JP2009093204A

JP2009093204A - 分子模型

Info

Publication number: JP2009093204A
Application number: JP2009021915A
Authority: JP
Inventors: Kazuhisa Sato; 和久佐藤
Original assignee: HINOMOTO GOSEI JUSHI SEISAKUSH; HINOMOTO GOSEI JUSHI SEISAKUSHO KK
Current assignee: HINOMOTO GOSEI JUSHI SEISAKUSH; HINOMOTO GOSEI JUSHI SEISAKUSHO KK
Priority date: 2009-02-02
Filing date: 2009-02-02
Publication date: 2009-04-30

Abstract

【課題】２種の球−棒状模型および空間充填型模型の対応関係が容易に理解でき、分子構造に関する種々の事項が一度に学習でき、化学教材等として利用可能にする。
【解決手段】外殻部２２、４１が透明材料または半透明材料にて形成された空間充填模型と、該空間充填模型とともに原子表示部品を形成するように上記外殻部２２、４１内に配置された球−棒状模型とを備え、上記原子表示部品に、これとは少なくとも形状またはサイズが異なる他の原子表示部を、上記球−棒状模型を化学結合手として連結した構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、化学教材等として利用するための分子模型に関するものである。

従来から、知られているように、分子模型には数種の種類があり、その１つは球−棒状の分子模型である。これは、適当な大きさの複数の球に、原子価角に合わせて連結孔をあけ、球の中心間の距離が原子間距離に対応するように棒の両端を上記の連結孔に挿し込んで、各球を連結したものである。
また、他の１つは空間充填模型またはスチュアート型模型と称されている模型である。これは、分子を構成する原子のフアン・デル・ワールス半径に相当する部品を、結合半径および原子価角に合うように結合したものである。

例えば、エチレン（ＣＨ_２＝ＣＨ_２）は平面状分子であり、球−棒状模型では図２０に示すように表わされ、空間充填模型では図２１に示すように表わされる。
従来の球−棒状模型では、水素原子を表す球状部１１Ａ、１５Ａおよび炭素原子を表す球状部品１７Ａを接続杆１９Ａ、２１Ａで接続していた。また、従来の空間充填模型では、水素原子を表わす半球状部品１１Ｂおよび二重結合を有する炭素原子を表わす三角柱状または丸味を帯びた三角柱状部品１３Ｂを、それぞれ色の異なる不透明なプラスチック材または木材で作り、これらを適当な結合手段（例えば接続杆、磁力結合手段またはスナップ結合手段等）で着脱自在に結合していた。
従って、化学の学習者は、図２０の球−棒状模型で原子間距離、原子価角、原子の空間内配置状態等を学習でき、図２１の空間充填模型によって分子の形状、原子の空間充填状態（パッキング）、立体障害等を学習できる（例えば、非特許文献１参照）。

英国ナフィールド財団編「ナフィールド化学」、日本語版、第ＩＶ巻、講談社（昭和４９年３月２０日第２刷発行）、第１９９頁〜第２２８頁

しかしながら、上記従来の分子模型にあっては、分子の構造に忠実であろうとして原子価角や原子間距離の種類を増やし、複雑で使いずらいものとしていた。また、分子構造の学習のためには少なくとも上記２種の球−棒状模型および空間充填型模型が必要であり、かつ生体構成分子のように比較的複雑な分子では、上記２種の模型の対応関係が初学者には多少わかりにくい。また、各模型の組み立ても多少不便であった。

本発明は上記のような従来の課題を解決するものであり、プラトンの正多面体の角を切り落した、１４面体、２０面体、２６面体、３２面体、球などの多面体をその原子表現体とすることにより、原子や分子の軌道概念に立脚した標準的な原子価角を使用して、分かり易く簡潔にし、かつ対称性の高い多面体を使用したことにより、分子の持つ対称性を見てわかり易いものとした、また、２種の球−棒状模型および空間充填型模型の対応関係が容易に理解でき、分子構造に関する種々の事項が一度に学習できる分子模型を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために、本発明に係る分子構造は、外殻部が透明材料または半透明材料にて形成された空間充填模型と、該空間充填模型とともに原子表示部品を形成するように上記外殻部内に配置された球−棒状模型とを備え、上記原子表示部品に、これとは少なくとも形状またはサイズが異なる他の原子表示部が、上記球−棒状模型を化学結合手として連結されていることを特徴とする。

