分子モデル
原子半径の大きさを反映させた球で原子を表したモデル。
1934年にドイツの実験物理学者ヘルベルト・アーサー・スチュアート(en:Herbert Arthur Stuart(1899-1974年))が発明した模型。発明者の名前を取ってスチュアート模型とも呼ばれる。「CPKモデル」は1965年にコリー(R.Corey)とポーリング(L.Pauling)が模型を作り、それを詳しい計算で改良したコルタン(W.Koltum)の頭文字をとったものである。「空間充填分子模型」はSpace Fulling Molecular Modelの直訳である。初等科学教育の分野では子どもたちがイメージしやすい用語として実体積分子模型と呼ぶことが主流である。
それまでの模型が結合角と結合距離だけ正確に作り、分子の骨格だけを表していたのに対して、分子骨格を取り巻く電子雲も表そうとした模型である。原子をファンデルワールス半径の大きさにとり、結合距離に応じて原子球の一部を切り落としたものをつないで分子の形に組み立てる。
また分子模型の授業を受けて、成人後にプログラマーの仕事に就いたとき、その時学んだ分子運動のイメージを視覚化するために「シミュレーション版〈もしも原子が見えたなら〉」を作って販売するまでになったものも現れた。
18年ぶりに再会した小学校の同窓会で、小学校時代に体験した分子模型のたのしさが話題になった事例や、仮説実験授業研究会の外まで分子模型の授業が広がり、海外の生徒が分子模型の授業を楽しんだ事例も現れた。
板倉聖宣は分子模型の教育について次のように述べている。
明治初期の物理の教科書には、小学生用のものにも、最初から分子の話が出ていました。そして「すべての物は分子からできている」ということを知らないと「文明開化の人」とは言えないと思われることもありました。しかし、その原子分子論の知識は広く国民の基礎常識となるに至りませんでした。しかし、「地球」の方の知識は広く国民の常識となったと言えるでしょう。明治期は『地球儀用法』という本が何種類も発行されて、人々に「地球の実在」を雄弁に訴えることに成功したからです。地球全体は大きすぎて見えないのに、机の上の小さい地球儀は目に見えるので、地球の実在を有力に訴えることができたのです。分子模型があってはじめて、原子分子論は国民常識になるに至る道を見いだしたというべきでしょう。
ポーリングは自分の研究成果を用いて、絵の上手な友人の科学者に、自分の持っている原子・分子のイメージを絵に描いてもらい、たくさんの実体積分子模型の図を自著に載せた。
1934年にドイツの実験物理学者スチュアート(en:Herbert Arthur Stuart)は、『分子構造 物理的方法による分子構造の決定』に次のように書いた。
原子のファンデルワールス半径の値を決められるようになったので、2種類の新しい(メタンの)分子模型を組み立てた。1つは透明なガラス球で作ったもので、共有結合半径の大きさの球にしてある。球の中心には原子核の位置を示す小さなガラス球がついている。
もうひとつは原子を木の球で作ったもので、球の大きさはファンデルワールス半径にしてある。ただし、この球の一部はカットしてあるので欠球である。これは特別の仕組みで原子同士を結合して分子模型を組み立てるようにしたもので、分子内で原子は自由に回転できる。作りたい分子を自由に組み立てることができるし、その分子の中で原子を自由に回転できるので、いろいろな形に変化した分子を研究することができる。
スチュアートの分子模型は「分解・組み立て自由・回転可能」で「詳しい知識が無くても自分で分子を作れてしまう」という点がこれまでの分子模型になかった画期的な発明だった。この模型は1956年に黒木信彦が『染色の化学』(槙書店)の中で日本に紹介した。スチュアート模型では原子の接合部に服につかうスナップボタンを使っている。この分子模型はケルンのLeybolds商会(en:Leybold GmbH)が供給を引き受け、世界で初めて市販された分子模型となった。
X線結晶構造解析の結果を表すために用いられる。原子核が一定以上の確率で存在する位置を表す熱振動楕円球を描き、楕円球を結合を表す棒でつないだもの。
ORTEPとは、Oak Ridge Thermal Ellipsoid Program(オークリッジ熱楕円体プログラム)の頭文字をとったもの。イギリスの結晶学者 D.W.J.Cruickshank(1924-2007年)(en:Durward William John Cruickshank)が1956年に考案した。en:Thermal ellipsoid
スチュアートの実体積分子模型は改良され、イギリスやアメリカなどで教育用に発売された。日本でもそれらを模倣する形で教材用として販売されるようになった。それらには三田村理研工業の「MRK分子模型」、英国製でナリカが販売する「モリモッド分子模型(molymod)」、日ノ本合成製作所の「HGS分子模型」、英国製でCYPRESSが販売する「CPK精密分子模型」がある。これらの模型の倍率は1.25億倍から2.8億倍となっている。このような半端な倍率になっているのは、アメリカやイギリスの1インチを元にした倍率をそのまま模倣または輸入したからである。英米の科学者は科学研究にはメートル法を使うが、模型を作るとなると1オングストローム=1インチまたは0.5インチを基本の長さで作っている。これは発注時に、日常的な単位で寸法を指示したからだと思われる。欧米の科学者は模型の倍率には関心が無かった。
科学史家、科学教育研究者の板倉聖宣は、原子や分子を子ども向けに教える絵本『もしも原子がみえたなら』を1971年に出版した。この本では、1億倍の実体積分子模型の絵が使われた。