelů nebo nejrůznějších molekulových stavebnic. Výhodou je bezesporu již zmíněná názornost. Ne každý žák má totiž tak dobrou prostorovou představivost, aby si dokázal uspořádání atomů a geometrii molekuly ve své hlavě správně vizualizovat jen na základě slovního popisu nebo pomocí obrázku. Pokud má student v ruce hmotný model, jenž si může osahat a prohlédnout z různých úhlů, tak je pro něj proces utváření si představy o tvaru dané molekuly jistě snadnější a rychlejší.

Jednou z komerčně dostupných molekulových stavebnic je výše zmiňovaná sada vyrobená firmou Molymod nazvaná Tvary molekul (Shapes of Molecules). Po otevření plastové krabice na nás nejprve vykoukne soupis dílků obsažených v této sadě (v angličtině) a také letáček, kde najdete stručný popis ostatních setů nabízených společností Molymod (také psáno anglicky). Pod nimi uvidíte, že box je přepážkami rozdělený do čtyř částí (viz Obr. 2). V první se nachází 8 součástek v odlišných barvách. Tyto kuličky s otvory představují centrální atomy molekul s různým prostorovým uspořádáním (lineární, trigonální, tetraedrické atd.). Další oddíl je naplněn šedými dílky, které znázorňují kovalentní chemické vazby (26 kusů). Ty lze spojit s centrálními atomy. Na druhý konec těchto vazeb lze připevnit menší kuličky představující atomy vodíku (bílé, 13 kusů), fluoru (světle zelené, 9 kusů) nebo chloru (tmavě zelené, 7 kusů). Tyto díly jsou uloženy ve třetí části krabičky. Poslední oddíl obsahuje větší béžové kuličky představující volné elektronové páry (6 kusů) a k nim také béžové vazby vzniklé protonací elektronového páru (6 kusů). Pro připojení elektronového páru k centrálnímu atomu se používá malá bílá spojka (logicky rovněž 6 kusů). Pro snadnější opětovné rozložení sestavených modelů obsahujících tyto propojovací dílečky je přiložen speciální nástroj (celý obsah viz souhrnný Obr. 3).

tvary molekul molekul. sada uzavrena Tvary molekul molekul. sada otevrena

Obr. 2: Molekulová sada Tvary molekul od firmy Molymod

Tvary molekul barevné komponentyTvary molekul šedé komponenty

 

Tvary molekul dřevěné komponentyTvary molekul zelené komponenty

Obr. 3: Dílky obsažené v molekulovém setu

Jak již bylo řečeno ve výčtu obsažených součástek, z různobarevných centrálních atomů lze připojením vazeb s dalšími atomy, nebo přidáním elektronových párů sestavit modely odpovídající geometrii relativně velkého množství jednoduchých molekul. Jsou to jednak molekuly s lineární geometrií (hybridizace sp), jako je BeCl2. Dále molekuly s trigonálně planárním uspořádáním (hybridizace sp2), kam spadá např. fluorid boritý BF3. Potom jsou to molekuly s tetraedrickou geometrií, jako je methan CH4 a samozřejmě také molekulové tvary od tetraedru odvozené. Sem můžeme zařadit molekulu amoniaku NH3 ve tvaru trojboké pyramidy nebo lomenou molekulu vody H2O (případně i jejich protonované formy, tj. amonný kation NH4+ a oxoniový kation H3O+). Dále je možné sestavit molekulu ve tvaru trigonální bipyramidy (hybridizace sp3d1), což je např. chlorid fosforečný PCl5. Poslední ve výčtu je geometrie oktaedrická (hybridizace sp3d2), kam spadá fluorid sírový SF6. Stejně jako v případě tetraedrického uspořádání (jako u zmíněného amoniaku a vody) lze pomocí této stavebnice zkonstruovat i tvary odvozené od trojboké dvojpyramidy, oktaedru či trojúhelníku.

Tvary molekul trigonálně planární molekuly BF3Tvary molekul lineární BeCl2  

Obr. 4: Modely lineární molekuly BeCl2 a trigonálně planární molekuly BF3

Tvary molekul SF6Tvary molekul PCl5  

Obr. 5: Modely molekul chloridu fosforečného PCl5 a fluoridu sírového SF6

Za výhody tohoto setu považuji především to, že jsou sestavené modely poměrně veliké (délka šedého dílku představujícího vazbu je 4 cm) a je tak na nich dobře pozorovatelné uspořádání atomů (respektive tvar molekuly). Na stavebnici též oceňuji to, že mi připadá celkem odolná a také to, že jdou jednotlivé díly bez obtíží spojovat i rozpojovat (velikostně si spojnice dobře odpovídají). Dále je z estetického a praktického hlediska vhodně zvolené, jak jsou od sebe barevně odlišené centrální atomy (černý uhlík, žlutá síra atd.). Za přednost by se patrně dalo označit i to, že sada obsahuje volné elektronové páry, protože to bohužel rozhodně není u podobných molekulových stavebnic pravidlem.
Co by šlo této molekulové stavebnici vytknout je pravděpodobně to, že vzhledem k její ceně by člověk mohl očekávat větší množství atomů, ze kterých by pak bylo možné sestavit i trochu složitější molekuly, například organické. Jistě nelze předpokládat, že vVám tato sada umožní sestavit třeba molekulu cyklohexanu (na to neobsahuje dostatek sp3 atomů). Takto zkrátka tento konkrétní set nebyl koncipován. Stavebnice obsahuje sadu základních centrálních atomů pro možnost sestavení modelů všech obvyklých tvarů jednoduchých anorganických molekul a je potřeba připustit, že tento účel může plnit velice dobře.
Pokud vás tato molekulová stavebnice zaujala, je možné ji objednat například na webových stránkách Učební pomůcky a mikroskopy doktora
K. Martyčáka: https://www.ucebnipomucky.net/.