この構成により、この球−棒状模型は、前記多面体構造により発生したｓ軌道、ｐ軌道、ｓｐ軌道、ｓｐ^２、ｓｐ^３、ｄｓｐ^３、ｄ^２ｓｐ^３などの軌道を表現する標準的なアングルに立脚した模型を形成し、分子の対称性の理解に役立つことになる。

本発明によれば、原子や分子の軌道概念に立脚した標準的な原子価角を使用して、分かり易く簡潔にし、２種の球−棒状模型および空間充填型模型の対応関係が容易に理解でき、分子構造に関する種々の事項が一度に学習できる。

本発明の実施の一形態によるエチレンの分子模型を示す平面図。本発明における水素分子の半球状部品を示す斜視図。図２に示す半球状部品の断面図。本発明におけるベンゼン型部品を示す斜視図。図４示すベンゼン型部品の水平断面図。本発明におけるベンゼンの分子模型を示す平面図。本発明におけるジホルミルヒドラジンの分子模型を示す平面図。本発明における四面体型部品を示す斜視図。本発明におけるグリシンの分子模型を示す説明図。本発明における屈曲原子表示部品を示す斜視図。図１０における原子表示部品を示す拡大断面図。本発明におけるメチルアルコールの分子模型を示す説明図。本発明における直線型部品を示す斜視図。本発明におけるアセチレンの分子模型を示す平面図。本発明における球−棒状模型を示す正面図。本発明における球−棒状模型の他の例を示す正面図。本発明における球−棒状模型の他の例を示す正面図。本発明における球−棒状模型の他の例を示す正面図。本発明における球−棒状模型の他の例を示す正面図。従来の球−棒状の分子模型を示す平面図。従来の空間充填型分子模型を示す平面図。

以下に、本発明の実施の形態を図について説明する。本発明は、空間充填模型の非末端原子表示部品の外殻部を透明ないし半透明材料で構成し、上記非末端原子表示部品の内部に球−棒状模型を配置した分子模型である。ここに、「非末端原子」は、分子中の連鎖の末端でなく鎖中に存在する原子を意味し、例えば式（１）に示すような化合物（すなわち、アクリル酸）では、＊印の付いた原子が「末端原子」であり、＊＊印の付いた原子が「非末端原子」である。

図１は、エチレン（ＣＨ_２＝ＣＨ_２）の分子模型の平面図である。この分子模型の原子表示用部品の外形は従来の空間充填模型の外形と同じであるから、外形の詳細な説明は省略する。水素原子を表わす部品１１は、図２および図３に示すように半球形であって、このような末端原子表示部品は外殻部４１が透明ないし半透明のプラスチック材料からなり、あるいは従来の場合と同様に不透明であってもよい。また、不透明の場合でも分子構造の学習に大きい障害とはならない。
上記外殻部４１が透明である場合には、その中の所定の位置に、球−棒状模型の小球１５が入れられ、これに結合管４３が固定され、この結合管４３は外殻部４１に固定されている。他の原子表示部品と接続するための接続杆３３の一端部が結合管４３に固定状態で挿入されているが、これはなくてもよい。

また、図１おいて、三角柱状の部品１３は非末端原子表示部品の１種でありエチレン中の二重結合で結合された炭素原子（＞Ｃ＝）を表わすものである。これは、ベンゼン中の炭素原子の表示のためにも使用されるので、模型製造業界ではベンゼン型部品と称されている。
上記部品１３は、図４および図５に示されるように、三角柱または丸味を帯びた三角柱の外形を有し、その外殻部２２が透明ないし半透明のプラスチック材料で作られている。その外殻部２２の中の化学結合手を表わす部材、すなわち球−棒状模型の各部材が平面的に配置されている。

例えば、小球２５に３本の結合管２７、２９、３１の各一端が所定の角度（例えば１２０度）に取り付けられ、一方、部品１３の外殻部２２を構成するプラスチック材の所定の位置（すなわち、この三角柱の側面の中心）に連結孔が開けられ、この連結孔に上記の結合管２７、２９、３１の各他端が固定されている。なお、これらの結合管２７、２９、３１のうちの１本ないし２本には、他の原子表示用部品と接続するための接続杆３３が着脱自在に取り付けられる。
このような二重結合炭素原子表示用の部品（いわゆるベンゼン型部品）１３と同様な三角柱型の部品が、アミド結合窒素（−ＮＨ−）の表示のために使用されるが、炭素と窒素とはそれぞれ別々の色の部品で表示するのが便利である。例えば、炭素は薄黒色、窒素は青色、水素は白色、酸素は赤色、塩素は緑色というように原子の種類を色で区別すると便利である。

上記部品１３は、その通称名「ベンゼン型部品」から明らかなようにベンゼン環表示用部品としても使用される。図６ベンゼン（Ｃ_６Ｈ_６）を表わす模型の平面図であって、これは三角柱状の炭素原子表示用の部品１３と半球状の水素原子表示用の部品１１とからなるものである。この図６に特に明瞭に示されているように、空間充填模型の外形と球−棒状模型の形態とが同時に表示でき、両者の対応関係も一目瞭然である。
図７、式（２）に示すようなジホルミルヒドラジンの分子模型の平面図である。

この化合物の分子は平面状分子であって、水素原子を除く骨格連鎖Ｓ形に屈曲している。この分子の中の２個の炭素原子はいずれも二重結合を有するから、分子模型では三角柱状の炭素原子表示用の部品（いわゆるベンゼン型部品）１３を使用する。上記ジホルミルヒドラジン分子の中の２つの窒素原子はいずれもアミド結合型であるから、これは三角柱状のアミド型の部品１５で表わされる。水素原子は半球状の部品１１で表わされる。上記化合物中の酸素原子は末端原子であるから、これもまた半球状の部品１４であらわされるが、その寸法は勿論水素原子表示部品１１の寸法よりかなり大である。上記ジホルミルヒドラジン分子には平面Ｓ形のＯ−Ｃ−Ｎ−Ｎ−Ｃ−Ｏの連鎖が存在するが、本発明に係る分子「外形」との対応関係もはっきりわかる。

また、メタン（ＣＨ_４）等の分子の中の炭素原子は、式（３）に示す通りであり、これが空間充填模型では、正四面体または丸味を帯びた正四面体の形の部品で表わされる。

従って、図８に示すように、正四面体の外殻部５２が透明ないし半透明のプラスチック材で作られ、その中に炭素原子の球−棒状模型が配置される。この球棒型模型は、多面体模型により発生したｓ軌道、ｐ軌道、ｓｐ軌道、ｓｐ^２、ｓｐ^３、ｄｓｐ^３、ｄ^２ｓｐ^３等の軌道概念を表現するアングルに立脚した模型である。すなわち、小球（または球に似た多面体）５３に、４本の化学結合手表示用の結合管５５、５７、５９、６１の各一端が所定の方向に接続される。そして、これらの結合管の各他端は正四面体型の外殻部５２の各面（正三角形）の中心部に固定されている。なお、管５５、５７、５９、６１のうちの１〜３本に接続杆３３を予め取り付けておくと便利である。このようにして組み立てられた部品を正四面体型の部品と称する。

さらに、図９は、式（４）に示すような蛋白質中のグリシンを表わす分子模型を示す。

これは、三角柱状のアミド型窒素原子表示部品１５に四面体型炭素原子表示部品５１および三角柱状の炭素原子表示部品１３が接続されるとともに、水素原子（または水素イオン）を表わす４個の半球状部品１１が接続され、さらに、末端原子である酸素原子（または−ＣＯＯ⁻ 中のイオン状の酸素）を表わす２個の大形球状部品１４が接続されている。
この分子は平面状分子ではないので図面では構造がわかりにくいが、実際に模型を組み立てると、分子の形状および化学結合鎖の状態およびそれらの対応関係がよくわかる。

図１１および図１２はアルコール性水酸基（−ＯＨ）中の酸素原子のような、原子（主として連鎖中に存在する２価原子）を表わす部品７０の斜視図である。
図１１はその拡大断面図である。この型の部品は一般に｀屈曲原子表示部品と称されている。これは、球を直径方向に所定の角度（例えば７０°３２´度）に切り取ったような形を有する。この外形を有する透明な外殻部７１，７２，７４の中に、小球７３と結合管７９および８０とが接続されてなる球−棒状模型が固定され、必要に応じて接続杆３３を取り付けることができる。
上記の屈曲原子表示部品を使用した分子模型の一例として、図１２示すようなメチルアルコール（ＣＨ_３ＯＨ）の分子模型がある。この分子模型の中の式（３）に示すような炭素原子は正四面体型部品で表わされ、これに、３個の水素原子表示用半球状部品１１が接続され、さらに、水酸基中の酸素を表わす屈曲原子表示部品７０が接続され、さらに、水酸基中の酸素を表わす屈曲原子表示部品７０が接続され、水酸基中の水素原子を表わす半径状の部品１１が接続されている。

図１３は、直線状結合（結合角１８０度を形成する原子、例えば、三重結合炭素原子）を表わす部品、すなわち、直線型部品８１の斜視図である。これは、短円筒状または円板状の形体を有する透明な外殻部８４の中に、軸方向に直線状形態の球−棒状の分子模型を配置したものである。すなわち、小球８３に２本の結合管８８および９０が直線状に接続され、結合管８８、９０の他端が外殻部８５の所定の位置８６および８７に取り付けられている。直線型部材の使用例として図１４に示すようなアセチレン（ＣＨ≡ＣＨ）を表わす分子模型がある。アセチレンは直線状分子であって、その模型は、三重結合の炭素原子を表わす２個の直線型部品８１と、その両端の部品１１とからなる。

本発明に係る分子模型は、プラスチック等で作るのが一般に便利である。球−棒状模型の部分は非常に摩耗に強いポリアセタール樹脂で作るのが好ましく、空間充填模型の部分は着色自在のＡＢＳ樹脂、透明度の高いアクリル樹脂やポリカーボネート樹脂で作るのが有利である。
この分子模型における各原子表示用の各部品は、多少の隙間と余裕を保って接続杆３３で相互に接続できるようにしておくのがよい。接続杆３３は多少の弾性を有する材料で作るのが好ましい。このように各部品および接続杆３３を形成することによって、複雑な有機分子の組立も割合容易になる。また、シクロヘキサン（Ｃ_６Ｈ_１２）の模型において椅子形分子を舟形分子に変換することも可能になる。さらにまた、既述のベンゼン部品（三角柱状部品）を用いて５員環を作ることも可能になる。

なお、上記球−棒状模型として、図５に示すもののほか図１５に示すように、小球に対し接続杆３３の接続が可能な１本の管２７Ａと接続杆３３を接続した２本の模擬接合手２７Ｂ、２７Ｃを１２０°の角度をおいて一体に設けたもの、図１６に示すように、接続杆３３に接続が可能な２本の管２７Ｄ、２７Ｅと接続杆３３を接続した１本の模擬結合手２７Ｆを１２０°の角度をおいて一体に設けたもの、図１７に示すように１本の管２７Ｇと１本の模擬結合手２７Ｈを直線方向に一体に設けたものが、必要に応じ用いられる。

また、上記球−棒状模型として、図１０に示すもののほか、図１８に示すように、小球５３に対して接続杆３３が接続可能な１本の管２７Ｉと接続杆３３を接続した３本の模擬結合手２７Ｊ、２７Ｋ、２７Ｌを一体に設けたものが、必要に応じ用いられる。さらに、上記球−棒状模型として、図１０に示すもののほか、図１９に示すように小球７３に対して接続杆３３が接続可能な１本の管２７Ｍと接続杆３３を接続した１本の模擬結合手２７Ｎを所定の角度で小球７３に一体に設けたものが、必要に応じ用いられる。

このように、本実施形態においては、外殻部２２、４１が透明材料または半透明材料にて形成された空間充填模型と、該空間充填模型とともに原子表示部品を形成するように上記外殻部２２、４１内に配置された球−棒状模型とを備え、上記原子表示部品に、これとは少なくとも形状またはサイズが異なる他の原子表示部が、上記球−棒状模型を化学結合手として連結された構成とした。

これにより、分子構造を原子や分子の軌道概念に立脚した標準的な原子価角を使用して、分かり易く簡潔にでき、２種の球−棒状模型および空間充填型模型の対応関係が容易に理解でき、分子構造に関する種々の事項が一度に学習できることとなる。

本発明の分子構造は、２種の球−棒状模型および空間充填型模型の対応関係が容易に理解でき、分子構造に関する種々の事項が一度に学習でき、化学教材等として利用するための分子模型等に有用である。

２２、４１、５２、７１、８４外殻部
２７、２９、３１、４３、５５、５７、５９、６１、７９、８０、８８、９０結合管

Claims

外殻部が透明材料または半透明材料にて形成された空間充填模型と、
該空間充填模型とともに原子表示部品を形成するように上記外殻部内に配置された球−棒状模型とを備え、
上記原子表示部品に、これとは少なくとも形状またはサイズが異なる他の原子表示部が、上記球−棒状模型を化学結合手として連結されていることを特徴とする分子模型。